机制砂特性及原材料品质对预拌混凝土性能的影响(邓兴才)

邓兴才中国商品混凝土行业企业专家委员会主任委员教授级高级工程师E-mail:[e-mail]:13906050469引言福建省建设厅2015年先后发布了两个与机制砂相关的地方标准，即：（1）.《混凝土用机制砂质量及检验规程》DBJ/T13-206-2014主编单位：福建省建科院（2）.《预拌机制砂混凝土生产及施工技术规程》DBJ/T13-116-2015主编单位：福建省质监总站在我省这两个地方标准中还把“用于表征机制砂颗粒平均长径比的系数”定义为：“粒型系数（γ）”。把“采用机制砂为主要细集料配制而成的预拌水泥混凝土”定义为：“预拌机制砂混凝土”何谓“机制砂”？根据现行的国家标准GB/T14684—2011《建设用砂》中给出的定义，我省在地方标准《预拌机制砂混凝土生产及施工技术规程》中表述为：“经除土处理，由机械破碎、整形、筛分制成的，粒径小于4.75mm的，母岩为花岗岩、石灰岩的岩石、矿山尾矿颗粒，但不包括软质、风化的颗粒，俗称人工砂”。在此之前，有人对机制砂的定义以及对机制砂的各项技术指标要求还不够了解或不够明确，所以有必要重申。应该说这两个地方标准的相继发布，将有力推进我省科学规范和指导机制砂在基本建设工程特别是在预拌混凝土中的广泛应用。由于天然砂是一种地方性资源，短期内不可再生，也不利于长距离运输。随着我国基础设施建设的发展，不少地区天然砂资源逐步短缺，甚至出现无砂可用的状况，我省的天然河砂资源经过多年的不断开采，也正在迅速减少，有的地区已频临枯竭，且开采成本越来越高，售价越来越贵，产品质量却在下降；加之省内外很多地方为了保持自然景观、保护江堤河坝、维持生态平衡，已规定严禁开采天然河砂。至于对海砂的开采、淡化和使用，目前在我省沿海地区，或因为淡化不充分，或由于开采或使用范围受限，总之，在天然砂的数量和质量远远满足不了国家基础设施建设及其它建设需求的情况下，唯一的出路，也是最好的选择，就是大力推广使用机制砂，只有这样才能缓解混凝土用砂这一突出矛盾。何况，与天然砂相比，机制砂还有如下的许多优点：如机制砂的材质更均一，颗粒形状和级配更可控，质量更稳定可靠，也更适合于各种大型工程和国家基础设施建设的需求，还能达到保护自然生态环境的目的。所以说，用机制砂替代天然砂，不仅是当前建设用砂市场的潮流，也是今后混凝土行业可持续发展的自然趋势和必由之路，相关各方都应该予以足够地重视。★下面我将重点讲述的内容是：机制砂的主要技术参数对机制砂混凝土的拌合物施工性能和硬化后混凝土的力学性能、耐久性能等，将会有不同程度的影响。（一）、机制砂的主要技术参数及我省目前机制砂生产控制水平在对机制砂的研究应用方面，我省要比云南、贵州、四川、香港等地晚很多年，所以无论是在机制砂的生产工艺设备、应用机理研究、技术标准制定等方面，都可以学习和借鉴兄弟省市的宝贵经验和教训。关于机制砂的主要技术参数有：颗粒形状、级配、细度模数以及石粉含量（亚甲蓝MB值）、含泥量、坚固性（坚固性指标和压碎指标），还有砂的表观密度、松散堆积密度、空隙率等。按国标GB14684—2011《建设用砂》规定：上述各项中，“若有两项及以上试验结果不符合标准规定时，则判该批产品为不合格。”以往，国内外对机制砂混凝土的相关研究，多集中于对现成机制砂材料的工程应用和性能的检测，很少主动的从制砂生产工艺、设备方面去研究如何改变和优化机制砂的性能参数。也就是说，只是被动的应用机制砂，而忽略了生产环节对机制砂性能参数的决定性作用。主要原因是生产和应用脱节，机制砂生产人员不懂应用，也不关心用户要求；商混企业不提要求，是有啥用啥，还以为机制砂就是这样。现在我省不仅有了专业的机制砂生产厂，还有不少商混企业也有了自己的碎石场和机制砂生产线；生产工艺有干法，也有湿法。对其机制砂的技术参数也能随心控制。高效制砂机，可进行细破碎、超细破碎和粗磨整形等工序。机制砂干法生产线厦门鸿铭漳州龙海天然砂石场安溪鼎华机制砂生产线目前有干法制砂和湿法制砂两种工艺。