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人工砂混凝土应用存在的问题及质量控制措施

发布时间:2019-05-15 来 源 :武汉华轩高新

        砂是混凝土的主要组分之一,其品质对混凝土拌合物的工作性及硬化混凝土的物理力学性能和耐久性均具有重要影响。混凝土用砂分为天然砂和人工砂两类。人工砂是用岩石经除土开采、机械破碎、筛分制成的,公称粒径小于5.00mm的岩石颗粒。目前我国多数地区应用的是天然砂,天然砂资源短时期内是不可再生的,随着基本建设日益发展的需要,我国不少地区出现天然砂资源逐步减少,砂的数量和质量不能满足用砂的需要,影响了工程建设的进度和质量。

        由于砂资源短缺,价格上涨,一些地区超量开采,毁田挖砂、破坏河道情况比比皆是,过度采砂造成的环境破坏越来越严重,尤其是江砂、河砂的过量开采会危及江、河堤岸的稳定。近年来,国家和各地政府相继出台了禁采或限采天然砂的规定。

        因此,寻求新砂源、开发人工砂已势在必行。利用当地的岩石资源或工程弃置的废石生产人工砂,已成为天然砂必不可少的替代资源。


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人工砂的特点


        人工砂颗粒形状棱角多,表面粗糙不光滑,粉末含量较大。人工砂生产过程中要产生一定量的石粉,这是人工砂和天然砂最明显的区别之一。这里所称的石粉,不是一般碎石生产企业所称的“石粉”、“石末”(这是生产碎石的尾矿,一般为粒径小于5mm的混合物,实际是人工砂的级配范畴)。石粉的定义是:人工砂中粒径小于75μm,且其矿物组成和化学成分与被加工母岩相同的颗粒物质。

        石粉与泥粉有根本的区别,从细度角度讲,经测试表明,小于75μm的石粉颗粒分布主要集中在16μm以上,而泥粉的粒径一般小于5μm。泥粉可在集料表面形成包裹层,妨碍集料与水泥石的粘结,因此泥粉对混凝土是有害的,必须严格控制其含量。人工砂中的石粉,一方面使砂的比表面积增大,增加用水量,但另一方面,有适量石粉的存在,可完善混凝土特细骨料的级配,以及细小的球型颗粒产生的滚珠作用等,会改善混凝土的和易性,提高混凝土的密实性,进而起到提高混凝土综合性能的作用。


02

人工砂存在的问题


        一、石粉含量问题

        人工砂生产的石粉含量与母岩机械物理性能和砂的级配分布取向有直接关系,对于细度模数的要求和石粉含量的限制相互矛盾,控制石粉产生的比例,则细度模数过大;控制细度模数,又产生超量的石粉。从各地人工砂生产的大致情况来看,未经处理的人工砂石粉含量一般为10%~18%。这个范围远远超出了《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》JGJ52规定的人工砂的石粉含量。

        二、石粉除粉处理

        对于人工砂超量石粉的处理方式,一般采用水洗法和风选法两种除粉方法。分离出去的物质并非只有石粉,还含有0.15mm、0.3mm0.6mm级甚至更大的颗粒,严重地破坏了人工砂的自然级配,不利于达到集料的最大密度,水洗法除粉尤甚。

        从实践生产应用来看,生产人工砂过程中的水洗除粉处理,破坏细集料的原级配,同时消耗大量的水,一方面制砂成本增加,另一方面给环境造成不良影响。有些地区水源无从解决,要求对人工砂进行水洗也是不现实的。因此,人工砂厂对超量石粉最有效的处理方式应为风选除粉,这也是目前市场上应用最广泛的。考虑风选生产成本和各应用企业对石粉含量的控制,风选处理后的人工砂一般含有5%~10%左右的石粉。为了保证人工砂生产车间的正常生产和保护社会环境、减少环境污染,在人工砂风选除粉后一般增加“预加水”工艺,使人工砂处于潮湿状态。

