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人工制砂的行业标准

来源:源通机械   时间:2011-06-25

从20世纪60年代起,我过就在一些水利·水电工程及土木建筑工程中开展人工砂的研究与应用,经过40多年的发展已经积累了丰富的经验并形成了系统的理论。受自然环境的影响,我国缺少优质天然砂,而富有石灰岩的贵州。四川等省份较早开展人工砂的研究工作。自上世纪九十年代以来,由于各种工程建设的急剧增多和天然砂的资源缺乏,北京,上海,河南等省市也相继开展人工砂的研究。人工砂的应用可以更好的保护环境,节约成本,实现可持续发展,应用人工砂代替天然砂已势在必行!

一. 人工砂概况

1.人工砂的工程应用

成功应用人工砂的水利,水电工程很多。如三峡大坝二期,三期工程中全部采用花岗岩人工砂作细骨料:龙滩水电站的混凝土方量为575.6万m3,采用石灰岩人工砂作细骨料:乌江构皮滩电站采用灰岩生产人工砂:湖北宣恩洞坪水利枢纽工程采用灰岩生产人工砂及人工碎石:湖北天堂抽水蓄能电站,皂市水利枢纽工程采用灰岩生产人工砂,施工时则采用天然砂与人工砂混合的办法。

很多桥梁工程也广泛应用人工砂。如株洲:六盘水铁路复线南山河特大桥使用人工砂做细骨料配制C55超缓混凝土,重庆嘉陵江黄花园大桥主桥箱结构也使用的人工砂和特细砂混掺的C50混凝土,均取得较好的应用效果。

在商品混凝土应用方面,北京世纪财富中心C60混凝土全为人工砂混凝土。此外,北京恒坤混凝土邮箱公司和北京恒坤拓峰采石有限公司采用干法生产石灰石人工砂,在1年多的时间里累计生产商品混凝土40多万 m3,多数使用纯人工砂,石粉含量应用范围达8%~15%,应用于各种工程,取得了很好的效果。2005年北京地区人工砂的产量已占据混凝土建筑用砂的10%左右。随着人们对人工砂认识的逐渐深入,以及人工砂质量的进一步提高,人工砂混凝土所占有的份额必然会逐步增加。

在国外,美国,英国,日本等国家使用人工砂已有几十年的历史。美国地质勘探局根据资源利用率和环保的需要,在1996年对人工砂及其母岩进行过调查,结果显示人工砂大致占细骨料的20%。日本在上世纪80年代,天然集料与人工集料的使用比例大约为0.9:1,而到90年代则降为0.5:1。

2.人工砂的技术标准

不同国家制定的人工砂技术标准不论是级配,细度模数还是石粉含量存在差异。爱石粉的含量方面上,我国与国外在规定含量时考虑角度明显不同。美国标准ASTM C33-1999《混凝土集料标准规范》是根据混凝土耐磨要求进行规定的;英国标准BS882:1992《用于混凝土的石料》则根据重载混凝土路面和普通混凝土规定人工砂石粉含量的要求;日本标准JIS A 5005:1993《混凝土碎石人工砂》对用于混凝土人工砂石粉含量的要求是统一的;我国国家标准GB/T14684-2001<建筑用砂》则按混凝土强度等级规定人工砂中石粉含量。在我国的地方标准中,贵州省DBJ22-016-95《山砂混凝土技术规范》和重庆市DB50/5017-2000《混凝土用人工砂质量标准及控制方法》等也均采用按照强度等级的方法来规定石粉的含量。不同国家的标准中队混凝土人工砂石粉的含量的限制是不同的。我过不同地方标准中队混凝土人工砂十分含量的较高限值也有所不同。

中,日,美对石粉含量限制比较严格。由于正常人工砂生产线过程中会产生10%左右的石粉,严格的石粉含量增加了人工砂的生产成本,同时限制了人工砂的使用。我国哦不同的省市也存在不同的标准要求。相关的研究表明,人工砂的石粉含量可以比现行国标放宽一些,较近,我国拟修订的建工行业标准JGJ52《普通混凝土用砂石质量标准及检验方法》征求意见稿中,提出将人工砂中的石粉含量放宽为5%(大于等于C60混凝土),和7%(介于C30~C60混凝土之间)和10%(小于C30混凝土),这对人工砂的推广应用将有积极的促进作用。

二. 人工砂的性能特征

与天然砂相比,人工砂自身有明显的特点。它的颗粒与形状多呈三角形或方矩体,表面粗糙,棱角尖锐,一般球形度比天然砂小,目前,人工砂多为级配可以调整,含有一定量的石粉的中粗砂。由于全国各地生产人工砂的母岩,生产工艺和设备不同,生产出的人工砂质量相差很大。人工砂的质量主要受粒形、细度模数、级配、石粉含量等影响。现行标准中,只要根据3个因素进行规定,从而确定人工砂的质量稳定。

1:人工砂的粒形

英国标准BS882:1992《用于混凝土的史料》中对石料形状分为6个类别:圆形、不规则行、角锥形、长条形和扁长形。人工砂的粒形主要为角锥形和不规则行,关随着母岩种类。人工砂设备不同而变化。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形的颗粒,它不仅有利于紧密堆积,更有利于增加混凝土的工作性。一般来说,制砂设备导致的颗粒形状中:棒模式、锤式破碎机冲击式破碎机等优于反击式破碎机圆锥式破碎机和旋盘是、颚式破碎机辊式破碎机和旋回式较差,但前者制造成本较高。北京恒坤拓峰采石有限公司采用反击式破碎机和立轴式破碎机生产的颗粒形状方正效率高,细度模式可控制伟2.4~3.0,石粉含量为2%~18%,同事,干法生产解决了除尘问题。

