機制砂混凝土生產(chǎn)配比調(diào)整的方法研究
機制砂混凝土生產(chǎn)配比調(diào)整的方法研究
混凝土作為一種重要的建筑材料，發(fā)展到現(xiàn)在已有一百多年的歷史，是目前全世界用量最大、用途最廣的建筑工程材料之一。砂石骨料作為混凝土主要的組成材料，占混凝土質(zhì)量的70%～80%，近年來隨著房地產(chǎn)和基礎(chǔ)設(shè)施的快速發(fā)展，砂石骨料的用量快速增長。砂石骨料作為一種地方性材料，它具有不可再生及不宜長途運輸?shù)忍攸c。當前我國不少地區(qū)出現(xiàn)天然砂資源減少，甚至枯竭的情況，混凝土用砂供需矛盾突出，機制砂在混凝土應(yīng)用中越來越普遍，隨之而來的是在機制砂的檢測和應(yīng)用中出現(xiàn)的一些問題。在機制砂的生產(chǎn)過程中大約會產(chǎn)生10%～15%的石粉。由于對機制砂混凝土缺乏系統(tǒng)性的理論和試驗研究，缺少科學(xué)的認知，人們難以接受機制砂石粉，害怕石粉的使用帶來混凝土質(zhì)量的波動。大多數(shù)情況下這部分石粉是廢棄不用的，或者利用率較低。
對于河道采集卵石破碎制砂的生產(chǎn)系統(tǒng)，大多數(shù)為濕法生產(chǎn)工藝，通常采用河水沖洗的方式剔除破碎過程中產(chǎn)生的部分石粉，這樣不僅造成環(huán)境污染，而且由于沖洗后機制砂較粗，需要摻用天然砂，機制砂使用率低，機制砂沖洗后，含水量波動較大，對混凝土質(zhì)量控制不利；對于礦山破碎碎石制砂的生產(chǎn)系統(tǒng)，大多數(shù)采用干法生產(chǎn)工藝，多利用收塵設(shè)備收集石粉，但是收集下來石粉的處理是一個困擾制砂廠家的難題。機制砂石粉應(yīng)用的最大難題是機制砂中石粉含量的不穩(wěn)定，而石粉含量對于混凝土質(zhì)量影響較大。石粉含量過多，混凝土稠度大，不利于施工；石粉含量較低，混凝土和易性差。為了保證混凝土中石粉含量穩(wěn)定，更好的利用機制砂，本文提出一種利用機制砂石粉、收塵石粉雙摻的質(zhì)量控制方法，提出了混凝土基準配合比的理念，保證混凝土配合比高度一致。該方法在混凝土生產(chǎn)過程中，減少了混凝土質(zhì)量波動風險，確保了混凝土質(zhì)量穩(wěn)定，充分利用了機制砂中的石粉以及制砂系統(tǒng)的廢棄石粉。
（1）機制砂。選取眉山地區(qū)生產(chǎn)的機制砂，顆粒級配見表1。首先將機制砂中的石粉篩除，然后重新按照3%、6%、9%、12%、15%的比例將石粉摻入到篩除石粉的機制砂中，配制不同石粉含量的備用砂。
（2）碎石。粗骨料采用5～31.5mm連續(xù)級配碎石，表觀密度為2720kg/m3，含泥量為0.3%，其中0.075～4.75mm顆粒含量為2.4%，0.075mm以下顆粒含量為0.8%。
（3）收塵石粉。收塵石粉為四川鑫統(tǒng)領(lǐng)混凝土有限公司機制砂生產(chǎn)系統(tǒng)的收塵廢棄物，為0.3mm以下巖石顆粒。其中0.075mm以下顆粒含量為58%，0.075～0.3mm之間的顆粒含量為42%。（4）水泥。采用四川峨勝水泥股份有限公司的P·O.42.5R普通硅酸鹽水泥，標準稠度27.2%，初凝時間224min、終凝時間305min，3d抗折強度6.40MPa，抗壓強度33.7MPa；28d抗折強度8.6MPa，抗壓強度57.8MPa，各項指標均符合GB175—2007標準要求。