談機(jī)制砂高標(biāo)號(hào)混凝土研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景

  0  引言

  隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，各種基礎(chǔ)設(shè)施的需求和建設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)大，對(duì)高標(biāo)號(hào)混凝土的需求量日益增加，而且在未來一段時(shí)期仍將持續(xù)增加。毋庸置疑，約占混凝土體積70％的砂石集料用量也將持續(xù)增長。但隨著國家對(duì)工程建設(shè)質(zhì)量的要求提高，對(duì)砂石質(zhì)量要求的越來越高，能滿足其要求的天然砂石集料越來越少；另一方面某些地區(qū)為保護(hù)環(huán)境而限制開采，以及受交通運(yùn)輸限制，可供開采的優(yōu)質(zhì)天然砂資源儲(chǔ)量日益減少。在我國的一些地區(qū)，如西南地區(qū)的水電、交通等大型混凝土工程中，由于當(dāng)?shù)靥烊簧百Y源匱乏，為滿足工程要求不得不從遠(yuǎn)處調(diào)運(yùn)天然砂，大大提高了工程造價(jià)。而這些地區(qū)分布著大量碳酸鹽巖，機(jī)制砂來源廣泛，因此研究高性能機(jī)制砂混凝土無論從技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上都顯得很有必要。

  1  機(jī)制砂簡介及機(jī)制砂混凝土研究現(xiàn)狀

  1.1  機(jī)制砂簡介

  機(jī)制砂，屬于人工砂的一種，是母巖經(jīng)過去土處理、機(jī)械破碎、篩分等工序后制成的，粒徑小于4.75mm的巖石顆粒（不包括軟質(zhì)巖、風(fēng)化巖的顆粒），多數(shù)呈灰白色或黑色，一般含有10％—15％左右的石粉，級(jí)配中大于2.36mm和小于0.15mm的顆粒含量偏多，細(xì)度模數(shù)普遍在3.0——3.7內(nèi)，表面粗糙，粒形多呈三角形或方矩體。

  與天然砂相比，機(jī)制砂石有五大優(yōu)勢：

  1）資源優(yōu)勢。

  在我國許多地區(qū)，碳酸鹽巖大量存在。

  2）管理優(yōu)勢。

  實(shí)行了采礦許可，有穩(wěn)定的法人主體、固定的經(jīng)營場所，為加強(qiáng)管理創(chuàng)造了條件。

  3）質(zhì)量優(yōu)勢。

  料源固定、穩(wěn)定和生產(chǎn)方式的機(jī)械化，保證了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定、可調(diào)和可控。

  4）品質(zhì)優(yōu)勢。

  開采的砂石有較高的表面能和親水性，有完整的級(jí)配和小于75μm石粉的微級(jí)配，能做到顆粒級(jí)配穩(wěn)定、可調(diào)整，粒形可以改善。

  5）環(huán)保優(yōu)勢。

  機(jī)制砂的使用可以減少河砂的開采，隨著生產(chǎn)工藝的發(fā)展，許多建筑垃圾可以制成機(jī)制砂，符合科學(xué)發(fā)展觀和適應(yīng)節(jié)約、循環(huán)型經(jīng)濟(jì)。

  1.2  機(jī)制砂混凝土的研究現(xiàn)狀

  1.2.1  機(jī)制砂混凝土的研究概況

  關(guān)于機(jī)制砂的研究工作，國外開展得較早，美、英、日等工業(yè)發(fā)達(dá)國家使用人工砂已有幾十年的歷史，許多國家早已將人工砂納入其國家標(biāo)準(zhǔn)。20世紀(jì)80年代日本的人工集料與人工集料的比例，大約為10：9，至20世紀(jì)90年代則增長為2：1。

  20世紀(jì)60年代，由于一些建設(shè)工程的環(huán)境條件所限，我國部分水電、建筑工程開始探索就地取材，用當(dāng)?shù)厥募庸こ蓹C(jī)制砂拌制混凝土。經(jīng)過科研學(xué)者和工程技術(shù)人員多年的試驗(yàn)研究，許多省份在建筑上開始大規(guī)模使用機(jī)制砂，并相繼制定了機(jī)制砂地方標(biāo)準(zhǔn)或使用規(guī)程；機(jī)制砂混凝土的種類也日趨豐富，包括大壩碾壓機(jī)制砂混凝土、常態(tài)機(jī)制砂混凝土、泵送機(jī)制砂混凝土等，機(jī)制砂混凝土的強(qiáng)度等級(jí)也由低等級(jí)逐步提高到C50以上。機(jī)制砂混凝土的應(yīng)用范圍也由水利工程向房建、路橋方向擴(kuò)展。

  1.2.2  機(jī)制砂混凝土的性能研究

  由于機(jī)制砂在外部形狀以及內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)上與天然河砂的差異，導(dǎo)致機(jī)制砂混凝土與天然砂混凝土有較大差異。