人工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成都和空隙率大小,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)人工砂行政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.人工砂的细度模数

对于定制生产的人工砂,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。对于加碎石筛除的小于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人工砂,可以与天然中砂或细砂等通过实验确定混合比例后使用。

前面所提及的水利、水电工程中,人工砂的细度模数大多控制在3.0以下。如三峡大坝中花岗岩人工砂的细度模数为2.7;龙滩水电站中人工砂的细度模数为2.9;吴江构皮滩电站人工砂的细度模数为2.5;天堂抽水蓄能电站人工砂的细度模数为2.5。在商品混凝土中使用的人工砂一般为中粗砂。北京市建筑市场目前存在两种人工砂:一是完全替代天然砂的人工砂,这种人工砂细度模数较小,一般在3.0以下。二是与天然砂混合使用的人工砂,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。这种人工砂自身很难达到较紧密堆积状态,从而增加了混凝土中胶凝材料的总量,并影响到回南宁台的各种性能。对于过粗的人工砂,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。如果想是想人工砂完全替代天然砂的目的,就必须通过选择人工砂设备和控制生产工艺来生产细度模数小于3.0,级配优良的优质人工砂。

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较佳比例来接近较紧密的堆积状态,此时空隙率较小。人工砂的级配范围从几个μm到4.75mm,其中石粉的平均粒径一般为30μm~40μm,并起到微填充的作用。当人工砂颗粒从4.75mm、2.36mm、1.18mm~0.08mm彼此相互填充时,较后的空隙需要一定量的十分来填充。从级配及堆积的角度来考虑,适量的石粉含量是有益的。由于当前国家标准中十分含量的限制很低,很多人工砂生产企业采用水洗或者风选方式来除去超标的石粉,但与此同时破坏了人工砂的级配。当石粉行两小于3%,细度模数较大,此时人工砂的级配一般都比较差,表现为空隙率比较大。我们在调研过程中发现:有的人工砂砂石粉含量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的人工砂的松散堆积空隙率为34.3%。

人工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黏结颗粒。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,但成本增加。当然随着紧密堆积程度加大,骨料颗粒只讲摩擦力也随之增长,对混凝土工作性能产生影响。存在较近的颗粒级配,同时满足胶凝材料用量与工作性能的协调。当人工砂中的石粉含量少而且级配较差时,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,随着混凝土中十分掺量的增加,混凝土黏度逐渐变大。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的工作性能。

4.人工砂的石粉含量

石粉是指人工砂中粒径小于75μm的颗粒含量。含泥量是指天然砂中粒径小于75μm的颗粒含量。在人工砂生产过程中不可避免的灰带入泥。国家标准GB/T14684-2001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,很多人工砂生产逛街控制MB值在0.5以下,以减小人工砂含泥带鬼混凝土的负面影响。

石粉的较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,起到类似于矿物掺和料的填充作用,石粉的化学相对要比矿物掺和料的填充作用,石粉的化学相对要比矿物掺和料小的多。在高强混凝土华总胶凝材料总量本身已经很多,加入过量石粉会增加相应的黏度,congenial影响到混凝土的各种性能。

石粉在混凝土中的作用主要表现为填充效应、品核效应和活性效应。因此,石粉不仅影响到混凝土的工作性能、力学性能,还影响到后期的耐久性能。石粉对混凝土耐久性能的影响主要体现在下面几个方面:(1)混凝土的收缩:石粉含量会增大混凝土干缩,随着含量的增大,趋势更加明显。因此,对人工砂混凝土需要加强早期养护。但磨细粉煤灰的加入,有效降低了这种干缩在高强人工砂混凝土中的发展;(2)混凝土的抗掺性及抗冻性:在一定范围内,随着石粉含量的增加,混凝土密实度提高,混凝土的抗压强度、抗折强度相应的增加。有研究人员利用石粉含量11.1%的人工砂配制28d强度为283.MPa~53.2MPa的高性能混凝土,结果表明人工砂混凝土的抗渗性和天然砂相同,具有较低的氮离子扩散系数,抗氮离子渗透性高于天然砂,具有优异的抗冻性能。对硬化人工砂混凝土进行SEM分析,发现人工砂与水泥水化凝胶结合紧密,界面处无裂缝,几乎分不出两者界限。正是这种界面的强化使得人工砂混凝土耐久性得以提高。

三、人工砂高强混凝土的研究与应用

随着各种高效减水剂的广泛应用,混凝土进一步向高强、高性能等方向发展。由于人工砂在混凝土用砂中的市场份额越来越大,进行人工砂高强混凝土的研究与应用具有重要的实际意义。

机制混凝土配合比设计应采用JGJ55-2000《普通混凝土配合比设计规程》的规定。砂率的选择主要根据人工砂自身的细度模数、石粉含量、混凝土强度等级及其他材料的情况经实验确定。石料含量高的人工砂可以采用较低的砂率,细度模数大的人工砂宜选择较高的砂率。由于人工砂的表面粗糙、多棱角,机械啮合力比较强,颗粒之间的摩擦力相对大,人工砂混凝土单位用水量比天然砂混凝土要适当增加。

从全级配的角度来考虑,配制人工砂高强混凝土的关键之一是要有优良的集料。对于人工砂来说,就是要有合适的细度模数、石粉含量、良好的级配以及较好的粒形。由于高强混凝土是富浆混凝土,所以石粉的含量不宜太多,同时要通过调整人工砂的细度模数与级配来保证混凝土具有优良的工作性能、力学性能和耐久性能。

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