机制砂特性及其在混凝土中应用的相关问题研究.pdf

新 建魄 全 国 中 文 核 心 期 刊 栅制础特性及其在混凝土【 l 】 应用昀 相关问题研究 蒋正武 ， 任启欣 ， 吴建林 ， 张长贵 ， 钟安鑫 s ( 1 同济大学 先进土木工程材料 教育部重点实验室， 上海2 0 0 0 9 2 2 湖州鹿 山坞矿 山有限公司 ， 浙江 湖州3 1 3 0 2 5 ； 3 贵州 中建建筑科研设计院有限公司， 贵州 贵阳 5 5 O o o 9 ) 摘要： 试验研究了机制砂的材料特性， 分析了机制砂在我国的生产与应用现状， 并提出了机制砂在混凝土中应用应考虑的石粉 含量、 配合比设计思路、 机制砂 生产技术、 品质管理 、 科学研究、 工程应用 、 宣传导向等几个 问题。 关键词： 机制砂； 混凝土； 石粉； 配合比设计 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 4 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 0 ) 1 1 - 0 0 0 1 - 0 4 S t u d y o n p r o p e r t i e s o f ma c h i n e ma d e s a n d a n d r e l e v a n t i s s u e s o f a p p l i c a t i o n s i n c o n c r e t e J I AN G Z h e n g w u ， R E N Q i x i n ， J i a n l i n ， Z H A N G C h a n g g u i ， Z HO N G An x i n ( 1 K e y L a b o r a to r y o f A d v a n c e d C i v i l E n g i n e e ri n g Ma t e ri a l s o f Mi n i s t r y o f E d u c a t i o n ， T o n i U n i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ， C h i n a ： 2 H u z h o u L u s h a n w u Mi n e r a l C o L t d ， Hu z h o u 3 1 3 0 2 5 , Z h e j i a n g ， C h i n a ： 3 Gu i z h o u C o n s t r u c t i o n S c i e n c e Re s e a r c h De s i g n I n s t i t u t e o f CS C EC L t d ， Gu i y a n g 5 5 0 0 0 9， Gu i z h o u， Ch i n a ) Ab s t r ac t ： An e x p e ri me n t a l i n v e s t i g a t i o n o n p r o p e r t i e s o f ma c h i n ema d e s a n d h a s b e e n ma d e i n t h i s p a p e r Th e c u r r e n t s i t u a t i o n o f ma n u f a c t u r e a n d a p p l i c a t i o n o f t h e ma c h i n e - ma de s an d i n Ch i n a i s d i s c u s s e d， a n d s e v e r a l r e l a t i v e i s s u e s of ma c h i n e - ma d e s and i n c o n c r e t e ， s u c h a s c o n t e n