  在工作性能方面，與天然砂相比，由于機(jī)制砂顆粒表面粗糙、多棱角，一般認(rèn)為機(jī)制砂混凝土坍落度較小，且由于石粉的存在，一定程度上改善了機(jī)制砂混凝土的和易性，同時(shí)改善了混凝土的保水性、泌水性和粘聚性，使之易于被振搗成型；石粉的存在使機(jī)制砂混凝土的初、終凝時(shí)間比不含石粉的天然砂混凝土可延長50min一120min。

  在力學(xué)性能方面，強(qiáng)度是混凝土工程設(shè)計(jì)和質(zhì)量控制的重要依據(jù)，是最受關(guān)注的一個(gè)核心指標(biāo)。國內(nèi)外專家通過大量試驗(yàn)研究表明，在同等條件下，用機(jī)制砂配制的混凝土比天然砂配制出的混凝土強(qiáng)度略高，其原因歸納起來主要有以下幾方面：

  1）機(jī)制砂中的石粉填充了混凝土中的空隙，且0.08 mm以下的石粉與水泥熟料生成水花碳鋁酸鈣，提高了混凝土的強(qiáng)度。

  2）機(jī)制砂質(zhì)地堅(jiān)硬，表面粗糙，界面新鮮，具有較高的表面能，有助于提高界面的粘結(jié)，提高了混凝土的強(qiáng)度。

  3）機(jī)制砂中的石粉含有大量的游離CaO，以及較多和較高活性的無定型SiO₂，Al₂O₃，其中CaO遇水發(fā)生水化膨脹自行硬化，SiO₂和Al2O₃易與水泥水化釋放出的Ca（OH）₂反應(yīng)生成穩(wěn)定的硅酸鈣水化物凝膠及水化鋁酸鈣，既消耗了Ca（OH）2，又促進(jìn)了水泥的水化反應(yīng)，同時(shí)，由于CH與石粉中的活性SiO₂反應(yīng)，使CH的晶體粒細(xì)化，有利于混凝土界面粘結(jié)。

  國內(nèi)許多科研學(xué)者和工程人員十分關(guān)注機(jī)制砂高性能混凝土的耐久性問題，開展了許多相關(guān)的試驗(yàn)和應(yīng)用研究，大多研究表明在相同條件下，機(jī)制砂混凝土的耐久性要優(yōu)于河砂混凝土，甚至在工作性和力學(xué)性能中扮演重要角色的石粉含量對(duì)機(jī)制砂混凝土的耐久性影響并不是特別明顯。

  1.2.3  機(jī)制砂混凝土的抗變形性能研究

  混凝土的變形分為兩類i一類是在荷載作用下的受力變形，混凝土在短期荷載作用下的彈性變形主要用彈性模量表示；另一類與受力無關(guān)，稱為體積變形，如混凝土收縮以及溫度變化引起的變形。國內(nèi)對(duì)機(jī)制砂混凝土彈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，機(jī)制砂混凝土的彈性模量高于天然砂混凝土，分析原因可能是由于機(jī)制砂粗糙多棱角的顆粒較多，在砂漿中形成了骨架，限制了水泥石的變形和骨料顆粒的滑動(dòng)。

  由于機(jī)制砂中小于0.08mm的極細(xì)顆粒的含量影響，隨著機(jī)制砂中礦粉含量的增多，混凝土的干縮率增大。

  1.2.4  機(jī)制砂混凝土的耐候性研究

  混凝土工程通常暴露在外，經(jīng)受嚴(yán)酷的自然環(huán)境考驗(yàn)，因此要求混凝土具有良好的耐候性。在北方寒冷地區(qū)，對(duì)混凝土抗凍性要求較高。用于不透水的工程時(shí)，要求混凝土具有良好的抗?jié)B性和耐蝕性。而機(jī)制砂在一定程度上改善了混凝土的抗凍性能，張映全等采用50％的石屑替代天然砂配置C40混凝土凍融試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，使用50％石屑的混凝土試件經(jīng)過200次后強(qiáng)度比天然砂混凝土少損失9.96％。混凝土的抗?jié)B性與其孔結(jié)構(gòu)有關(guān)，機(jī)制砂中石粉的存在加速了C₃S的水化，并與C₃AC₄AF反應(yīng)生成結(jié)晶水化物，改善水泥石的孔隙結(jié)構(gòu)，提高了混凝土的抗?jié)B性能。

