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机制砂在混凝土中的应用试验研究
admin在2020-11-23发布 频道:行业资讯 标签:
     
摘要:针对英德市本地区碎石生产过程中产生的大量高石粉含量机制砂的状况,研究充分利用该机制砂。本文通过试验研究试图探索机制砂在混凝土中的合理使用量,并将掺机制砂混凝土与天然砂混凝土在工作性能、力学性能方面进行比较研究,提出用机制砂与天然砂混合拌制混凝土不仅在技术性能上与天然砂拌制的混凝土相比不逊色,而且综合成本较天然砂拌制的混凝土低,值得推广应用。

0 前言
  近年来,随着我国城市化进程的加快,促进了房地产的快速发展,基建工程的投入不断加大,建筑业迎来了一个高速发展期,建筑业的发展使用砂量逐年增加。由于天然砂是一种再生过程很慢的资源,按现在这样的速度大量使用天然砂,会使天然砂资源快速减少,甚至出现无砂可用的情况。现在有一些地方天然砂已经短缺,需从一百公里以外的地方运输,成本增加很多。为了节省成本,很多混凝土企业已在用机制砂替代天然砂。国外使用机制砂已有几十年的历史了,在我国香港特别行政区基本上用的都是机制砂,国内也有一些省市先后建起了一些机制砂生产线。经过几年的发展,机制砂的生产技术和使用技术都已相当成熟,大量使用机制砂并逐渐替代天然砂将是一种趋势。

1 高石粉含量机制砂使用情况
  机制砂的生产有湿法生产和干法生产二种工艺。前者石粉含量低,后者工艺简单,但石粉含量较高。本文研究的对象就是后者石粉含量较高的机制砂。本地的碎石生产线,在生产碎石的过程中筛分出了大量粒径小于5.0mm的尾矿,该尾矿石粉含量比较高,最高达到了15%,故在本地区该类型机制砂只是作为回填或者路面稳定层使用,很少应用于商品混凝土中,该机制砂的石粉含量超过了JGJ 52-2006标准中规定的用于配制C30~C55混凝土的机制砂石粉含量不大于7.0%的规定,且该机制砂颗粒级配比较差,粗颗粒(1.25mm以上)和石粉(0.08mm以下)较多,中间颗粒较少,导致配制的混凝土容易泌水。但用该机制砂与天然砂以一定的比例混合成混合砂可用于配制混凝土。为了更加充分利用这些高石粉含量的机制砂,节约资源,节省成本,本试验研究对象是在确保混凝土的各项性能不降低的前提下采用机制砂替代部分天然砂混合配制混凝土。

2 试验研究过程
2.1 
试验用原材料
  水泥:英德台泥生产的P.O42.5R水泥,各项指标符合国家标准要求;
  粉煤灰:韶关乌石电厂生产的优质Ⅱ级粉煤灰;以及连州Ⅲ级灰;
  矿渣粉:选用韶关嘉羊生产的S95级别矿粉,各指标满足要求;
  水:干净地下水;
  天然砂:北江河砂,Ⅱ区中砂,细度模数2.6;
  机制砂:本地茶果场石场,Ⅰ区粗砂,细度模数3.4,石粉含量13%;
  粗骨料:茶果场石场,5~31.5mm连续级配碎石;
  外加剂:选用韶关建浩建材公司生产的萘系减水剂;型号:JZB-3。
2.2 试配方案
  (1)先以大坍落度泵送混凝土C30的配合比为基础,直接用机制砂按比例进行取代,比较混凝土的工作性能,并成型试块比较混凝土各龄期的抗压强度。再尝试运用到C20至C50各级别混凝土中,比较相应的工作性能、抗压强度。
  (2)根据各配合比混凝土的工作性能选择最佳取代率;确定最经济的配合比。
表1 C30泵送混凝土不同机制砂取代率试验配比
试验编号
 