t of r o c k p o wd e r ， d e s i gn of mi x p r o p o rti o n ， ma c h i n e ma d e s a n d p r o d u c t i o n t e c h n i q u e s ， q u a l i t y c o n t r o l ma n a g e me n t ， s c i e n t i fi c r e s e a r c h ， p r 0 j e c t s a p p l i c a t i o n a n d i t s p r o p a g a n d a o ri e n t a t i o n e t c a r e p r o p o s e d Ke y wor d s： ma c h i n e ma d e s a n d； c o n c r e t e ； r o c k p o wd e r ； d e s i gn o f mi x p r o p o r t i o n 混凝土是人类目 前最大宗的建筑结构材料l】 。砂作为混 凝土的主要原材料之一， 包括天然砂和机制砂2 大类。 目 前我 国 砂石年产量达2 0 亿t 以 上。受自 然资源的限制， 以河砂为 主的天然砂越来越无法满足日益增长的混凝土用量需求， 尤 其在我国西南地区。另外， 因过量的开采天然砂源， 对自 然环 境所造成的压力也日益增加，使用机制砂替代河砂已成为混 凝土行业可持续发展的一种趋势 。国外工业发达的国家和 地区对机制砂的应用研究较早， 目 前， 在我国， 尤其在云南、 贵 州等河砂自然资源短缺的地区H ， 机制砂已经在砂浆、 混凝 基金项 目： 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 0 7 8 2 6 9 ) 浙江省重大科技专项 ( 2 0 0 8 C1 3 0 8 4 ) 收稿 日期 ： 2 0 1 0 0 7 1 4 作者简介 ： 蒋正武， 男， 1 9 7 4年生， 副教授， 博士。 主要从事水泥基材料 及其耐久性研究 。地址 ： 上海市四平路 1 2 3 9号， E m a i l ： j z h w t o n g i i e d u c a。 土、 砌块中得到一定程度的应用。G B T 1 4 6 8 4 -2 0 0 1 建筑用 砂 的实施对保证在“ 十一五” 期间满足我国建设所需用砂的 数量和质量、 充分利用资源、 保护环境以及规范建筑砂石市场 将起到积极作用。 了解不同地区的机制砂特性，正确认识机制砂在混凝土 行业中应用存在的问题， 对全面推广机制砂具有积极的、 重要 的指导意义。 1 机制砂特性 根据G B T 1 4 6 8 4 -2 0 0 1 规定， 经除土处理、 机械破碎、 筛 分制砂， 粒径小于4 7 5 m m的岩石颗粒称为机制砂， 但不包括 软质岩、 风化岩石的颗粒。 机制砂目前基本为中粗砂， 细度模数在2 6 3 6 ， 颗粒级 配稳定、 可调， 含有一定量的石粉， 除 1 5 0 m的筛余有所增 加外， 其余筛余多呈三角体或方矩体颗粒分布， 表面粗糙， 棱 角尖锐。但由于各地机制砂的生产矿源、加工设备和工艺不 N E W BUI L DI NG M AT E RI AL S 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 蒋正武， 等： 机制砂特性及其在混凝土中应用的相关问题研究 同， 生产出的机制砂粒型和级配会有很大区别。比如， 有些机 制砂片状颗粒较多， 有些机制砂的颗粒级配为两头大中问小， 但只要能满足国标中对机制砂的全部技术指标，就可在混凝 土和砂浆中使用。 河砂、 贵州产机制砂和湖州产机制砂的基本 物理性能见表 1 ， 河砂与湖州产机制砂的筛分曲线见图 1 。从 表 1 和图1 可见， 机制砂中石粉含量高， 表面粗糙， 颗粒较大， 级配不均。 