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广西河百高速机制砂混凝土的试验研究

时间:2017-03-29 15:14 来源:未知 作者:郑国健 点击:
摘要:本文从高速公路建设项目施工方工地试验室的视角对机制砂混凝土用原材料、配合比设计以及现场施工质量控制要点进行阐述。
关键词:高品质机制砂、配合比、生产控制。

广西河百高速机制砂混凝土的试验研究
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一、机制砂的简介
 
1.1、定义
机制砂是由碎石、卵石通过机械破碎,经筛分后获得公称粒径小于5mm的颗粒。
 
1.2、分类
从成砂工艺上可以分为湿法(水洗法)生产以及干法生产两种。从成砂品质上可以分为高品质机制砂和普通机制砂。
 
1.3、生产状况
河池百色地区天然可提供制取机制砂的石灰石矿产资源相当丰富,但是当地碎石和机制砂生产加工地规模化的程度偏低,行业内缺少对于机制砂生产工艺的标准化要求,政府也没有设立对于机制砂生产从业单位和人员的监管机制,所以生产工艺水平相对比较落后,生产人员的专业水平不高,机制砂产品质量总体上不高且稳定性较差。
 
二、高品质机制砂

 
根据目前的现行规范以及结合本项目建设方的具体要求,通过实际的混凝土生产经验从以下检测指标考虑高品质制砂的定义。
2.1、碱活性
机制砂所用的母岩碱活性须合格。
 
2.2、强度
母材强度应当不小于70MPa,且应不小于混凝土设计强度等级的1.5倍,各粒级的压碎指标应满足JTG/T F50-2011《公路桥涵施工技术规范》的技术要求。

2.3、粒形
集料在粒形方面对混凝土性能的影响是不能忽视的,集料的扁平、条棒状的颗粒数量越少,单体颗粒的平面数量越多、比较的尖锐棱角越少,对混凝土的工作性能越有利。机制砂粒形的优劣,取决于制砂设备的选择,所以对于机制砂的粒形方面的要求,实际上也就是对制砂设备的要求,一般来说反击破法制取的机制砂因为经过了“石打石、石打铁”的制砂过程,粒形方面都是比较好的。蒋正武教授①的文献中指出可以用球形度评价机制砂的粒形优劣,并给出高品质机制砂、普通机制砂、河砂的球形度对比结果。

2.4、级配和细度
根据本项目建设方的要求,综合国家和行业标准,本项目的机制砂在颗粒级配方面选取了JTG/T F50-2011《公路桥涵施工技术规范》中对于Ⅱ区细集料的级配参数指标,其中除0.6mm和4.75mm筛孔外其余各筛累计筛余允许超出级配分界线,但不得大于5%,0.15mm累计筛余可放宽至100%~80%,细度模数以不超过3.0为宜。

2.5、空隙率
机制砂的空隙率合格不但是混凝土密实程度重要保证,也是影响混凝土外观质量的重要指标,实践表明(通过对比细集料空隙率分别为39.5%和46.9%的机制砂混凝土)在同样的胶凝材料的使用量、同样的水胶比条件下空隙率较低的机制砂拌制的混凝土所达到最佳的和易性(从坍落度、扩展度、保水性、包裹性等方面综合评价)比空隙率较高的机制砂配制的混凝土所能达到的最佳和易性要好,同时在相同配比和相同施工条件的前提下,低空隙率的机制砂混凝土外观质量(从气泡的大小、密集程度,混凝土表面的光洁程度以及色泽的均一性等方面比较)要好于高空隙率的机制砂混凝土,这种因集料空隙率的差别而导致混凝土外观的差异在施工中除更换原材料外,是很难通过配合比调整来弥补的。
所以对于高品质机制砂来说,应当具备较低的空隙率,目前对于该项指标限值最小的规范是国家标准GB/T 14684-2011《建设用砂》不大于44%。

2.6、含泥量
该项指标影响到混凝土的工作性和耐久性,从本区域现有的机制砂来看,湿法生产的机制砂该项指标比较容易满足要求,干法制砂相对难度较大,不过只要能够控制好破碎机喂料口片石的含泥量,无论是干法生产工艺还是湿法生产工艺均可制取该项指标满足要求的机制砂,现行标准针对该项指标采用亚甲蓝法判别,以MB值表示,本项目要求高品质机制砂的MB值小于1.4。

