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机制砂混凝土的工程应用
浙江金筑交通建设有限公司 马金尧
摘要: 本文首先详细介绍了机制砂的制作工艺, 描绘了国内近年机制砂的应用状况; 并对机制砂混凝土的硬化前性能、 力学性能、 耐久性性能做了深入研究; 最后举例说明机制砂混凝土在工程实践中的应用。
关键词: 机制砂混凝土; 制作工艺; 性能指标; 工程应用;
0.引言
近年来, 随着国家基础设施建设步伐的加快, 混凝土用砂量急也在剧增加。同时, 人们对环境资源的保护意识正在逐步增强, 以及部分地区受自然条件限制, 天然砂分布不均, 资源缺乏, 已逐渐成为工程进度控制的重要因素。因此, 在没有天然砂或者短缺的地方, 需要因地制宜, 就地取材, 采用机制砂。机制砂的生产和利用能够很好地缓解由于河砂资源不足而出现的问题, 机制砂的生产和应用也逐渐引起了人们的重视。
1.机制砂的制作工艺
机制砂是指经除土处理, 由机械破碎、 筛分制成的, 粒径小于4.75mm的岩石、 矿山尾矿或工业废渣颗粒, 但不包括软质、 风化的颗粒, 俗称人工砂[1]。机制砂的质量不但取决于母材的岩性, 还与砂的生产工艺息息相关, 不同工艺生产的机制砂, 质量相差甚远。当前, 国内常见的机制砂生产工艺流程如图1所示。

如图1, 岩石经过中碎筛分、 制砂筛分两个环节后, 均能够生成部分机制砂。同时, 由图可知, 机制砂的质量控制环节为破碎、 筛分和除粉三个环节。因此, 在要生产高质量的机制砂, 需要严格控制好以上三个生产环节。
在实际生产中, 最受工程界青睐的的两种破碎方式分别是反击式破碎和冲击式破碎。其中, 采用反击式破碎方法生产的机制砂棱角较多, 粒型较差, 但砂的级配较好; 采用冲击式破碎方法所产的机制砂棱角较少, 粒型较好, 但级配较差。当前, 部分厂家已建成反击破和冲击破相结合的生产线。
控制机制砂品质的第二个重要因素就是筛分环节, 而振动筛的筛孔形状、 尺寸以及筛面倾角又是该环节的关键性参数, 直接影响机制砂的品质和生产效率。根据工程实践经验, 振动筛宜选筛孔为正方形的方孔筛, 而筛面的倾角则需要根据选用的筛网尺寸及振动频率进行合理的选取, 以使筛网效率达到最大化。
除粉环节是成品砂品质好坏的一个决定性因素, 机制砂中的粉尘含量决定了机制砂在工程中的应用部位。如用于临时建设设施, 一般不考虑机制砂中的石粉含量; 而用于C25强度的混凝土则要求机制砂中的石粉含量不高于3％[1]。当前除粉一般采用两种方法: 干法除粉和湿法除粉。干法除粉工艺中, 控制粉尘含量的有效方法是将所有筛分机和输送机全部有效地密封起来, 并在密封的空间施以少量的负压力装置, 同时安装收尘设备, 以实现无尘运行。此方法的缺点是骨料受雨水淋湿后粉尘会黏附于颗粒表面, 除尘效率较低。湿法除粉有两种方式, 第一种是在制砂环节采用湿法棒磨机, 在棒磨的过程中调节溢出的水量从而控制机制砂中的石粉含量, 另一种是使用普通的破碎机干法生产机制砂, 在出料口的传送带上安装喷淋装置以控制成品中的石粉含量。该方法的缺点是工程用水量巨大, 在缺水干旱的地区很难实施。
2.机制砂的应用现状
一些岛屿国家, 如英国和日本等国, 以及中国的西部地区, 由于受地域条件的限制, 天然砂的来源十分稀少, 使用机制砂已有几十年的历史。中国在20世纪60年代中期, 就开始了对机制砂的研究, 进入90年代后, 京、 津、 沪、 渝等地已有了机制砂的生产线, 但机制砂的应用水平较为低下。直至 起实施的GB／T 14684- 《建筑用砂》中, 才首次增加了机制砂种类, 确定了机制砂的定义、 技术要求和检验方法。之后对《建筑用砂》进行修订, 于 实施的规范GB／T 14684- 对机制砂的定义、 石粉含量及坚固性等技术参数又做重新定义及详细的明文规定, 使得机制砂的应用更加规范化。