表 1 河砂 与不同地区机制砂的基本物理性能 1 00 80 乎6O 4O 2O 0 U J U ， U U 4 U b U 粒径 m 珈 图 l 河砂与湖州产机制砂的筛分 曲线 由 机制砂本身的特点所决定，与级配和细度模数相同的 天然砂相比， 在配比设计、 其它材料成型养护条件都相同的情 况下， 用机制砂配制出混凝土的特点是： 坍落度减小， 2 8 d 标 准强度提高； 如保持坍落度不变， 则需水量增加； 但在不增加 水泥的前提下水灰比变大后， 一般情况下， 混凝土实测强度并 不降低。 按天然砂的规律进行混凝土配比设计， 机制砂的需水 量大， 和易性稍差， 易产生泌水， 特别在水泥用量少的低强度 等级混凝土中表现明显。 而如果根据机制砂的特点进行混凝土 配比设计，通过合理利用机制砂中的石粉、调整机制砂的砂 率， 完全可以配制出和易性很好的混凝土。 普通混凝土的配比 设计方法完全适用于机制砂。最适合配制混凝土的机制砂细 度模数为2 6 3 0 ， 级配为2 区。机制砂在配制添加外加剂的 混凝土时， 对外加剂的反应比天然砂敏感。 机制砂配制的高强 度泵送混凝土在泵送过程中不易堵泵。正确使用机制砂的混 凝土密实度大、 抗渗、 抗冻性能好， 其物理力学性能和长期耐 久性均能达到设计使用要求。机制砂特别适于配制高强度等 级混凝土、 高性能混凝土和泵送混凝土。 2 我国机制砂的生产与应用现状 目 前， 国内机制砂生产主要有3 种形式： 一种是开矿产石 2 新型建筑材料 2 0 1 0 1 1 的同时专门生产机制砂， 质量较好， 数量少； 一种是在河道里 用卵石生产机制砂或配以少量天然砂生产混合砂，质量有好 有差， 差别较大， 数量也少； 再一种是利用各种尾矿生产机制 砂， 其中主要是各地生产石灰石碎石后的石屑或石粉， 经过简 单再加工和筛分， 或直接利用， 质量有好有差， 差别很大， 生产 企业近万家。 从2 0 世纪6 0 年代起，因为一些建设工程的环境条件所 限， 我国水电、 建筑部门就开始用当地石材进行机制砂的生产 工艺、 技术性能和应用于混凝土和砂浆的研究， 并开始在工程 上使用。 2 0 世纪从7 0 年代起， 贵州省已在建筑上大规模使用 机制砂， 并制定了地方标准。此后， 云南、 重庆、 广东、 福建、 浙 江、 河北、 山西等省市都有了机制砂的生产线， 进行机制砂的 使用研究。 几十年大量的工程实践证明， 使用机制砂在经济上 是合理的、 技术上是成熟的。 美、 英、 日 等工业发达国家使用机 制砂也有几十年的历史，将机制砂纳入其国家标准的时间至 少 3 0 年以上。 G B T 1 4 6 8 4 -2 0 0 1 建筑用砂 中首次增加了机制砂的种 类， 确定了机制砂的定义、 技术要求和检验方法， 提出了混合 砂要执行机制砂的技术标准和亚甲蓝试验方法，为解决河道 挖砂的废石处理找到了出路，为合理利用石粉打下了技术基 础。 在已有的工程实践中， 用机制砂己配制出C 1 0 C 7 0 的普 通混凝土和泵送混凝土， 泵送最大高度达3 0 0 m以上； 配制出 跨度达6 4 m的预应力混凝土梁。 在试验室设计强度C 1 0 0 的 机制砂混凝土9 0 d 实际强度达到 1 5 5 M P a 。机制砂已开始应 用在混凝土结构、 砂浆和制品中。 在使用行业的分布上，以水电行业对机制砂的生产和使 用最为成熟， 但要求也相对高一些， 基本是自产自用， 多为大 中型生产线， 我国最大的三峡工程、 黄河小浪底工程均使用机 制砂配制混凝土。交通公路、 铁路和建筑则处于起步阶段， 产 品由 社会提供， 大中小型生产线都有。 在地域分布上，除贵州省和香港机制砂的生产与应用已 完全普及外，机制砂的生产与使用多集中在特大和大城市及 其周边地区。如北京、 上海、 天津、 重庆均为使用核心， 其周边 地区为生产区。北京、 上海、 重庆都已出台机制砂应用技术规 程地方标准， 天津也正在制定。以上海为例， 浙江的湖州地区 已成为上海砂石骨料的主要供应基地。 