干法工艺流程是把块石（或碎石）经多级破碎、筛分、整形、除粉制成；湿法工艺流程是用碎石场尾矿经冲洗、筛分、磨细、整形、捞砂、粉砂回收等工序制成。无论干法或湿法，其关键技术在于选用合适的制砂机完成最后的磨细整形工序。同时，要通过各级筛孔大小来控制颗粒级配。总之，机制砂的主要性能参数都是可控的。现以厦门鸿铭建材生产的水洗机制砂为例，对其主要技术参数的检测数据与国家和地方标准规定值的对比情况如下：从福建省建筑工程检测中心厦门分公司自2011年11月28日到2013年10月29日连续两年对厦门鸿铭建材公司生产的水洗机制砂所进行的四次现场抽检结果和鸿铭建材试验室日常对自产的水洗机制砂主要性能参数按批量检验结果来看，应该相信，水洗机制砂完全可以满足我省地方标准要求，可以达到国标《建设用砂》的Ⅰ类标准，且产品质量比较稳定，可用于生产各种强度等级的混凝土。也说明了水洗机制砂生产工艺是可行的。对照相关标准国家标准：《建设用砂》GB/T14684-2011行业标准：《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》JGJ52-2006省地方标准：《预拌机制砂混凝土生产和施工技术规程》DBJ/T13-116-2015把机制砂按细度模数µf划分为粗、中、细三种规格，其分别为：粗砂:µf=3.7—3.1中砂:µf=3.0—2.3细砂:µf=2.2—1.6筛孔尺寸4.75(mm)2.36(mm)1.18(mm)600(μm)300(μm)150(μm)细度模数机制砂颗粒级配区累计筛余（%）Ⅰ区10～035～565～3585～7195～8097～85Ⅱ区10～025～050～1070～4192～7094～80Ⅲ区10～015～025～040～1685～5594～75鸿铭机制砂实测累计筛余（%）2011/11/28019416079902.92012/01/13019416179902.92013/06/01016405978902.82013/10/29013335975912.7备注经省院抽检结果，四次实测级配全部属于Ⅱ区，细度模数小于3.0表1颗粒级配及细度模数（GB/T14684-2011、DBJ/T13-116-2015）省检测中心对鸿铭机制砂的四次检测102550709294001041708001020304050607080901004.75(mm)2.36(mm)1.18(mm)600(μm)300(μm)150(μm)累计筛余百分率（%）Ⅱ区上限Ⅱ区2下限A2011/11/28B2012/1/13C2013/6/1D2013/10/29福建省工程建设地方标准：《预拌机制砂混凝土生产和施工技术规程》DBJ/T13-116-2015中，对机制砂的石粉含量做了如下规定：表4.2.3机制砂中石粉含量、泥块含量表2：石粉含量和泥块含量指标GB14684-2011对鸿铭机制砂的实测数据类别ⅠⅡⅢ2011/11/282012/01/132013/06/012013/10/29MB值≤0.5≤1.0≤1.40.50.50.50.5石粉含量（%）（按质量计）≤104.24.34.83.8泥块含量（%）（按质量计）0≤1.0≤2.00.00.00.00.0备注省质量检测中心对鸿铭建材水洗机制砂检测结果数据显示符合Ⅰ类建设用砂标准福建省工程建设地方标准：《预拌机制砂混凝土生产和施工技术规程》DBJ/T13-116-2015中，对机制砂的压碎值指标及用于生产机制砂母岩的强度做了如下规定：表4.2.4机制砂压碎值指标及生产机制砂母岩的强度限值表3：坚固性指标和压碎指标指标GB14684-2011省建科院对鸿铭建材机制砂实测数据类别ⅠⅡⅢ2011/11/282012/01/132013/06/012013/10/29质量损失/%≤8≤104压碎指标/%≤20≤25≤3015.714.014.216.4备注压碎指标值均小于20%，符合Ⅰ类砂标准。