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机制砂高标号混凝土拌合研究现状及应用前景

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  随着我国社会经济的飞速发展,各种基础设施的需求和建设规模日益扩大,对高标号混凝土拌合的需求量日益增加,而且在未来一段时期仍将持续增加。毋庸置疑,约占混凝土体积70%的砂石集料用量也将持续增长。但随着国家对工程建设质量的要求提高,对砂石质量要求的越来越高,能满足其要求的天然砂石集料越来越少;另一方面某些地区为保护环境而限制开采,以及受交通运输限制,可供开采的优质天然砂资源储量日益减少。在我国的一些地区,如西南地区的水电、交通等大型混凝土工程中,由于当地天然砂资源匮乏,为满足工程要求不得不从远处调运天然砂,大大提高了工程造价。而这些地区分布着大量碳酸盐岩,机制砂来源广泛,因此研究高性能机制砂混凝土无论从技术上和经济上都显得很有必要。

 

  1 机制砂简介及机制砂混凝土研究现状

 

  1.1 机制砂简介

 

  机制砂,属于人工砂的一种,是母岩经过去土处理、机械破碎、筛分等工序后制成的,粒径小于4.75mm的岩石颗粒(不包括软质岩、风化岩的颗粒),多数呈灰白色或黑色,一般含有10%—15%左右的石粉,级配中大于2.36mm和小于0.15mm的颗粒含量偏多,细度模数普遍在3.0——3.7内,表面粗糙,粒形多呈三角形或方矩体。

 

  与天然砂相比,机制砂石有五大优势:

 

  1)资源优势。

 

  在我国许多地区,碳酸盐岩大量存在。

 

  2)管理优势。

 

  实行了采矿许可,有稳定的法人主体、固定的经营场所,为加强管理创造了条件。

 

  3)质量优势。

 

  料源固定、稳定和生产方式的机械化,保证了产品质量的稳定、可调和可控。

  

  4)品质优势。

 

  开采的砂石有较高的表面能和亲水性,有完整的级配和小于75μm石粉的微级配,能做到颗粒级配稳定、可调整,粒形可以改善。

 

  5)环保优势。

 

  机制砂的使用可以减少河砂的开采,随着生产工艺的发展,许多建筑垃圾可以制成机制砂,符合科学发展观和适应节约、循环型经济。  

  1.2 机制砂混凝土的研究现状

 

  1.2.1 机制砂混凝土的研究概况

 

  关于机制砂的研究工作,国外开展得较早,美、英、日等工业发达国家使用人工砂已有几十年的历史,许多国家早已将人工砂纳入其国家标准。20世纪80年代日本的人工集料与人工集料的比例,大约为10:9,至20世纪90年代则增长为2:1。

 

  20世纪60年代,由于一些建设工程的环境条件所限,我国部分水电、建筑工程开始探索就地取材,用当地石材加工成机制砂拌制混凝土。经过科研学者和工程技术人员多年的试验研究,许多省份在建筑上开始大规模使用机制砂,并相继制定了机制砂地方标准或使用规程;机制砂混凝土的种类也日趋丰富,包括大坝碾压机制砂混凝土、常态机制砂混凝土、泵送机制砂混凝土等,机制砂混凝土的强度等级也由低等级逐步提高到C50以上。机制砂混凝土的应用范围也由水利工程向房建、路桥方向扩展。

 

  1.2.2 机制砂混凝土的性能研究

 

  由于机制砂在外部形状以及内部微观结构上与天然河砂的差异,导致机制砂混凝土拌合与天然砂混凝土拌合有较大差异。

 

  在工作性能方面,与天然砂相比,由于机制砂颗粒表面粗糙、多棱角,一般认为机制砂混凝土坍落度较小,且由于石粉的存在,一定程度上改善了机制砂混凝土的和易性,同时改善了混凝土的保水性、泌水性和粘聚性,使之易于被振捣成型;石粉的存在使机制砂混凝土的初、终凝时间比不含石粉的天然砂混凝土可延长50min一120min。

 

  在力学性能方面,强度是混凝土工程设计和质量控制的重要依据,是*受关注的一个核心指标。国内外专家通过大量试验研究表明,在同等条件下,用机制砂配制的混凝土比天然砂配制出的混凝土强度略高,其原因归纳起来主要有以下几方面:

 

  1)机制砂中的石粉填充了混凝土中的空隙,且0.08 mm以下的石粉与水泥熟料生成水花碳铝酸钙,提高了混凝土的强度。

 

  2)机制砂质地坚硬,表面粗糙,界面新鲜,具有较高的表面能,有助于提高界面的粘结,提高了混凝土的强度。

 

  3)机制砂中的石粉含有大量的游离CaO,以及较多和较高活性的无定型SiO2,Al2O3,其中CaO遇水发生水化膨胀自行硬化,SiO2和Al2O3易与水泥水化释放出的Ca(OH)2反应生成稳定的硅酸钙水化物凝胶及水化铝酸钙,既消耗了Ca(OH)2,又促进了水泥的水化反应,同时,由于CH与石粉中的活性SiO2反应,使CH的晶体粒细化,有利于混凝土界面粘结。

 