据不完全统计， 湖州地 区共有砂石生产企业2 0 0 多家，总产量在5 0 0 0 万t 以上， 其 中， 年产2 0 0 万t 以上的企业已有十几家， 最大达5 0 0万t 。 由 于砂石生产的连带性和考虑机制砂的生产成本，机制砂的产 量一般在砂石总产量的2 0 一 4 0 浮动，也有部分达5 0 8 0 ， 个别达 1 0 0 的情况。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 蒋正武， 等： 机制砂特性及其在混凝土中应用的相关问题研究 3 机制砂在混凝土中应用应考虑的问题 机制砂目 前的发展极不平衡， 应用推广仍有很大的阻力。 原因是多方面的： 人们认识不足、 机制砂产品质量参差不齐、 技术条件限制、 宣传不到位、 行业习惯等原因， 但根本还是资 源的原因。 3 1 正确认识机制砂 中石粉的作用 机制砂在生产过程中， 不可避免地会产生一定量的石粉， 这也是机制砂与天然砂最明显的区别之一。标准对石粉的定 义是： 加工前经除土处理， 加工后形成粒径小于7 5 m的颗 粒。其矿物组成和化学成分不同、 粒径分布不同， 在混凝土中 所起的作用亦不同。仅从细度角度讲， 经测试表明， 石粉颗粒 分布主要集中在 1 6 仙 m以上，石粉的平均粒度是泥的约4 倍。 天然砂中的泥对混凝土有害， 必须严格控制其含量。 而机 制砂中适量的石粉对混凝土有益，可弥补机制砂配制混凝土 和易性差的缺陷， 同时， 它的掺入对完善混凝土特细骨料的级 配( 在这点上， 天然砂由于其生产工艺的限制， 其特细级配部 分是不完善的) 、 提高混凝土密实性都有益处， 进而起到提高 混凝土综合性能的作用。因此， 在新国标中， 机制砂的石粉含 量根据配制混凝土的强度等级分别定为3 、 5 、 7 ， 比天然 砂含泥量相对放宽2 。同时， 在低强度等级混凝土的砂浆中 使用机制砂，考虑到使用机制砂成熟的地区几十年的工程实 践结果， 允许根据具体使用和试验情况， 由供需双方协商确定 机制砂的石粉含量指标。因此， 必须认识到石粉不是泥， 是机 制砂中必要的组分， 对改善混凝土性能起到有益的作用。 为防止机制砂在开采、加工过程中因各种因素掺入过量 的泥土， 而这又是目 测和传统含泥量试验所不能区分的， 新国 标规定了测试机制砂石粉含量必须先进行亚甲蓝M B 值检验 或快速检验。亚甲蓝M B 值检验或快速检验是专门用于检测 小于7 5 m的物质主要是石粉还是泥土的试验方法。 在新国标实施以 前，不少机制砂生产企业常用水洗的办 法控制机制砂中石粉的含量， 结果既浪费了资源， 又形成了新 的污染。 新国标实施后， 对机制砂中的石粉有了明确的要求和 试验方法， 因此， 在机制砂的生产过程中宜把除土处理放在原 料加工前进行， 加工后尽量保留和利用机制砂的石粉， 除了分 级利用石粉外，还可以用一定的装置将石粉收集起来用在其 它方面， 提高产品附加值。 按含泥量的思路来界定机制砂中石粉含量是应用机制砂 的一大误区，应正确区别合格的机制砂中石粉含量与含泥量 的区别。实践表明， 混凝土中含泥量高是有害的， 所以混凝土 强度越高其限制应该越严。 而石粉是有益的， 在质量保证和一 定含量下对各种强度等级的混凝土都有利，不是混凝土强度 等级高就必须少用石粉。从目 前的结果看，石粉含量控制在 8 1 0 时， 对各种强度的混凝土都起好的作用。 对水泥含量 低的混凝土， 石粉含量可以用到 1 5 左右或更多些。 贵州地方标准规定， 配制强度等级大于C 3 0的混凝土机 制砂中石粉含量小于 1 0 ， 配制强度等级为C 2 0 一 C 3 0的混凝 土机制砂中石粉含量小于1 5 ， 配制强度等级小于C 2 0 的混 凝土机制砂中石粉含量小于2 0 。 3 2 混凝土配合 比设计思路应调整 机制砂的特性决定了机制砂混凝土配合比设计应与传统 的河砂混凝土略有不同。 一般情况下， 用机制砂比天然砂水灰 比 放大0 0 5 后， 配制的混凝土强度不但不降， 反而有提高。 