        三、人工砂含水率

        不同生产单位、以及同一生产单位不同时期或不同操作员工生产的人工砂含水率有一定的差别,含水率的大小将会影响人工砂的堆积状态,其含水率对人工砂松散堆积密度和紧密堆积密度的影响见表1。

        从表1中可以看出:

        (1)随着人工砂中含水率的增加,其松散堆积密度和紧密堆积密度先降低,当含水率在3%5%之间时,其松散堆积密度和紧密堆积密度变化不大,当含水率超过7%后,其松散堆积密度和紧密堆积密度明显增加,且变化幅度较大;紧密堆积密度与松散堆积密度两者差值先增加后降低,且含水率在3%5%之间时,达最大值。

        (2)含水率对人工砂堆积状态影响较大,当无水存在时,由于不同粒径颗粒的容重不同,易造成人工砂的堆积状态发生变化,产生分层离析,造成不同部位处颗粒级配和细度模数相差较大,且堆积场地越大越明显;随着人工砂中含水率增加时,其堆积状态发生变化,当含水率在3%5%之间时,其人工砂的堆积状态最好,不同部分的颗粒级配和细度密度相差不大;当人工砂中含水率超过7%后,其堆积状态明显变差,特别是含水率大于9%时,堆积体的下表面水分过多和石粉含量明显增多,堆积体的上表面比较干燥及大颗粒偏多,堆积体的内部下面含水率明显增多,从而造成不同部位人工砂的颗粒级配、细度模数和石粉含量不同,最终导致人工砂在混凝土生产过程中难以控制。

        四、根据MB值合理控制人工砂石粉含量

        《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》JGJ52对人工砂石粉的限量,是根据人工砂的亚甲蓝试验MB值确定,亚甲蓝MB值检验或快速检验是用于检测小于75μm的物质主要是石粉还是泥土的试验方法。由于不同地区泥粉成分及其中的杂质含量差别较大,使用亚甲蓝MB值检验或快速检验进行检测时,其试验结果会相差很大,从而使不同地区利用此方法控制石粉的含量受到很大的影响,应当根据各地原材料情况具体分析。以山东济南市的某人工砂厂的人工砂为例,掺加当地泥粉,进行了亚甲蓝MB值的试验,其试验结果见表2和表3

        从表2和表3中可以看出:当泥粉含量(占人工砂总量)相同时,石粉对亚甲蓝MB值基本无影响;当石粉含量不同时,随着泥粉含量的增加,其亚甲蓝MB值逐渐增大,且掺量越高变化越明显。

        根据标准对亚甲蓝MB合格值的规定,结合表2和表3的试验结果,试验人工砂中的含泥量应控制在1%(占人工砂总量)之内。

        因此,人工砂生产时,应根据亚甲蓝MB值和石粉总含量,合理调整控制人工砂的石粉含量;使用人工砂时,应根据人工砂的MB值和石粉含量,对混凝土配合比各材料用量做出适当调整。


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人工砂在混凝土中的质量控制措施


        一、严格控制人工砂生产质量


        我国幅源辽阔,全国各地的人工砂因矿产原料、加工工艺、破碎加工设备等不同,其颗粒形状、粒级分布、石粉含量等都会有很大的差别。人工砂的质量必须严格满足行业标准的技术要求,使用者应要求人工砂生产企业重视质量,人工砂生产企业也完全能够改进技术措施并满足行业标准对砂的质量要求,这是人工砂比天然砂有质量保证的一个优势。但如果按老习惯不讲质量要求,这也是人工砂的一个劣势,因为全国天然砂的质量区别不大,使用者一般都有经验,而人工砂质量差别较大,使用缺乏经验。

        人工砂生产有一定的规模大小,有固定的生产场地、生产工艺和制砂设备,其产品的质量是完全能够控制和稳定的,所以提高人工砂生产者的素质,提高人工砂生产企业的要求是必要和可以实现的。例如行业标准明确提出了供货单位应提供砂产品合格证及质量检验报告,人工砂的生产者和使用者都应坚持执行标准中的这一规定,通过提供和索要产品合格证,促使人工砂企业建立质量保证体系,明确和落实生产者的产品质量保证体系,明确和落实生产者的产品质量责任,然后,再由使用者进行现场复试,使人工砂质量得到有效的保障和提高,混凝土质量也就进一步得到保证和落实。


