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机制砂有哪些基本特征 重新认识“级配” “细度模数” “石粉”

来源:http://www.shanghaizhishaji.com 2015-06-24

与天然砂相比,机制砂具有显著的自身特点。它的颗粒形状多呈三角形或方矩体,表面粗糙,棱角尖锐,一般圆满度比天然砂小。目前,机制砂多为可以调整级配并含有一定量石粉的中粗砂,细度模数大多在2.8-3.5左右,由于全国各地生产机制砂的母岩岩性、生产工艺和设备不同,生产出的机制砂质量相差很大。机制砂的质量主要受粒形、细度模数、级配、石粉含量等影响。在现行标准中主要对后面三个因素进行规定,从而确保机制砂的质量稳定。

1、机制砂的粒形

英国标准BS882:1992《用于混凝土的石料》中对石料形状分为六个类别:圆型、不规则型、角锥型、扁平型、长条型及扁长型。机制砂的粒形主要为角锥型和不规则型,并随着母岩种类、机制砂设备不同而变化。颗粒的形状对紧密堆积存在重要影响,实际应用中更加期望获得圆型的颗粒,它不仅有利于紧密堆积,更有利于混凝土工作性。一般来说,制砂设备导致的颗粒形状中:棒磨式、锤式和冲击式等优于反击式、圆锥式和旋盘式,腭式、辊式和旋回式最差,但前者制造成本较高。北京某石场采用反击式和立轴冲击式生产的机制砂,颗粒形状方正率高,细度模数可控制为2.4~3.0,石粉含量为2~18%,采用干法生产并解决了除尘问题。不过现在使用立轴破碎机生产机制砂的越来越多。

机制砂的粒形对混凝土的影响主要体现在下面几个方面:(1)粒形的规则与否影响到集料自身的紧密堆积程度和空隙率大小,从而影响填充集料空隙的水泥浆体的体积。(2)不规则的粒形具有更大的比表面积,它需要的包裹浆体体积同样增加。(3)机制砂形状影响新拌混凝土工作性能及它与水泥浆体界面的机械啮合力等。

2、机制砂的细度模数

对于定制生产的机制砂,其细度模数是可以控制的。在生产工艺中,通过调节不同筛分的比例达到预定的细度模数。对于加工碎石时筛除的小于4.75mm的石屑,由于其颗粒级配并没有严格按照相关标准来配制,所以细度模数相差很大,使用时要认真选择控制。对于细度模数不合适的机制砂,可以与天然中砂或者细砂等通过实验确定比例后混合使用。

前面所提及的水利、水电工程中,机制砂的细度模数大多控制在3.0以下。如龙滩水电站中机制砂的细度模数为2.9;乌江构皮滩电站机制砂的细度模数为2.8;天堂抽水蓄能电站机制砂的细度模数为2.5。在商品混凝土中使用的机制砂一般为中粗砂。北京市建筑市场目前存在两种机制砂:一是完全替代天然砂的机制砂,这种机制砂细度模数较小,一般在3.0以下。如北京世纪财富中心使用的机制砂的细度模数为3.0;恒坤混凝土公司生产各种商品混凝土采用的机制砂细度模数2.4-3.0。二是与天然砂混合使用的机制砂,它的细度模数偏高,一般在3.0以上,个别达到4.4以上。过大的细度模数表明集料中的粗颗粒比例偏大,而0.315mm以下的比例较小。这种机制砂自身很难达到最紧密堆积状态,从而增加了混凝土中胶凝材料总量,并影响到混凝土的各种性能。对于过粗的机制砂,一般是采用天然粉砂来补充小于0.315mm部分,从而控制混合砂的细度模数在中砂范围之内。如果想实现机制砂完全替代天然砂的目的,就必须通过选择机制砂设备和控制生产工艺来生产细度模数小于3.0、级配优良的优质机制砂。

3、机制砂的级配

对于颗粒材料及粉体材料,不论是从fuller曲线还是Andreassen模型角度考虑,都存在着最佳的分布曲线。对于相同粒形的集料来说,总存在着优良的级配。优良的级配意味着集料自身能够通过大小颗粒的最佳比例来接近最紧密堆积状态,此时空隙率较小。机制砂的级配范围从几个um到4.75mm,其中石粉的平均粒径一般为30-40um并起到微填充作用。当机制砂颗粒从4.75mm、2.36 mm、1.18 mm…0.08 mm彼此相互填充时,最后的微空隙需要一定量的石粉来填充。D.R. Dinger对粉体材料利用Andreassen模型进行计算机模拟,结果表明粉体材料可达到100%的最紧密堆积状态。因此,从级配及堆积角度来考虑,适量的石粉含量是有益的。由于当前国家标准中限制的石粉含量太低,很多机制砂生产企业采用水洗或者风选方式来除去超标的石粉,与此同时破坏了机制砂的级配。当石粉含量小于3%,细度模数较大,此时机制砂的级配一般都比较差,表现为空隙率比较大。调研过程中发现:有的机制砂石粉含量2.5%、细度模数4.3,其松散堆积空隙率为52.6%;石粉含量14.8%、细度模数2.7的机制砂的松散堆积空隙率为34.3%。