近年来随着国家对基础设施建设的大力扶持, 特别是内陆地区交通设施的建设, 机制砂在混凝土中的应用水平也得到了提高, 从低强度机制砂混凝土研究逐步向高强高性能混凝土转变。如舒传谦较早的开始研究山砂高强混凝土, 采用贵州山砂配制C50等高强混凝土, 并较系统的研究山砂高强混凝土的力学性能和耐久性能。江京平等经过对C60高性能泵送混凝土的研究, 发现其工作性好, 收缩变形小、 抗冻性和抗碳化性都非常优越。同时, 在实际工程中, 机制砂混凝土也得到了广泛的应用, 如在株六复线南山河特大桥及贵州镇胜高速25合同段内的桥梁工程等工程中均有机制砂混凝土的使用[2-4]。
3.机制砂混凝土的性能研究
3.1混凝土硬化前的性能
硬化前的机制砂混凝土主要研究其和易性、 可加工性、 可塑性和稠度等几种工作性能, 这些性能彼此关联, 多方面、 多角度的描述新拌机制砂混凝土的工作特性。坍落度是混凝土和易性的具体指标, 而和易性又是混凝土众多指标中最重要的一个指标, 它既代表着混凝土浇筑成型的难易程度, 也代表着混凝土材料离析性能的好坏。
相同水灰比条件下, 河砂混凝土的坍落度要大于机制砂的, 这是因为机制砂自身的孔隙率和比表面积都要大于河砂, 能够吸附的水更多, 致使混凝土中含水量不足, 坍落度减小。在坍落度相同条件下, 机制砂混凝土比天然砂混凝土需水量增加5～10 kg /m3。
砂的细度模数和级配是混凝土的和易性的两个重要指标, 同时, 混凝土的和易性也与用水量、 砂率、 水泥用量等参数有关。细度模数一般控制在3.0～3.4之间为最佳, 太大则粗颗粒太多, 级配不合理, 和易性变差, 可掺入粉煤灰弥补缺陷, 但也会成本提高, 经济不合理; 太小则细粉过多, 需水量大, 混凝土强度低, 水泥用量增加。石粉含量也是坍落度的一个重要指标, 含量小于5%时, 和易性差, 当含量在6%～9%之间时, 和易性好, 并对混凝土强度的影响也小。因此, 经过调整机制砂的石粉含量、 砂率, 设计合理的混凝土配合比, 是能够配制出和易性很好、 适合工程应用的机制砂混凝土的。
3.2机制砂混凝土的力学性能
对混凝土而言, 其力学指标主要包括抗折、 抗拉、 抗压、 抗弯、 粘结、 疲劳等强度指标, 还包括弹性模量和收缩徐变特性等指标。相对其它指标, 国内外学者主要研究了混凝土的抗压强度和弹性模量这两个指标, 也积累了较丰富的实验资料。一般机制砂的级配中, 0.3mm以下砂仅有10%左右, 所占比例小。规范规定泵送混凝土0.3mm以下砂比例需多于15%。而天然砂的粒径却集中在0.3mm以下, 能够与机制砂混合使用——人工混合砂, 配置施工性能良好的混凝土。
试验结果表明, 人工混合砂中天然细砂与机制砂的混合比例为4:6时, 混凝土的各项指标效果良好。机制砂一般由硬度较好的石灰岩破碎而成, 其抗压强度比天然砂要高。因此, 机制砂混凝土的各项力学指标并不低于天然砂混凝土的, 甚至更高。当然, 混凝土的弹性模量和强度等力学指标不但与砂的强度有关, 还与机制砂石粉含量、 混凝土中砂率等其它因素有关。实验表明, 机制砂混凝土中石粉含量对其强度影响很大, 混凝土强度与石粉含量成反比关系。机制砂的砂率在不同范围内, 则混凝土的性能表现不同。砂率小于40%时, 混凝土过于粘稠, 增大后, 混凝土的工作性能能够得到改进; 砂率在42%～46%之间时, 混凝土强度相对稳定; 砂率大于50%时, 混凝土强度不但下降, 而且其静力弹性模量也显著降低。
3.3机制砂混凝土的耐久性能
混凝土的耐久性是指混凝土结构在规定的使用年限内实际使用条件下抵抗各种破坏因素的作用, 长期保持保持其安全性、 正常使用和外观完整性的能力。简单地说, 混凝土材料的耐久性指标一般包括: 抗渗性、 抗冻性、 抗侵蚀性、 混凝土的碳化和碱骨料反应等指标。
混凝土的抗渗抗冻性能与其密实度成正比。抗渗性能主要与混凝土的孔隙率有关。研究发现, 机制砂虽然孔隙率比较大, 可是砂中的石粉能够作为一种有效的填料, 虽然活性不足, 但能够提高混凝土的密实性, 增强水泥与骨料的粘结; 也有学者提出石粉能够加速C3S的水化, 并与C3A、 C3S反应生成结晶水化物, 从而改进机制砂混凝土的孔隙结构, 提高其抗渗性能。当前, 还没有有效改进机制砂混凝土其它性能的措施, 对这方面还缺乏系统的试验与研究。试验表明: 人工混合砂的抗渗性能优越, 能够媲美天然砂混凝土; 人工混合砂混凝土在抗渗性、 抗冻性、 抗氯离子渗透性、 抗碳化性及抗硫酸盐侵蚀性等方面的性能都有优越表现, 甚至比中砂混凝土更优。