再 如， 我们探索用少量比例的石粉代替粉煤灰配混凝土， 发现其 2 8 d 强度比对照组高1 0 1 5 ； 有的生产企业也做过类似的 试验， 且替代的比例很高， 结果混凝土用水量减少， 和易性改 善， 流动性提高， 并减少了泌水。 因此， 作为设计、 施工人员， 应 系统了解机制砂对混凝土的性能影响， 必须认识到其差异， 从 混凝土配合比设计思路进行调整很有必要。 3 - 3 采用新生产工艺与品质管理提高机制砂质量 我国幅源辽阔， 各地的机制砂因矿产原料、 加工工艺、 加 工设备等不同， 其颗粒形状、 粒级分布、 石粉含量等有不小的 差别。比如， 同是采石厂的尾矿石屑， 目前浙江一带的石屑片 状含量很高， 而河北、 河南的石屑颗粒形状就比较好。 因此， 各 个地方、 企业应根据当地的机制砂的矿产原料， 选择合理的加 工工艺、 加工设备， 确保机制砂的质量。同时加强机制砂品质 检测， 为保证机制砂的质量， 应把机制砂的颗粒级配、 石粉含 量( 包括亚甲蓝检验) 、 泥块含量和坚固性检验都定为机制砂 出厂和施工现场复试的必试项目 。 机制砂的品质决定了混凝土的质量，直接影响到建筑工 程的质量。 机制砂的外表粗糙与圆形度欠佳， 主要由生产设备 与工艺所决定。冲击式破碎机生产的机制砂粒型呈圆型颗粒 状， 粒型较好， 并利用圆锥破碎机对机制砂产品细碎整形， 对 砂与石粉进行分离等环节， 改进机制砂产品的质量， 可有效提 高机制砂的品质。 对机制砂生产制定科学的工艺流程， 选用合 适的设备以及采用先进的生产工艺，可生产出符合标准的高 品质机制砂。 从目 前的情况看，生产劣质或不合格机制砂的企业除了 管理等条件之外， 突出的问 题是生产机械达不到要求。 机制砂 的生产与天然砂有根本区别， 机制砂的生产如果有固定的场 地、 先进生产工艺和设备， 其产品品质完全可以控制和稳定。 3 4 加强机制砂的相关系统科学研究 机制砂特性及其在混凝土的性能研究是机制砂应用的基 础。系统地研究机制砂对混凝土的作用及影响机理对人们正 N E W BUI L DI NG M AT ER I AL S 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 蒋正武， 等： 机制砂特性及其在混凝土中应用的相关问题研究 确认识机制砂、 合理应用机制砂混凝土具有重要的指导作用。 然而， 目前社会对砂石行业的落后印象一时难以改变， 其科研 立项较难，专门研究机构也没有，这需要政府给予重视和解 决。技术创新是根本， 要大力提倡企业积极开展技术研究， 向 技术要效益。 通过科研成果改变工程应用人员对机制砂的理 解误区， 并指导工程应用。 3 5 加强机制砂混凝土在重大工程中的 应用示范与指导 全面推广与应用机制砂混凝土的关键在于工程应用示 范。 相关机构应在各地区的重点工程， 如高速公路、 桥梁、 水电 工程等全面推广机制砂高性能混凝土， 加强整个项目的技术 指导与监控， 为混凝土行业起到很好的示范作用， 从而全面提 升机制砂混凝土的应用水平。 3 6 政府管理部门应加大宣传与导向 机制砂应用技术的推广同样处于困难时期，无论别人使 用成功的实例有多少， 因种种原因， 多数砂石使用单位还是墨 守成规，不在本单位做出示范之前都不肯使用新材料和新技 术。 而逐一单位去推广也不现实。 需要政府和行业有关管理部 门给予重视与支持，行业部门制定技术标准与规范、应用指 南， 需要媒体给予积极帮助， 需要行业多进行技术交流， 需要 已 使用成功的企业做出表率， 带动其它企业。 只有行业整体地 位提高， 企业自身才能做大做强。 4 结语 机制砂的推广应用是现代混凝土技术可持续发展的必由 之路。要大力推广机制砂， 需要从各个方面加强工作： 正确认 识机制砂的特性、 加强机制砂混凝土相关的科学研究、 提高机 制砂产品质量与品质， 加大机制砂宣传与导向， 是促进机制砂 在混凝土行业中健康、 持续发展应用的关键。 