（5）粉煤灰。粉煤灰采用四川省眉山市華慶建材科技有限公司生產(chǎn)的F類Ⅱ級粉煤灰，細度20.4%，需水量比101%，其余指標符合GB/T1596—2005標準中F類Ⅱ級粉煤灰技術(shù)要求。（6）外加劑。外加劑采用四川鑫統(tǒng)領(lǐng)建材科技有限公司生產(chǎn)的PC100型高性能減水劑。根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ55—2011），試驗配合比設(shè)計強度等級為C30，塌落度要求為180±20mm。試驗配合比見表2。根據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗方法》（GB/T50080）和《普通混凝土物理力學(xué)性能試驗方法》（GB/T50082）對不同石粉含量的混凝土拌合物檢測包括流動性、粘聚性等工作性能，目測攪拌后的新拌混凝土離析和保水情況，在溫度為20±2℃相對濕度95%標準養(yǎng)護條件下，養(yǎng)護之規(guī)定齡期后檢測混凝土硬化后的7d和28d抗壓強度。混凝土抗壓試塊規(guī)格為150mm×150mm×150mm的立方體。根據(jù)表2的試驗配比，固定用水量、水泥用量、粗骨料、外加劑等原材料摻量不變的情況下分別使用不同石粉含量的備用機制砂配制混凝土，對比分析不同石粉含量的機制砂對混凝土工作性能以及力學(xué)性能的影響，檢測結(jié)果見表3。
從表3中可以看出在機制砂石粉含量不超過15%時，隨著石粉含量的增大，混凝土拌合物的塌落度逐步增加，3%摻量的混凝土比15%摻量的混凝土塌落度小40mm，離析泌水現(xiàn)象減少，和易性得以改善，這是因為新拌混凝土中摻加的石粉轉(zhuǎn)化為漿體，總的漿體數(shù)量增加，粗糙骨料之間的相互移動，受其表面摩擦力的制約，漿體包裹在骨料表面形成潤滑膜降低了顆粒之間的摩擦阻力，從而增加新拌混凝土的流動性，適量的漿體量可以明顯改善流動性，但是過多的漿體并不會繼續(xù)增加流動性，相反骨料流動的主要矛盾由骨料表面轉(zhuǎn)變?yōu)槭鬯酀{體的塑性粘度，這也是機制砂石粉摻量超過15%后混凝土變得粘稠的原因。
石粉表面積較大，如圖1所示，篩除0.075mm以上顆粒的收塵石粉的激光粒度分析結(jié)果，從圖中可以看出顆粒主要集中在10～20μm，超過45μm的顆粒很少，普通水泥45μm的顆粒含量一般在8%左右，這比一般水泥的細度更小，比表面積也幾乎是普通水泥的3倍，因此石粉的需水比較大。摻入適量的石粉后由于水對石粉的可浸潤性，一定量的水必然浸潤石粉顆粒表面。固定用水量的條件下，自由水由于石粉表面的占用而減少，混凝土離析泌水性減少，粘聚性增加，盡管有研究顯示，石粉不如粉煤灰擁有滾珠效應(yīng)而改善混凝土擴展度，但是石粉對混凝土外加劑的吸附也低于粉煤灰，因此適量的石粉摻量并不會顯著降低混凝土的流動性。