设计强度等级 胶凝材料    (kg/ m3) 细骨料  (kg/ m3) 机制砂取代率(%) 粗骨料(kg/ m3)
(kg/ m3)
减水剂掺量(%)
天然砂 机制砂
01 C30 335 527.5 227.5 30 1120 160 2.0
02 C30 335 453 302 40 1120 160 2.0
03 C30 335 377.5 377.5 50 1120 160 2.05
04 C30 335 377.5 377.5 50 1120 160 2.05
05 C30 335 755 0 0 1120 160 2.05
 表2 C30泵送混凝土不同机制砂取代率试验结果
试验编号 设计强度等级 和易性描述 坍落度(mm) 抗压强度(MPa)
3天 7天 28天
01 C30 和易性较好,粘聚性佳 180 16.3 27.6 36.7
02 C30 和易性一般 165 13.1 25.7 32.7
03 C30 和易性一般 160 12.2 24.1 32.2
04 C30 和易性一般 160 13.0 25.4 32.2
05 C30 和易性较好,粘聚性良好 180 12.9 26.3 33.7
  试验结果表明:
  高石粉含量机制砂取代率在30%~50%之间时,混凝土的工作性能基本相当,但取代率为30%时相对较好。主要原因是机制砂颗粒棱角比较多,表面比天然砂粗糙。随着机制砂掺量的增加,机制砂表面互相咬合接触的频率增加,从而影响混凝土的流动性。
  以下是尝试用50%的高石粉含量机制砂取代天然砂来配制C20至C50泵送混凝土,看能否既满足工作性能、浇筑性能,又可提高强度。
表3 C20~C50泵送混凝土50%机制砂取代率试验配比
试验编号
 
设计强度等级 胶凝材料  (kg/ m3) 细骨料(kg/ m3) 机制砂取代率(%) 粗骨料  (kg/ m3)
(kg/ m3)
减水剂掺量(%)
天然砂 机制砂
06 C30 335 755 0 0 1120 160 1.95
07 C20 275 397.5 397.5 50 1120 170 1.85
08 C25 305 387.5 387.5 50 1120 165 1.90
09 C30 335 377.5 377.5 50 1120 160 1.95
10 C35 365 367.5 367.5 50 1120 155 2.1
11 C40 395 357.5 357.5 50 1120 150 2.4
12 C45 430 342.5 342.5 50 1120 150 2.5
13 C50 470 325 325 50 1120 150 2.7
表4 C20~C50泵送混凝土50%机制砂取代率试验结果
试验编号
 
设计强度等级 和易性描述 坍落度(mm) 抗压强度(MPa)
3天 7天 28天
06 C30 和易性良好,有轻微泌水 195 14.7 24.4 34.7
07 C20 和易性良好,无泌水,粘聚性好 190 8.5 15.8 22.9
08 C25 和易性良好,无泌水,粘聚性好 180 10.3 18.5 27.1
09 C30 和易性良好,无泌水,粘聚性好 180 12.8 22.0 30.9
10 C35 和易性良好,无泌水,粘聚性好 185 15.6 26.4 34.7
11 C40 和易性良好,无泌水,粘聚性好 195 18.3 30.9 39.6
12 C45 和易性良好,无泌水,粘聚性好 185 23.4 36.5 45.0
13 C50 和易性良好,无泌水,粘聚性好 200 26.7 40.6 47.5
  试验结果表明:
  高石粉含量机制砂取代50%的天然砂时,要使混凝土的工作性能符合要求,需要增大外加剂的掺量,特别是高级别的混凝土。这样一来。混凝土使用机制砂的成本优势就会打折扣,还可能引起其他问题。
  所以,我们下一步是将高石粉含量的机制砂通过0.630mm筛,筛去石粉以及细小的颗粒再进行试验,研究能否降低石粉后外加剂的掺量能降下来,取代率亦为50%的天然砂。
表5 C20~C50泵送混凝土50%过筛后的机制砂取代率试验配比
试验编号
 
设计强度等级 胶凝材料(kg/ m3) 细骨料(kg/ m3) 机制砂取代率(%) 粗骨料(kg/ m3)
(kg/ m3)
减水剂掺量(%)
天然砂 机制砂
14 C30 335 755 0 0 1120 160 1.95
15 C30 335 377.5 377.5 50 1120 160 2.23
16 C35 365 367.5 367.5 50 1120 155 2.20
17 C40 395 357.5 357.5 50 1120 150 2.25
18 C45 430 342.5 342.5 50 1120 150 2.50
19 C50 470 325 325 50 1120 150 2.53
表6 C20~C50泵送混凝土50%过筛后的机制砂取代率试验结果
试验编号
 