4.机制砂的工程应用
龙永高速( 龙山至永顺高速公路) 是湖南省为打通湘西地区北上出省通道特别研究增加的一条公路, 起于来凤公路终点龙山县石羔镇甘壁寨, 与湖北省恩施至来凤公路对接, 之后路线沿酉水以东布线, 经石羔山、 跨岩砦河, 在田家园子下穿黔张常铁路后, 在黄土坡设龙山互通及龙山连接线与龙山县城及茨岩塘相接, 之后路线沿G209以东布线, 经洗洛、 水沙坪, 在水沙坪设置茅坪互通与G209相接, 路线在跨越洗车河后, 设隧道穿青龙界, 再沿龙永二级公路布线经农车、 小农车; 设农车互通与龙永二级公路相接, 之后路线经伴湖、 首车, 再直行往南, 经勺哈, 在两岔河设置永顺互通及永顺连接线与永顺县城相接, 路线继续南延, 终于张家界至花垣高速公路海洛( K86+840) 处。
本工程为湖南省龙山至永顺高速公路项目, 位于永顺县灵溪镇东鲁村和大坝乡金星村境内, 起点桩号为K77+605, 终点桩号为K82+100, 全长4.495Km。本工程中主要控制性工程为利布坳隧道和2座大桥。主要工程量有: 本工程主要为路基土方40.555万m3; 石方47.949万m3; 防护、 排水圬工39463m3; 大桥570.96 m /2座、 涵洞318.01m/9道, 中隧道498.5m/1座; 通道243m/6道。
4.1概述
1、 使用部位: 隧道护拱、 路基防护。
2、 设计坍落度: 120～160mm。
3、 集中拌合站双卧轴强制式搅拌机拌制、 现场插入式振动器振捣
4.2材料
1、 水泥: 石门海螺水泥有限公司生产的”海螺”牌P·O 42.5水泥, 试验结果满足GB 175- 规范要求。
2、 粗集料: 永顺县大坝乡金星采石场生产的5～31.5mm连续级配的碎石, 掺配比例为5～10mm:10～20mm:20～31.5mm=10%:70%:20%
3、 细集料: 永顺县大坝乡金星料场机制砂, 细度模数为3.30; 所检技术性能符合规范要求。
4、 水: 饮用水。
5、 外加剂: 湖南新轩LS-E聚羧酸高性能减水剂。
4.3混凝土试件制取及养生方法
人工成型: 拌合物厚度大致相等的两层装入试模。捣固时按螺旋方向从边缘到中心均匀地进行。插捣底层混凝土时, 捣棒应到达模底; 插捣上层时, 插捣应贯穿上层后插入下层20mm～30mm处。插捣时应用力将捣棒压下, 保持捣棒垂直, 不得冲击, 捣完一层后, 用橡皮锤轻轻击打试模外端面10～15下, 以填平插捣过程中留下的孔洞。每层插捣次数100cm2截面积内不得少于12次。试件抹面与试模边缘高低差不得超过0.5mm。
养护: 成型后, 用湿布覆盖表面, 在室温20±5℃, 相对湿度大于50%的环境中静置一昼夜至二昼夜, 然后拆模、 编号。拆模后立即放入温度为20±2℃, 相对湿度为95%以上的标准养护室中养护。
4.4混凝土配合比的计算
4.4.1计算混凝土的配制强度:
ƒcu.0=ƒcu.k+1.645×σ(σ取5.0MPa表B2.0.2(JTG/T F50- ))
=25+8.225
=33.2 (MPa)
4.4.2水灰比的计算:
W/B=(αa׃b)/(ƒcu.0+αa×αb׃b)
=0.53×42.5×1.10/(33.2+0.53×0.20×42.5×1.10)
=0.65
混凝土所处环境为温暖地区, 查表3.0.4(JGJ 55- ), 钢筋混凝土允许最大水胶比为0.60, 按强度计算0.65的水胶比不满足耐久性要求, 经试拌采用采用水胶比0.45。
4.4.3计算单位用水量:
未掺加外加剂时用水量推定:
碎石公称最大粒径: 31.5mm 设计坍落度: 120-160mm
查表JGJ 55- 表5.2.1-2: 用水量为215 kg/m3。
掺外加剂时用水量计算: 外加剂减水率为25%,掺量为2.0%