根據(jù)表3硬化后的混凝土性能可以看出，混凝土7d抗壓強度提高9.1MPa，而28d抗壓強度提高11MPa。盡管石粉不能與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成水化產(chǎn)物，但是隨著石粉含量的提高，一方面石粉的表面需要水膜覆蓋，較細的石粉需要相當數(shù)量的水轉(zhuǎn)變?yōu)闈{體，固定用水量不變，石粉表面占用的水分減少了與水泥發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的水量，從而降低了有效水灰比；另一方面，石粉的存在填充了砂石骨料形成的空隙，降低了混凝土的孔隙率，提高了骨架的致密性，因此混凝土強度提高明顯。本實驗僅對標號為C30的混凝土，有研究顯示石粉對C30混凝土的水壓抗?jié)B性和氯離子抗?jié)B性有較大貢獻，在石粉摻量低于15%時，隨著石粉摻量增加，水壓滲透性和氯離子滲透性降低，但是對C60混凝土表現(xiàn)不明顯，而C80混凝土則表現(xiàn)為滲透性升高。原因是高等級混凝土膠凝材料用量較大，而骨架形成的空隙率數(shù)量較少，石粉的摻加反而容易形成空隙而不是填充原有空隙，因此不同標號的混凝土最大可摻入石粉的質(zhì)量是不同的。混凝土中碎石、機制砂、石粉（機制砂石粉和收塵石粉）均是由天然巖石、卵石或礦山廢石經(jīng)機械破碎、篩分制成的巖石顆粒，三者原料相同，其區(qū)別主要在于粒徑范圍的不同，為此我們進一步規(guī)范三者的定義，將4.75mm以上的巖石顆粒定義為石，0.075～4.75mm的顆粒定義為砂，0.075mm以下的顆粒定義為石粉。結(jié)合預(yù)拌混凝土企業(yè)泵送C30混凝土的生產(chǎn)配合比，分析機制砂石粉含量對混凝土性能的影響，確定合理的機制砂石粉含量，從而確定混凝土基準配合比。以本試驗為例，根據(jù)機制砂、碎石、收塵石粉級配檢測結(jié)果，計算重新定義后的砂、石、石粉的單方用量，確定其混凝土配合比，為了區(qū)分兩個配合比，我們將之稱為基準配合比，而按照機制砂、碎石、收塵石粉用量的配合比稱之為生產(chǎn)配合比?；鶞逝浜媳扰c生產(chǎn)配合比之間的差異在于，基準配合比將機制砂、收塵石粉、碎石中小于0.075mm顆粒計為石粉，機制砂、碎石中0.075～4.75mm顆粒計為砂，機制砂、碎石中大于4.75mm顆粒計為石。也就說按照重新定義后的砂石定義，從試驗編號5的生產(chǎn)配合比轉(zhuǎn)化為基準配合比，其結(jié)果見表4。
根據(jù)已確定的基準配合比，結(jié)合實際機制砂、碎石、收塵石粉的質(zhì)量波動情況，尤其是機制砂中石粉含量的波動以及收塵石粉細度的檢測結(jié)果和碎石的含粉量，調(diào)整三者的用量，以保證基準配合比不變，從而保障混凝土質(zhì)量穩(wěn)定。試驗中主要考慮機制砂中石粉含量低于15%時，通過加入收塵石粉，保證混凝土中石粉的含量恒定，實際上假定機制砂中石粉含量為X1，碎石含量為X2，碎石中石粉含量為X3，機制砂含量為X4，收塵石粉中石粉含量量為X5，機制砂含量為X6，機制砂、碎石、收塵石粉的摻量分別為Z1，Z2和Z3，生產(chǎn)配合比的調(diào)整則相當于解下列線性方程組或者矩陣，求解Z1、Z2、Z3的值。
例如當機制砂、碎石、收塵石粉的檢測結(jié)果如表5所示時，通過調(diào)整機制砂、碎石、收塵石粉三者的摻量可使生產(chǎn)檢測的實際石粉含量與同表4所示基準配合比一致，具體調(diào)整如表6所示。
也就是說實際生產(chǎn)中無論三者物料的石粉含量如何變化都可以轉(zhuǎn)化為一元線性方程組的形式，然后進行求解。對于部分物料劇烈波動時可能出現(xiàn)方程組無解的情況，這時優(yōu)先保證石粉含量滿足基準配合比的要求。該生產(chǎn)配比調(diào)整方法整體上考慮了砂、石和粉體材料，并且均假定三者并非純粹的含有某些粒徑范圍內(nèi)的物料，是較好解決碎石中帶有機制砂，機制砂中帶有石粉，石粉中含有機制砂這種普遍存在問題材料的有效果措施。