  2   機(jī)制砂生產(chǎn)應(yīng)用中的問題及前景

  2.1  機(jī)制砂生產(chǎn)應(yīng)用中的問題

  1）大量研究結(jié)果表明，機(jī)制砂質(zhì)量符合規(guī)范要求的情況下，配制出的各種標(biāo)號(hào)混凝土性能較好，能滿足應(yīng)用要求。但目前國內(nèi)機(jī)制砂的應(yīng)用主要集中在中低標(biāo)號(hào)混凝土中，機(jī)制砂級(jí)配、石粉含量等質(zhì)量問題是制約機(jī)制砂在高標(biāo)號(hào)混凝土中應(yīng)用的主要原因。由于行業(yè)分散，生產(chǎn)方式傳統(tǒng)，無主管部門等因素影響，我國機(jī)制砂生產(chǎn)應(yīng)用過程中主要存在以下幾方面問題：砂石行業(yè)未得到應(yīng)有的重視，缺少長遠(yuǎn)、統(tǒng)一的規(guī)劃，砂石礦產(chǎn)指標(biāo)較少，多數(shù)地方臨時(shí)應(yīng)對(duì)生產(chǎn)砂石，而不是按工業(yè)產(chǎn)品認(rèn)真對(duì)待和管理。建筑砂石是用量最多的礦產(chǎn)品，而我國重要礦產(chǎn)品名錄中卻沒有它。在全國各地工商企業(yè)產(chǎn)品名錄登記中，未對(duì)機(jī)制砂有專門的命名。

  2）機(jī)制砂生產(chǎn)單位質(zhì)量意識(shí)淡薄。機(jī)制砂級(jí)配、含粉量等指標(biāo)的可控性本是機(jī)制砂的優(yōu)勢，比如控制原材的投料速度可以調(diào)整級(jí)配、控制水洗程序可以調(diào)整含粉量，但由于采石行業(yè)缺少準(zhǔn)入制度，加上歷史形成的傳統(tǒng)生產(chǎn)方式，多數(shù)企業(yè)生產(chǎn)者素質(zhì)依然較低、企業(yè)降低生產(chǎn)成本等原因，機(jī)制砂的質(zhì)量往往得不到保證，同一生產(chǎn)廠商生產(chǎn)的機(jī)制砂級(jí)配、含粉量不穩(wěn)定。

  3）由于傳統(tǒng)觀念作祟，不接受新事物，對(duì)機(jī)制砂抱有懷疑態(tài)度，特別是在橋梁承重結(jié)構(gòu)中，盡管相關(guān)試驗(yàn)研究的結(jié)果樂觀，工程建設(shè)單位和施工單位依然不敢使用機(jī)制砂混凝土。

  2.2  機(jī)制砂在高標(biāo)號(hào)混凝土中的應(yīng)用前景

  我國金屬礦和非金屬礦儲(chǔ)量豐富，采集和加工過程中伴隨產(chǎn)生大約20％的尾礦，有相當(dāng)——部分尾礦未得到合理利用，大量堆積，占用土地，污染環(huán)境，而不少尾礦如果經(jīng)過適當(dāng)分選與加工，可以制成機(jī)制砂。經(jīng)過多年的探索和研究，機(jī)制砂在中低標(biāo)號(hào)混凝土中的應(yīng)用已經(jīng)得到廣泛的推廣，進(jìn)一步研究并推廣機(jī)制砂在高標(biāo)號(hào)混凝土中的應(yīng)用，減少天然砂的開采，既保護(hù)環(huán)境，又能提高資源利用率，形成綜合效益，符合科學(xué)發(fā)展觀和可持續(xù)發(fā)展的國策。為實(shí)現(xiàn)機(jī)制砂在高標(biāo)號(hào)混凝土中的廣泛應(yīng)用，可以做到以下幾點(diǎn)：加強(qiáng)機(jī)制砂企業(yè)的監(jiān)管，提高機(jī)制砂生產(chǎn)從業(yè)人員的質(zhì)量意識(shí)；加強(qiáng)機(jī)制砂生產(chǎn)工藝及生產(chǎn)設(shè)備研究，實(shí)現(xiàn)機(jī)制砂生產(chǎn)智能化，提高機(jī)制砂生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定性；對(duì)機(jī)制砂影響混凝土工作性能的機(jī)理進(jìn)行研究，從而尋求根本解決機(jī)制砂混凝土缺陷的對(duì)策；對(duì)已有機(jī)制砂混凝土工程進(jìn)行跟蹤監(jiān)測。

  3  結(jié)語

  相關(guān)研究表明，機(jī)制砂可以用于配置高標(biāo)號(hào)的混凝土，而且性能良好，但是目前機(jī)制砂在高標(biāo)號(hào)混凝土中的應(yīng)用相對(duì)比較少，主要原因是許多地區(qū)機(jī)制砂質(zhì)量不合格或者不穩(wěn)定、傳統(tǒng)觀念的束縛。為了推廣機(jī)制砂在高標(biāo)號(hào)混凝土中的應(yīng)用，需加強(qiáng)對(duì)機(jī)制砂生產(chǎn)企業(yè)的管理、加強(qiáng)機(jī)制砂生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)設(shè)備的研究、對(duì)已有機(jī)制砂混凝土工程進(jìn)行跟蹤監(jiān)測。隨著環(huán)境友好型、資源節(jié)約型社會(huì)的建設(shè)，機(jī)制砂在高標(biāo)號(hào)混凝土中應(yīng)用將得到更好的推廣。

  作者：朱強(qiáng)¹，劉義峰²

  1.運(yùn)城市聞垣高速公路建設(shè)管理處 2.重慶交通大學(xué)

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