mwo= m’wo(1-β)
=215(1-25%)
=161(kg/m3)
4.4.4计算单位胶凝材料用量:
mb0=mw0/(W/B)=161/0.45=358(kg/m3)。
4.4.5选定砂率βs=43%,
4.4.6设定每m3混凝土的容重为mcp=2400(kg/m3)
用下面的联立方程式计算砂石用量:
mcp=mb0+mg0+ms0+mw0
βs=ms0/(mg0+ms0)×100%
式中: mcp=2400(kg/m3)
mb0=358(kg/m3)
mw0=161(kg/m3)
βs =43%
经计算得:
mg0=1072㎏/m3
ms0=809㎏/m3;
4.4.7每m3混凝土材料基本确定:
水泥:砂:碎石:水:外加剂=358:809:1072:161:7.14 (kg/m3)
4.5配合比的试拌与调整:
按初步配合比, 取25L混凝土材料用量进行试拌, 各种材料用量为:
mc0=8.95kg ms0=20.225kg
mg0=26.8kg mw0=4.025kg ma0=179g
5-10mm碎石用量为: 26.8×10%=2.68 kg
10-20mm碎石用量为: 26.8×70%=18.76 kg
20-31.5mm碎石用量为: 26.8×20%=5.36 kg
试拌后, 拌和物的性能实测如下:
容重: 2410 ㎏/m3; 坍落度(mm): ① 145, ② 150, 平均145;
粘聚性: 良好 ; 保水性: 无 ; 含砂: 中 ; 棍度: 上。
4.6关联配合比的确定:
4.6.1为了便于比较, 增加二个关联配合比, 用水量不变, 水灰比分别增减0.03, 砂率增加减少1%, 根据以上计算步骤有:
序号
水泥
砂
碎石
水
水胶比
减水剂
砂率
1
335
838
1066
161
0.48
6.70
44%
2
383
780
1076
161
0.42
7.66
42%
表列1号工作性能描述:
容重: 2390㎏/m3; 坍落度(mm): ①150, ②140, 平均145;
粘聚性: 良好 ; 保水性: 无 ; 含砂: 中 ; 棍度: 上;
表列1号工作性能描述:
容重: 2400㎏/m3; 坍落度(mm): ①160, ②150, 平均155;
粘聚性: 良好 ; 保水性: 无 ; 含砂: 中 ; 棍度: 上 。
4.7强度汇总
配合比试配强度结果如附表所示:
不同水胶比各种材料用量列表
组别
水胶比
试拌材料(kg)
坍落度(mm)
强度检测(MPa)
水泥
砂
石
水
减水剂
7天
28天
1
0.42
9.575
19.5
26.9
4.025
0.192
155
31.6
37.3
2
0.45
8.925
20.225
26.8
4.025
0.179
145
30.8
35.6
3
0.48
8.375
20.95
26.65
4.025
0.168
145
27.6
33.9
4.8配合比的选定
综上所述, 根据28天抗压强度, 采用水灰比为, 其各种材料用量比值为: 水泥:砂:碎石:水:减水剂=358:809:1072:161:7.16(kg/m3)
5.结论
本文经过对机制砂的制作工艺, 机制砂混凝土的性能以及机制砂的工程应用等几个方面进行详细介绍与分析, 可知, 机制砂混凝土经过对配合比的调整, 其各项性能指标与天然砂混凝土是能够相媲美的, 同时, 其在工程建设中也得到了广泛应用。
机制砂混凝土能够采用工厂化、 机械化生产, 在砂生产工艺流程中建立质量控制体系以保障其质量; 砂的材质、 含泥量、 颗粒级配、 细度模数等均能够人为有意识的控制或调整; 其缺点也是不言而喻的, 机制砂颗粒棱角多, 表面粗糙, 级配不均匀, 机制砂混凝土和易性差, 容易引起结构外观的质量缺陷, 同时机制砂的质量随母材变化波动较大, 控制难度大。可是, 机制砂的这些缺点经过选择合适的设备、 合理的混凝土配合比、 以及添加外加剂等措施都能够来克服。

参考文献
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