混凝土的實際生產(chǎn)中超徑和遜徑經(jīng)常發(fā)生，多數(shù)科研技術(shù)人員或者忽視其重要性或者不知其利害，而機制砂制備系統(tǒng)中石粉的處理和利用又比較困難，通過調(diào)整三者的用量，以保證基準配合比不變，來保證混凝土質(zhì)量穩(wěn)定，從表6中可以看出機制砂摻量隨著其石粉含量的升高而降低，但兩者間并非成線性比例關(guān)系，原因是除了機制砂自身含有石粉外，碎石中同樣含有石粉，只是含量較低，同樣收塵石粉中也會補充部分細骨料，但是總體上看細粉含量較以前有所增加，細骨料含量在降低，混凝土拌合物趨向于向高粘度方向。這也正是現(xiàn)代混凝土的標志。根據(jù)確定的基準配合比和實際機制砂、碎石和收塵石粉的質(zhì)量波動情況，通過利用干混砂漿制砂系統(tǒng)制砂廢棄石粉摻入混凝土中來保證機制砂石粉含量的穩(wěn)定。由于不同含量石粉的混凝土工作性能和力學(xué)性能差異較大，必須對混凝土中的石粉總量進行控制。生產(chǎn)配合比調(diào)整方法充分考慮了物料內(nèi)部含有不同粒徑顆粒的實際情況以及機制砂生產(chǎn)中石粉的處理現(xiàn)況，是混凝土對天然資源充分利用的可靠保證。然而由于在調(diào)整時需要依據(jù)機制砂、碎石和收塵石粉三種材料的細度檢測結(jié)果，因此需要不斷檢測三種物料的組成，這顯然是在實際生產(chǎn)中無法做到的。考慮到碎石和收塵石粉（以下簡稱收塵灰）組成的相對穩(wěn)定性相對較高，建議可以規(guī)定碎石與收塵灰每8h檢測一次小于0.075mm的顆粒含量和0.075～4.75mm的顆粒含量，檢測時使用0.075mm和4.75mm兩個套篩可以同時得到兩個數(shù)據(jù)，以增強檢測結(jié)果的及時性?？紤]到機制砂質(zhì)量波動較大，建議可以每小時檢測機制砂內(nèi)含有石粉、砂和石的含量，篩分是檢測干燥粒狀材料顆粒級配的主要方法，但是篩分的時間與及時性可能無法滿足在線監(jiān)控的要求。顆粒中粉含量的多少與物料的自然休止角關(guān)系密切，建議固定水分或者水分變化不大時，建立自然休止角與石粉含量的對應(yīng)關(guān)系曲線，通過在線檢測自然休止角而得到石粉含量，滿足混凝土生產(chǎn)的及時性，同時企業(yè)也可以研究其他快速檢測顆粒物料粉體含量的有效方法，為混凝土中的細粉顆粒含量控制打下基礎(chǔ)。（1）混凝土中機制砂石粉含量在15%時，可得到和易性良好的混凝土拌合物，同時混凝土強度較高。（2）通過求解多元一次線性方程組或者矩陣可以得到機制砂、碎石、收塵石粉三種物料的摻量，并且充分考慮了物料篩分中的超徑和遜徑。（3）使用機制砂的混凝土，機制砂石粉含量越高，機制砂摻量越低，但是機制砂摻量與石粉之間不是線性比例關(guān)系。（4）機制砂與天然砂相比混凝土中細粉含量總體上趨于上升，并且機制砂中石粉含量越低，總細粉量越高，混凝土拌合物粘度越高。（5）收塵灰的使用改善了機制砂混凝土的工作性，并且混凝土強度越低改善效果越明顯，但是石粉摻量隨著混凝土標號的升高而降低。
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