前者很难在混凝土完全替代天然砂,而后者完全替代天然砂生产的C30等级商品混凝土具有比一般天然砂混凝土更好工作性能和力学性能。

机制砂的级配直接影响到混凝土中胶凝材料用量。级配优良的集料自身紧密堆积后,仅仅需要少量的胶凝材料填充集料的空隙并粘结颗粒。当集料级配较差时,此时具有较大的空隙率,则需要更多的胶凝材料来填充空隙而增加成本。当然,随着紧密堆积程度加大,骨料颗粒之间摩擦力也随着增长,对混凝土工作性产生影响。因此存在着最佳的颗粒级配,同时满足胶凝材料用量与工作性能的协调。当机制砂中的石粉含量少而且级配较差,此时混凝土拌合物更加容易产生离析、泌水现象,这种现象在低强度贫浆混凝土中表现更为明显。当石粉的级配较好时,随着混凝土中石粉掺量的增加,混凝土粘度逐渐变大。对于产生泌水现象的混凝土,可以通过加入石粉的方法来改善混凝土工作性能。

4、机制砂的石粉含量

根据GB/T14684的规定,石粉是指机制砂中粒径小于75um的颗粒含量。含泥量是指天然砂中粒径小于75um的颗粒含量。在机制砂生产过程中不可避免的会带入泥。国家标准GB/T 14684-2011规定通过亚甲蓝实验来判断粉体材料是石粉还是泥以及它们的相对比例。国标规定亚甲蓝实验的MB值应小于1.4,很多机制砂生产厂家控制MB值在0.5以下,以减小机制砂含泥带给混凝土的负面影响。

研究表明,石灰岩质机制砂中的石粉70%颗粒分布集中在16um以上,平均粒径为36.9um。天然砂中的泥粉70%颗粒分布集中在16um以下,平均粒径为8.4um。石粉的粒度分布不仅填充混凝土骨料之间的空隙,还在一定程度上提高了混凝土保水性和粘聚性,改善了混凝土工作性。也有学者认为石粉过75um筛后,其比表面积与水泥接近,远小于粘土的比表面积。

2)石粉的最佳含量

不同国家的标准对石粉含量有不同的要求。石粉的最佳含量受到多种因素的制约,这些因素包括母岩种类、粒形、粒度分布、比表面积、机制砂的级配和细度模数以及混凝土强度等级、种类、矿物掺合料以及使用环境等。

合理的石粉掺量对于混凝土的各种性能是有益的。事实上,由于不同石粉自身的差异性太大,不同的研究人员在不同的实验中得到的最佳石粉含量也不相同。周中贵等对黄丹电站工程中所用的高石粉机制砂进行研究,确定了最佳石粉含量为15%~18%。黄绪通的研究认为,不同岩性的石粉最佳含量虽有差异,但宜控制在17%±2%。陈兆文等通过对石粉含量为12%、16%、21%的混凝土性能进行了对比试验,得出了石粉含量为16%的混凝土综合性能最优的结论。东南大学的洪锦祥则试验表明强调,石粉在24%含量以内,含量越高,混凝土强度越高,耐久性能越好。

洪锦祥还认为,对机制砂中石粉的最佳含量及上下限影响最大的可能是机制砂的级配、细度模数、0.16mm以上和0.16mm以下颗粒组成,特别是0.16mm以下颗粒的组成对石粉含量可能有较大影响;其次是机制砂的形态,比如形态为圆形或方形与棱角形的相比,其最佳石粉含量就可能不一样。石粉的最佳掺量还与混凝土等级有关。在低强度等级贫浆混凝土中石粉作用更加明显。此时石粉主要作为一种有益的惰性材料,起到类似于矿物掺合料的填充作用,石粉的化学作用相对要比矿物掺合料小的多。在高强混凝土中胶凝材料总量本身已经很多,加入过量石粉会增加相应的粘度,从而影响到混凝土的各种性能。