2.7、石粉含量
机制砂的石粉含量即小于0.075mm颗粒的含量,实践表明机制砂的石粉含量的控制应当采取辩证的观点,即高石粉含量的机制砂适合配制较低强度等级的混凝土,低石粉含量的机制砂适合配制较高强度等级的混凝土。

2.7.1石粉在机制砂混凝土中的作用
机制砂中的石粉有着集料和胶凝材料的双重属性,首先在混凝土中石粉是可以被视为胶凝材料使用的,在JGJ/T 318-2014《石灰石粉在混凝土中应用技术规程》中明确地指出这一观点,比如在该标准中就指出使用硅酸盐水泥时石灰石粉的掺用量可达总胶凝材料的35%。在机制砂混凝土中的石粉主要起到以下几点作用:
1、从石粉的集料属性上看,它的存在可以降低机制砂的空隙率,从而提高混凝土的密实度和外观质量。
2、从石粉的胶凝材料属性上看,它的存在有利于混凝土成本的节约。
3、在水泥用量一定的前提下对于低强度等级混凝土增加石粉含量使得混凝土的和易性得到改善,降低了混凝土泌水、泌浆、离析的风险。廖卫红②指出对于低强度等级(胶凝材料较少)混凝土石粉能够提高混凝土的抗渗性能。
当然机制砂的石粉含量并不是越多越好,它的存在也会给混凝土带来一些负面效应,主要体现在:
1、在同配比的前提条件下,采用石粉含量过高的机制砂,将会影响混凝土的和易性,不利于混凝土的施工;如果想要配制出和易性满足施工要求的混凝土,势必增加混凝土的单位用水量,这对于混凝土的耐久性和强度是不利的。
2、石粉含量增加使得混凝土坍落度损失加快,对于外加剂保坍料的需用量有所提高,这是由于在混凝土中石灰石粉参与了水泥水化反应,使得第一个水化峰值的到来时间有所缩短。所以随着石粉含量的提高,对于混凝土外加剂的品质要求也有所提高。
3、对于高强度等级混凝土,石粉含量增加将会使得混凝土的抗渗性能降低。

2.7.2高品质机制砂石粉含量的控制
通过实践发现对于C30及以下混凝土,当石粉含量较低时,如果希望通过增减砂率调整混凝土的工作性能是很难的,常常出现当混凝土粗集料包裹性较差时,增加砂率后混凝土粘聚性变差的现象,严重的时候就如同“豆腐渣”一般,无法满足施工的需要,这种情况就是因为由于石粉含量少,机制砂偏粗,混凝土中的胶浆不足以包裹细集料而造成的。在实际的混凝土配制中只有从增加砂率的同时一并增加胶凝材料用量的方法进行调整配合比材能够解决这一问题,但势必会增加成本。所以本项目工地试验室在认真研究相关规范的基础上,经过实践总结发现当石粉含量小于7%时容易出现增加砂率导致混凝土粘聚性降低的情况,当石粉含量高于10%时,增加砂率导致混凝土用水量明显提高的情形,这都是对于混凝土的质量控制不利的。所以得出本项目的高品质机制砂的石粉含量应当控制在7%~10%之间。通常控制在8%左右为宜。
 
三、机制砂的生产控制
 
3.1、湿法制砂
3.1.1工艺简述
湿法制砂一般是采用小粒径碎石以及较为洁净的石屑从喂料口中投料,经磨细水洗后用皮带运输机进行堆高出料,本项目在前期生产机制砂的工艺流程如下:

 
  
( 图一 )
 
3.1.2湿法制砂的优劣
湿法制砂的优点主要集中在以下几个方面:
1、对空气粉尘污染小,降低了现场生产人员的身体伤害。
2、由于水的降温作用,减少了在生产过程中间机械的磨损。
3、相对而言湿法制砂工艺成品的含泥量低,制砂用原材料的含泥量要求较为宽松。
4、不存在受到阴雨天气影响不能生产的问题。
当然湿法制砂也有许多不足点,主要体现在以下几条:
1、湿法制砂有着“做粗易,做细难”的特点,其工艺的不足主要集中在细料易流失,石粉含量较少,粗颗粒偏多。
2、由于水的吸附粘结作用,在皮带运输机下料处容易出现机制砂的粗细颗粒因下料点不同而导致得离析;
3、生产效率较低,材料损失大;
4、水的需求量大,因为水源的供应问题导致厂址的选择条件苛刻;
5、制砂废料多,且废料的处理比较麻烦。
6、容易造成水体污染。
7、成砂品质影响因素多而导致材料的稳定性较差。