设计强度等级 和易性描述 坍落度(mm) 抗压强度(MPa)
3天 7天 28天
14 C30 和易性良好,粘聚性较好 180 22.5 32.5
15 C30 和易性一般 170 21.3 32.6
16 C35 和易性一般 170 24.0 32.9
17 C40 和易性一般 160 30.5 40.4
18 C45 和易性一般 160 30.0 44.8
19 C50 和易性较好,粘聚性较好 185 37.4 52.6
  试验结果表明:
  对高石粉含量机制砂部分取代天然砂配制成的混凝土工作性能影响的因素,高石粉含量因素有一定的影响,但主要是通过改善或者提高减水剂的掺量可以较好地解决混合配制混凝土的工作性能问题。
  接下来,通过对中低级别泵送混凝土以30%及50%取代率取代天然砂,对比相应的工作性能、抗压强度。
表7 中低级别泵送混凝土不同机制砂取代率试验配比
试验编号
 
设计强度等级 胶凝材料(kg/ m3) 细骨料(kg/ m3) 机制砂取代率(%) 粗骨料(kg/ m3)
(kg/ m3)
减水剂掺量(%)
天然砂 机制砂
20 C25 305 775 0 0 1120 165 1.75
21 C20 275 556.5 238.5 30 1120 170 1.95
22 C20 275 397.5 397.5 50 1120 170 2.2
23 C25 305 542.5 232.5 30 1120 165 2.0
24 C25 305 387.5 387.5 50 1120 165 2.0
25 C30 335 528.5 226.5 30 1120 160 2.1
26 C30 335 377.5 377.5 50 1120 160 2.4
 表8 中低级别泵送混凝土不同机制砂取代率试验结果
试验编号
 
设计强度等级 和易性描述 坍落度(mm) 抗压强度(MPa)
3天 7天 28天
20 C25 和易性良好,粘聚性好 185 10.4 14.9 24.3
21 C20 和易性良好,粘聚性好 190 7.7 11.5 19.6
22 C20 和易性较差 140 6.8 10.7 18.5
23 C25 和易性较好 170 9.0 13.8 23.3
24 C25 和易性较差 145 8.9 14.2 23.3
25 C30 和易性较好 175 11.6 18.3 28.6
26 C30 和易性较差 145 11.7 17.2 28.6
  试验结果表明:
  对中低级别泵送混凝土用机制砂取代30%的天然砂砂拌制的混凝土和易性较好,而取代率为50%的混凝土和易性相对较差,即使是提高外加剂的掺量依旧无法根本解决和易性较差的问题。
  以下实验则是尝试使用机制砂以50%及100%的取代率进行拌制普通路面混凝土及低坍落度混凝土。
表9 普通路面混凝土及低坍落度混凝土掺机制砂试验配比
试验编号
 
设计强度等级 胶凝材料(kg/ m3) 细骨料(kg/ m3) 机制砂取代率(%) 粗骨料(kg/ m3)
(kg/ m3)
减水剂掺量(%)
天然砂 机制砂
27 C30 310 750 0 0 1160 150 1.75
28 C30 310 375 375 50 1160 150 1.75
29 C30 310 0 750 100 1160 150 1.75
30 C50 440 325 325 50 1160 140 2.0
31 C50 440 0 650 100 1160 140 2.0
32 C30 300 680 0 0 1240 160 1.35
33 C30 300 340 340 50 1240 160 1.35
34 C30 300 0 680 100 1240 160 1.35
表10 普通路面混凝土及低坍落度混凝土掺机制砂试验结果
试验编号
 