  国内许多科研学者和工程人员十分关注机制砂高性能混凝土的耐久性问题,开展了许多相关的试验和应用研究,大多研究表明在相同条件下,机制砂混凝土的耐久性要优于河砂混凝土,甚至在工作性和力学性能中扮演重要角色的石粉含量对机制砂混凝土的耐久性影响并不是特别明显。

 

  1.2.3 机制砂混凝土的抗变形性能研究

 

  混凝土的变形分为两类i一类是在荷载作用下的受力变形,混凝土在短期荷载作用下的弹性变形主要用弹性模量表示;另一类与受力无关,称为体积变形,如混凝土收缩以及温度变化引起的变形。国内对机制砂混凝土弹性模量的研究不是很多,有研究表明:保持相同水灰比和水泥用量的前提下,机制砂混凝土的弹性模量高于天然砂混凝土,分析原因可能是由于机制砂粗糙多棱角的颗粒较多,在砂浆中形成了骨架,限制了水泥石的变形和骨料颗粒的滑动。

 

  由于机制砂中小于0.08mm的极细颗粒的含量影响,随着机制砂中矿粉含量的增多,混凝土的干缩率增大。

 

  1.2.4 机制砂混凝土的耐候性研究

 

  混凝土工程通常暴露在外,经受严酷的自然环境考验,因此要求混凝土具有良好的耐候性。在北方寒冷地区,对混凝土抗冻性要求较高。用于不透水的工程时,要求混凝土具有良好的抗渗性和耐蚀性。而机制砂在一定程度上改善了混凝土的抗冻性能,张映全等采用50%的石屑替代天然砂配置C40混凝土冻融试验发现,使用50%石屑的混凝土试件经过200次后强度比天然砂混凝土少损失9.96%。混凝土的抗渗性与其孔结构有关,机制砂中石粉的存在加速了C3S的水化,并与C3AC4AF反应生成结晶水化物,改善水泥石的孔隙结构,提高了混凝土的抗渗性能。

 

  2 机制砂生产应用中的问题及前景

 

  2.1 机制砂生产应用中的问题

 

  1)大量研究结果表明,机制砂质量符合规范要求的情况下,配制出的各种标号混凝土性能较好,能满足应用要求。但目前国内机制砂的应用主要集中在中低标号混凝土中,机制砂级配、石粉含量等质量问题是制约机制砂在高标号混凝土中应用的主要原因。由于行业分散,生产方式传统,无主管部门等因素影响,我国机制砂生产应用过程中主要存在以下几方面问题:砂石行业未得到应有的重视,缺少长远、统一的规划,砂石矿产指标较少,多数地方临时应对生产砂石,而不是按工业产品认真对待和管理。建筑砂石是用量*多的矿产品,而我国重要矿产品名录中却没有它。在全国各地工商企业产品名录登记中,未对机制砂有专门的命名。

 

  2)机制砂生产单位质量意识淡薄。机制砂级配、含粉量等指标的可控性本是机制砂的优势,比如控制原材的投料速度可以调整级配、控制水洗程序可以调整含粉量,但由于采石行业缺少准入制度,加上历史形成的传统生产方式,多数企业生产者素质依然较低、企业降低生产成本等原因,机制砂的质量往往得不到保证,同一生产厂商生产的机制砂级配、含粉量不稳定。

 

  3)由于传统观念作祟,不接受新事物,对机制砂抱有怀疑态度,特别是在桥梁承重结构中,尽管相关试验研究的结果乐观,工程建设单位和施工单位依然不敢使用机制砂混凝土。

 

  2.2 机制砂在高标号混凝土中的应用前景

 

  我国金属矿和非金属矿储量丰富,采集和加工过程中伴随产生大约20%的尾矿,有相当——部分尾矿未得到合理利用,大量堆积,占用土地,污染环境,而不少尾矿如果经过适当分选与加工,可以制成机制砂。经过多年的探索和研究,机制砂在中低标号混凝土中的应用已经得到广泛的推广,进一步研究并推广机制砂在高标号混凝土中的应用,减少天然砂的开采,既保护环境,又能提高资源利用率,形成综合效益,符合科学发展观和可持续发展的国策。为实现机制砂在高标号混凝土中的广泛应用,可以做到以下几点:加强机制砂企业的监管,提高机制砂生产从业人员的质量意识;加强机制砂生产工艺及生产设备研究,实现机制砂生产智能化,提高机制砂生产质量稳定性;对机制砂影响混凝土工作性能的机理进行研究,从而寻求根本解决机制砂混凝土缺陷的对策;对已有机制砂混凝土工程进行跟踪监测。

 

  相关研究表明,机制砂可以用于配置高标号的混凝土,而且性能良好,但是目前机制砂在高标号混凝土中的应用相对比较少,主要原因是许多地区机制砂质量不合格或者不稳定、传统观念的束缚。为了推广机制砂在高标号混凝土中的应用,需加强对机制砂生产企业的管理、加强机制砂生产工艺和生产设备的研究、对已有机制砂混凝土工程进行跟踪监测。随着环境友好型、资源节约型社会的建设,机制砂在高标号混凝土中应用将得到更好的推广。