3.1.3、本项目基于试验检测手段对湿法制砂的改进
本项目在前期机制砂品质方面有许多问题,主要有:
1、机制砂离析,皮带运输机下料堆前后机制砂细度、级配、石粉含量偏差过大,导致混凝土施工困难,料堆前后细度模数最大偏差可达0.5以上,料堆局部机制砂的细度模数可达3.6。
2、机制砂石粉含量过低,混凝土和易性较差。
3、生产过程中材料的损耗较大。
4、总体上机制砂偏粗,细度模数达3.2左右。
有鉴于此,本项目工地试验室开始对石场的制砂机械、生产工艺、现场管理等方面开展调研工作,经过一段时间内对多个机制砂样本的颗粒级配分析以及结合实际现场调研情况,提出以下的调整意见:
1、更换筛网,降低最大筛孔尺寸,调整振动筛网的有效筛砂面积。
2、提出在下料口增设刮料器的思路,以防止机制砂因粗细颗粒对水的黏附力不同而产生的离析现象。
3、限制堆砂高度不宜大于5m,并及时倒运下料口的成品砂。
4、减小水洗砂的供水流量,降低洗砂机的排水流速,以达到节约用水和增加机制砂细料组分的目的。
5、提出对于因水洗而损失的细料组分回收的思路。
6、提出使用最大粒径更小的原材料制砂的意见。
经过不断的试验,最终获得了不离析,成品比较稳定,石粉含量在7%~8%之间,空隙率在40%左右,细度模数在2.8~3.0范围内的Ⅱ区中砂。
改进后的工艺流程如下:
( 图二 )
3.2、干法机制砂
干法制砂在本项目并未得到应用,这里仅对其工艺特点和优劣性简述。
干法机制砂是通过对洁净的小粒径碎石直接破碎并经过筛分,必要时辅以除尘设备,对过量的石粉进行分离的制砂方法。
干法制砂对于湿法制砂的优点主要在于以下几个方面:
1、对于成品砂含水率波动小,石粉含量更容易控制,有利于混凝土生产的质量管理。
2、对水源的要求不高,有利于降低厂址的选择难度。
3、由除尘设备收集满足要求的石粉可以作为水泥以及混凝土的生产原料,有利于成本的节约。
4、除尘设备的风力能够调节时,石粉含量比较容易控制。
其缺点主要集中于以下几个方面。
1、对制砂原材料的含泥量要求相当高,宜从源头(片石)上保证洁净程度,管理难度大。
2、当石粉含量较高(达10%左右)时,给人的感觉与石屑无异,难以接受。
3、空气粉尘污染较为严重。
4、因为材料本身含水率很小,颗粒之间黏度不大,导致在堆高的过程中容易离析。
5、刮风天生产时,材料容易发生离析,需加防风装置。
6、雨天生产或原材料过湿时容易阻塞筛孔,产量易受天气和季节影响。
7、干法制砂设备的投入较高。
 