参考文献 ： 1 】 Me h t a P K， A i t c i n P C P r i n c i p lC S u n d e r l y i n g p r o d u c t i o n o f h i g h p e r f o r ma n c e c o n c r e t e J C e me n t C o n c r e t e a n d A g g r e g a t e ， 1 9 9 0 ， 1 2 ( 2 )： 7 0 7 8 2 J i a n g Z h e n g w u ， S u n Z h e n p i n g ， Wa n g P e i mi n g A u t o g e n o u s r e l a t i v e h u mi d i t y c h a n g e a n d a u t o g e n o u s s h r i n k a g e o f h i g h p e rfo r ma n c e c e m e n t p a s t e s J 】 _ C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 5 ， 3 5( 8 ) ： 1 5 3 9 -1 5 4 5 3 】 蒋正武 ， 石连 富， 孙振平 用机制砂配制 自密 实混凝 土的研 究 J 1 建筑材料学报 ， 2 0 0 6 ， 1 0 ( 2 ) ： 1 5 4 1 6 0 4 陈欣声 机制砂在商品混凝土中的应用 工程机械， 2 0 0 4 ， 3 5 ( 1 1 ) ： 7 4 - 7 5 【 5 徐健 ， 蔡基伟， 王稷 良， 等 机制砂与机制砂混凝土的研 究现状 J 】 国外建材科技 ， 2 0 0 4， 2 5 ( 3 ) ： 2 0 2 4 6 徐德成 ， 涂胜强 ， 刘德林 机 制砂在混凝 土和 砂浆 中的应用及 机 理探讨f J 】 工程科技 ， 2 0 0 3 ( 2 ) ： 6 9 7 3 7 周大庆 ， 道友 ， 华耕 ， 等 机 制砂 高性能 混凝土 配合 比设计 的研 究I J J 国外建材科技 ， 2 0 0 5 ， 2 6 ( 3 ) ： 2 0 2 3 A 巴斯夫三聚氰胺树脂泡沫用于太阳能集热器 德国的跨国供热系统生产商菲斯曼 ( V i e s s ma n n )目前选用 了由巴斯夫 公司生产 的三 聚氰 胺树 脂泡 沫作为太阳 能集热器的隔热保温材料。该泡沫具有耐高温、 阻燃、 轻巧、 柔韧及吸声隔热的特点， 即使是长期暴露在高温之下， 仍具有出色的隔热保温性能。与传统隔热保温材料不同， 巴斯夫公司的这种三聚氰胺树脂泡沫可被切割成不同形 状， 适用于平板型集热器的侧壁及后部。平板型集热器能吸收太阳能辐射， 并将其转化为热能。这种材料还有助于 在不 同的气候条件下保障集热器 内的空气流通 。 为使集热器在整个使用周期 内尽可 能多吸收 阳光 ， 耐用并且阻燃的材料 必不可少 。三聚氰胺树脂泡沫几乎不 会释放任何可能阻隔太阳能辐射的挥发性物质。例如， 它不会在集热器玻璃面板后形成雾气而降低太阳能系统的 效率。 出色的低导热系数【 小于0 0 3 5 W ( m K ) 】 ， 加上巧妙设计的隔热层形状， 使三聚氰胺树脂泡沫可以达到与矿物 棉相当的保温隔热效果， 用料却更少。三聚氰胺树脂泡沫使集热器的安装更为容易、 灵活、 不含纤维， 易于切割成所 需形状 。 平板型集热器主要由安全玻璃面板、 吸收体( 通常为部分区域带有涂层的金属片) 和传送防冻液体的金属管道 组成。当阳光穿过玻璃面板照射到吸收体上时， 吸收体将辐射转化为热能， 并将这种热能传入管道内的液体， 从这 里 ， 热能被传送至屋 内的热水 回路 。如果将太阳能集热器系统和加热辅助设备搭配使用， 每年户主在房屋取暖方面 可 以节省 多达 3 0 的传统燃油 费用 。 ( 张) 4 新型建筑材料 2 0 1 0 1 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m