表4：表观密度、堆积密度、空隙率指标GB14684-2011省建科院对鸿铭机制砂实测数据类别ⅠⅡⅢ2011/11/282012/01/132013/06/012013/11/02表观密度（kg/m3）不小于25002680268026502640松散堆积密度（kg/m3）不小于1400148014801470紧密密度（kg/m3）166016601650空隙率（%）不大于44%38.0638.0637.5备注对鸿铭建材水洗机制砂检测结果符合国标要求应该说：机制砂以往存在的问题，都是可控的。可以通过选择合适的制砂设备和生产工艺、有效控制机制砂的颗粒形状、大小和级配，对水洗机制砂的细粉砂进行回收，严格控制砂的细度模数、石粉含量以及选用合适的外加剂及活性矿物掺合料等措施来调整。按机制砂的特性进行混凝土配比设计，通过合理利用机制砂中的石粉含量，调整机制砂的砂率，完全可以配制出和易性良好、适合泵送的预拌机制砂混凝土。（二）、机制砂的主要技术参数对混凝土性能的影响机制砂的特性，特别是机制砂的颗粒形状、大小和级配，石粉含量及其吸附性能指标（MB值），密度和空隙率以及在混凝土中的掺量等，不仅影响到混凝土拌合物的施工性能，还影响到硬化后混凝土的力学性能和耐久性能。具体影响介绍如下：1、机制砂岩性对混凝土性能的影响福建省地方标准《预拌机制砂混凝土生产及施工技术规程》DBJ/T13-116-2015的编制过程中，试验研究机制砂特性对混凝土性能的影响主要是针对以花岗岩为母岩的机制砂特性对混凝土性能的影响。而对以其它岩性如石灰岩为母岩的机制砂特性对混凝土性能的影响，未做详细地分析对比研究。所以，我们在此借用武汉理工大学材料学院的研究成果，给大家简要做一介绍，作为补充不足。该大学研究人员选取了花岗岩、石灰岩、石英岩、片麻岩、玄武岩、大理岩等六种具有代表性的岩石作为研究对象，为突出石粉岩性对水泥混凝土性能的影响，采取了以磨制石粉的方式进行对比性研究。得出如下的研究试验结论：（1）石粉岩性变化对机制砂混凝土的工作性有一定影响，但受混凝土试验偏差限制，其规律性并不显著。当不掺加外加剂时，受石粉颗粒形貌和表面构造的影响，石粉掺入水泥浆中，其屈服应力迅速提高，但塑性粘度降低，降低的效果顺序为石英岩＞大理岩＞片麻岩＞花岗岩＞玄武岩＞石灰岩。当水泥浆体掺加化学外加剂时，石粉岩性对不同种类化学外加剂作用效果影响不同。木质素系减水剂与萘系减水剂对石粉岩性的选择适应性不明显，但聚羧酸系减水剂对石粉岩性的选择适应性表现突出，聚羧酸系减水剂对花岗岩、玄武岩及石灰岩石粉的适应性远不如对粉煤灰、石英岩石粉、大理岩石粉等的适应性。（2）石粉具有微弱活性，尤其是在水泥砂浆或混凝土早期强度发展中表现较为明显，不同岩性石粉活性顺序为石灰岩＞大理岩＞玄武岩＞花岗岩＞片麻岩＞石英岩。其活性主要是受石粉中碳酸盐矿物成分含量决定的，石粉中的碳酸盐可以与水泥矿物中C3A反应生成水化碳铝酸钙，有助于水泥石强度的提高。但石粉活性在砂浆或混凝土强度的后期发展中表现不明显。同时，石粉岩性的不同，对水泥混凝土矿物掺和料的选取、使用及其活性效应的发挥没有显著影响。（3）石粉岩性对水泥水化放热有较为明显的影响，该影响与石粉中碳酸盐矿物含量相关，碳酸盐含量越高，其对水泥初期水化放热促进效果越显著。（4）石灰岩、大理岩等岩性石粉可以加剧水泥的早期化学收缩，但不同岩性石粉之间总体的化学收缩相差不明显；石粉作为掺和料加入混凝土时，可以延缓塑性开裂出现时间，但石粉岩性变化对水泥混凝土塑性开裂及硬化开裂敏感性影响不显著。石粉岩性对混凝土及砂浆抗氯离子渗透性、抗冻性及抗硫酸盐侵蚀性能的影响没有明显的差异。机制砂岩性变化对混凝土工作性、强度与体积稳定性略有影响，但影响差异并不显著，且机制砂岩性变化对混凝土耐久性基本没有影响。2、机制砂不同石粉含量对混凝土性能的影响福建省建科院通过选用细度模数为3.0，MB＜1.4，母岩为花岗石，经整形的机制砂，配制C25、C35、C45、C60的泵送混凝土，其机制砂的石粉含