        二、混凝土配合比调整


        与天然砂相比,人工砂的质量可以通过生产企业进行控制和调整,但是其质量还会出现一定的波动,如果在混凝土配合比设计中不考虑这些因素的变化,将会对混凝土拌合物的工作性能和硬化混凝土的性能产生一定的影响。因此,使用人工砂进行混凝土配合比设计时,需要对配合比设计思路进行优化,使各种原材料用量作一定的调整。

        从目前人工砂在混凝土中的实际生产应用来看,人工砂易出现以下几个方面的质量波动,影响其在混凝土中的应用,如细度模数偏高或偏低、颗粒级配较差、石粉含量不稳定、泥粉含量不确定、含水率波动较大等。为了保证混凝土的质量稳定,需对人工砂使用中存在的问题进行必要的检测,并对混凝土配合比进行适当的调整。

        (1)当人工砂细度模数偏高或偏低时,应通过调整砂率,即增大或减小砂率,并应适当调整胶凝材料的用量,以及在试验室做混凝土试配进行验证;

        (2)当人工砂颗粒级配较差时,特别是人工砂中的“中砂”较少,“粗砂”和“细砂”(粗、中、细砂根据颗粒粒径大小分)较多时,对混凝土拌合物的工作性能影响特别敏感,这是混凝土生产者很难解决的问题,通常情况下,大部分生产者是增加胶凝材料的用量,并适当调整粗集料的用量,或者通过与天然砂进行搭配使用,但调整后的混凝土拌合物状态一般;

        (3)石粉含量波动较大时,通常情况下,大部分混凝土生产者都把它当作细集料使用,很少调整胶凝材料的用量及外加剂的掺量,但由于石粉的颗粒粒径与水泥等胶凝材料接近,考虑石粉的特点,在混凝土配合比设计中,可把石粉作为胶凝材料重新计算配合比,且外加剂的掺量应作出一定的调整,同时,石粉用量应在人工砂中扣除。可是,在实际生产应用中,石粉含量波动较大,如何根据石粉含量的变化及时调整混凝土配合比是至关重要的问题,这需要各混凝土生产者需要大量的试验工作经验和一定的实际应用基础;

        (4)泥粉含量的多少是当前很多混凝土生产者最头疼的问题,他们根本不知道泥粉含量到底有多少,以及泥粉含量多少对混凝土质量的影响有多大,都是一个模糊的概念,他们共同认可的观点是:泥粉多将严重影响混凝土质量,所以,正确认识泥粉的存在是一个至关重大的问题,我们要分清泥粉和石粉对混凝土各种性能的影响大小,以及如何准确算出人工砂中泥粉和石粉各自的含量,根据作者本人的经验,不同地区的生产者,要针对当地的泥粉质量,人工砂中石粉含量,作大量试验工作,找出一定的规律,从而能使用亚甲蓝MB值和石粉含量测出泥粉和石粉的准确数值,以便更好地调整混凝土配合比;

        (5)含水率波动影响人工砂的颗粒级配分布、细度模数、石粉含量等,根据作者本人的经验,人工砂含水率应控制在3%5%之间。


04

结论


        (1)随着建设规模的扩大和对混凝土质量要求的日益提高,天然砂资源特别是优质天然砂资源日益短缺,同时环境保护工作的加强以及可持续发展战略的实施,使用人工砂代替天然砂已成为砂行业未来发展的趋势。

        (2)根据人工砂的性能特点及实际应用情况,人工砂生产应采取有效措施,严格控制人工砂的生产质量,满足混凝土技术要求。

        (3)人工砂的颗粒级配、细度模数、石粉含量、泥粉含量及含水率等性能指标的变化将会对混凝土的性能产生比较大的影响,因此,应根据人工砂性能特点合理对混凝土配合比进行调整。


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