设计强度等级 和易性描述 坍落度(mm) 抗压强度(MPa)
3天 7天 28天
27 C30 和易性良好,粘聚性好 155 12.1 18.9 28.8
28 C30 和易性良好,粘聚性好 120 12.1 18.0 31.2
29 C30 和易性一般 90 12.0 17.1 28.3
30 C50 流动性较一般,粘聚性好 130 25.2 33.5 44.1
31 C50 和易性较差,板结、抓底 80 26.1 33.6 45.0
32 C30 和易性好,粘聚性较差 150 16.2 19.7 27.0
33 C30 和易性好,粘聚性好 130 18.0 21.7 28.1
34 C30 和易性好 110 16.7 20.9 24.8
 2.4 试验结果分析与体会
  (1) 在碎石生产过程中产生的机制砂石粉含量高,颗粒级配差,石粉含量较高只能用于配制小于C30等级的混凝土。如与天然砂按3:7的比例混合配制混凝土,就能很好的配制小于C40等级的泵送混凝土。
  (2) 用30%的高石粉含量的机制砂取代天然砂来配制泵送混凝土,由于石粉的填充作用,其力学性能较纯天然砂稍好。用50%机制砂取代天然砂配制普通路面混凝土以及低坍落度混凝土的效果良好,且无需明显提高外加剂的掺量,经济效益比较明显。
  (3) 利用高石粉含量机制砂取代部分天然砂来配制混凝土,不仅可以节约自然资源,还可以节约成本,有显著地经济效益。
  (4) 结合本公司以及本地区的实际情况,高石粉含量机制砂使用前需要做适当的处理,以更好地保证机制砂的质量稳定性。方法如下:
  一:水洗,在机制砂使用前需要经过一道水洗的程序,去除部分泥和石粉,使得可供使用的机制砂更干净,质量更优,配制的混凝土质量更高、更稳定。
  二:过筛,在机制砂的生产过程中通过1.25mm筛,筛除大部分石粉以及细小颗粒。
  (5) 从试验研究与经验积累,确定混合砂混凝土与纯天然砂混凝土的最优配合比如下表:
 表11  混合砂混凝土与纯天然砂混凝土配合比
序号 强度等级 混凝土种类 混凝土配比(kg/ m3
水泥 矿渣粉 粉煤灰 天然砂 机制砂 瓜米石 1-3石 外加剂掺量
01 C30 普通泵送类 170 60 105 755 0 280 840 160 1.90
02 C30 普通泵送类 170 60 105 528.5 226.5 280 840 160 2.10
03 C20 普通泵送类 130 50 95 795 0 280 840 170 1.80
04 C20 普通泵送类 130 50 95 556.5 238.5 280 840 170 1.95
05 C25 普通泵送类 155 55 100 775 0 280 840 165 1.85
06 C25 普通泵送类 155 55 100 542.5 232.5 280 840 165 2.00
07 C30 低坍落度非泵送类 185 50 75 750 0 150 1010 150 1.75
08 C30 低坍落度非泵送类 185 50 75 375 375 150 1010 150 1.85
09 C30 普通路面类 250 0 60 680 0 0 1230 160 1.35
10 C30 普通路面类 250 0 60 340 340 0 1230 160 1.45
 
成本分析
  虽然泵送混凝土中采用混合砂的外加剂掺量有所提高,但是由于混合砂较纯天然砂要便宜,特别是低坍落度混凝土以及路面混凝土机制砂的取代率更高,外加剂的掺量基本一样,成本优势更加明显。中低级别泵送混凝土可以节约成本3块,普通路面以及低坍落度非泵送混凝土可以节约成本6块多,综合经济效益比较明显。 
表12  混凝土成本分析
混凝土等级 混凝土种类 成本(元/ m3) 差价    (元/ m3)
砂节约的成本 减水剂增加的成本
C30 普通泵送类 (226.5×20)/1000=4.53 335×2×0.2%=1.34 3.19
C20 普通泵送类 (238.5×20)/1000=4.77 275×2×0.15%=0.83 3.94
C25 普通泵送类 (232.5×20)/1000=4.65 305×2×0.15%=0.92 3.73
C30 低坍落度非泵送类 (375×20)/1000=7.5 310×2×0.1%=0.62 6.88
C30
 
普通路面类 (340×20)/1000=6.8 310×2×0.1%=0.62 6.18
  上表中按照机制砂与纯天然砂的每立方差价为30元/吨计算;大约每吨差价为20元/吨计算。萘系减水剂—2000元/吨。
 
4 结语
  (1) 在碎石生产过程中产生的机制砂石粉含量高,颗粒级配差。如与天然砂按3:7的比例混合配制混凝土,就能很好的配制小于C40等级的泵送混凝土。
  (2) 如与天然砂按1:1的比例混合配制配制普通路面混凝土以及低坍落度混凝土的效果良好,且无需明显提高外加剂的掺量,经济效益比较明显。
  (3) 利用高石粉含量机制砂取代部分天然砂来配制混凝土,不仅可以节约自然资源,还可以节约成本,有显著地经济效益。
  (4) 结合本公司以及本地区的实际情况,高石粉含量机制砂使用前需要做适当的处理,以更好地保证机制砂的质量稳定性。方法如下:
  一:水洗,在机制砂使用前需要经过一道水洗的程序,去除部分泥和石粉,使得可供使用的机制砂更干净,质量更优,配制的混凝土质量更高、更稳定。
  二:过筛,在机制砂的生产过程中通过0.630mm筛,筛除大部分石粉以及细小颗粒。
参考文献:
[1] 蒋林华.混凝土材料学.河海大学出版社,2006
[2] 何兆芳.尾矿在预拌混凝土中应用的实验研究.商品混凝土2009(6):42-46
作者:郑春湖  
信息来源:混凝土视频网
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