四、机制砂混凝土的配合比设计注意事项
 
4.1机制砂混凝土配合比与河砂混凝土配合比的差异
机制砂混凝土与河砂混凝土因细集料不同其配合比设计思路方面是存在差异的,需要从以下几个方面考虑:
1、水胶比
对于机制砂混凝土来说,在材料波动程度限定在一定范围之内时,较低的水胶比对机制砂混凝土的耐久性、混凝土配合比本身抗原材料的波动能力是比较有利的。
2、砂率
一般情况下,机制砂混凝土砂率要比河砂混凝土的砂率高3%左右,具体情况应根据试验确定。
3、容重
根据机制砂母材的岩性,机制砂普通混凝土应当选取的容重是不同的,例如母材为水成性石灰岩的机制砂混凝土容重一般在2400kg/m³左右。对于辉绿岩、玄武岩等表观密度大的母材轧制的机制砂,其容重往往大于2500kg/m³。而总的来说在混凝土配合比其他材料相同时,机制砂混凝土的容重一般要比河砂大。
4、浆集比
为了保证机制砂混凝土的质量抗原材料波动的能力,应当在配合比设计时考虑该参数,其主要作用是在配合比设计时通过核准在满足混凝土工作性能最基本的浆集比后,适当增大浆集比(当石粉含量超过10%时,可以将超出部分折算成胶凝材料),使胶浆数量略有富余,其富余量应当根据材料波动情况和施工水平情况确定。
5、复合型减水剂各组分的比率
目前混凝土对减水剂的功能不仅是减水的需求,更是需要减水剂向混凝土提供保坍、保水、缓凝、引气、消泡等功能以满足混凝土的施工需用。本区域的复合型减水剂的组分大致也是按照减水剂的功能需求分类的。由于机制砂本身的特性,机制砂混凝土与河砂混凝土相比,复合型减水剂各种组分的配制比例是存在差异的的。以保坍组分为例,由于机制砂中的石粉会参与水泥的水化反应,以至于在其他配合比材料相同时机制砂混凝土用复合型减水剂的保坍组分比例要比河砂混凝土的多。

4.2配合比设计
机制砂混凝土在配合比设计方法方面与河砂混凝土无异,关键是在细节方面的考虑,具体可参见JGJ 55-2011《普通混凝土配合比设计规程》。
 
五、机制砂混凝土生产控制

 
混凝土的生产控制体现了试验检测工作的系统性和关联性,混凝土用原材料品类繁多,合格的材料的检测结果也常常差异很大,总的来说应当根据不同的试验检测参数结果在实际的混凝土生产过程中使用不同的思路和方法开展质量控制活动,以生产出满足设计和施工要求的混凝土。
总体上看机制砂混凝土常见的无非就是强度、工作性以及外观的问题。

 
5.1强度问题(强度低或超高)
机制砂混凝土强度偏低或者偏高产生原因往往是多方面的,以下是对本项目机制砂混凝土强度出现波动时的总结:
 
(表一)

 
5.2工作性问题
混凝土工作性能体现当强度在满足设计要求的前提下是否能够满足施工要求,主要考察混凝土的和易性。混凝土的和易性通常根据混凝土的流动性、保水性、粘聚性、坍落度损失、凝结时间以及泵送性等具体评价,详见表二。

 
(表二)

(续上表)

5.3混凝土外观问题
混凝土结构不仅需要具备满足设计要求的强度,同时也需要提供给人们美的享受,即对混凝土内实外美的要求。
机制砂混凝土结构物的外观问题主要有色差、砂线水纹、蜂窝麻面、气泡多、裂缝几种情况。混凝土结构具备良好的外观,需要从材料源头、试验检测、现场施工以及养护几个方面同时开展控制措施才有可能获得较好的改善。
 
 (表三
 
六、小结
      混凝土的试验检测管理工作是混凝土现场施工的上游工作,同时也是基础性工作,它需要从混凝土用材料源头开始抓起,包括混凝土用原材料的原料和生产工艺;尤其是在机制砂混凝土中,通过试验检测工作对混凝土用原材料的源头控制更为重要。在施工中,试验检测工作已经穿插到各个工序环节,施工中产生的各种问题的原因往往是多方面叠加而成的,所以作为试验检测工作者更需要对施工现场加以了解,注意细节的把控,对问题开展抽丝剥茧的分析后才能综合考虑优化方向,为施工工作提供更好的试验检测服务。
      由于笔者水平有限,如有疏漏之处望请指正。
 
 (郑国建)
 
注释及参考文献:
1、蒋正武,同济大学教授,博士生导师。
2、廖卫红,贵州省建工集团总工程师。
3、《公路桥涵施工技术规范》JTG/T  F50-2011
4、《建设用砂》GB/T 14684-2011
5、《普通混凝土配合比设计规程》JGJ 55-2011
6、《人工砂混凝土应用技术规程》JGJ/T 241-2011
7、《机制砂高性能混凝土》蒋正武、梅世龙等编著,化学工艺出版社2014。