機(jī)制砂混凝土生產(chǎn)配比調(diào)整的方法研究
機(jī)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(lái)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(zhǎng)。砂石骨料作為一種地方性材料，它具有不可再生及不宜長(zhǎng)途運(yùn)輸?shù)忍攸c(diǎn)。當(dāng)前我國(guó)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(jī)制砂在混凝土應(yīng)用中越來(lái)越普遍，隨之而來(lái)的是在機(jī)制砂的檢測(cè)和應(yīng)用中出現(xiàn)的一些問(wèn)題。在機(jī)制砂的生產(chǎn)過(guò)程中大約會(huì)產(chǎn)生10%～15%的石粉。由于對(duì)機(jī)制砂混凝土缺乏系統(tǒng)性的理論和試驗(yàn)研究，缺少科學(xué)的認(rèn)知，人們難以接受機(jī)制砂石粉，害怕石粉的使用帶來(lái)混凝土質(zhì)量的波動(dòng)。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(duì)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(guò)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(jī)制砂較粗，需要摻用天然砂，機(jī)制砂使用率低，機(jī)制砂沖洗后，含水量波動(dòng)較大，對(duì)混凝土質(zhì)量控制不利；對(duì)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(lái)石粉的處理是一個(gè)困擾制砂廠家的難題。機(jī)制砂石粉應(yīng)用的最大難題是機(jī)制砂中石粉含量的不穩(wěn)定，而石粉含量對(duì)于混凝土質(zhì)量影響較大。石粉含量過(guò)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(jī)制砂，本文提出一種利用機(jī)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(zhǔn)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(guò)程中，減少了混凝土質(zhì)量波動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，確保了混凝土質(zhì)量穩(wěn)定，充分利用了機(jī)制砂中的石粉以及制砂系統(tǒng)的廢棄石粉。
（1）機(jī)制砂。選取眉山地區(qū)生產(chǎn)的機(jī)制砂，顆粒級(jí)配見(jiàn)表1。首先將機(jī)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(jī)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(jí)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)稠度27.2%，初凝時(shí)間224min、終凝時(shí)間305min，3d抗折強(qiáng)度6.40MPa，抗壓強(qiáng)度33.7MPa；28d抗折強(qiáng)度8.6MPa，抗壓強(qiáng)度57.8MPa，各項(xiàng)指標(biāo)均符合GB175—2007標(biāo)準(zhǔn)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(jí)粉煤灰，細(xì)度20.4%，需水量比101%，其余指標(biāo)符合GB/T1596—2005標(biāo)準(zhǔn)中F類Ⅱ級(jí)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(jì)規(guī)程》（JGJ55—2011），試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30，塌落度要求為180±20mm。試驗(yàn)配合比見(jiàn)表2。根據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法》（GB/T50080）和《普通混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法》（GB/T50082）對(duì)不同石粉含量的混凝土拌合物檢測(cè)包括流動(dòng)性、粘聚性等工作性能，目測(cè)攪拌后的新拌混凝土離析和保水情況，在溫度為20±2℃相對(duì)濕度95%標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，養(yǎng)護(hù)之規(guī)定齡期后檢測(cè)混凝土硬化后的7d和28d抗壓強(qiáng)度?；炷量箟涸噳K規(guī)格為150mm×150mm×150mm的立方體。根據(jù)表2的試驗(yàn)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(jī)制砂配制混凝土，對(duì)比分析不同石粉含量的機(jī)制砂對(duì)混凝土工作性能以及力學(xué)性能的影響，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。
從表3中可以看出在機(jī)制砂石粉含量不超過(guò)15%時(shí)，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?yàn)樾掳杌炷林袚郊拥氖坜D(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(dòng)，受其表面摩擦力的制約，漿體包裹在骨料表面形成潤(rùn)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(dòng)性，適量的漿體量可以明顯改善流動(dòng)性，但是過(guò)多的漿體并不會(huì)繼續(xù)增加流動(dòng)性，相反骨料流動(dòng)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(jī)制砂石粉摻量超過(guò)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(guò)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(xì)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(duì)石粉的可浸潤(rùn)性，一定量的水必然浸潤(rùn)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(kuò)展度，但是石粉對(duì)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(huì)顯著降低混凝土的流動(dòng)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(qiáng)度提高9.1MPa，而28d抗壓強(qiáng)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(xì)的石粉需要相當(dāng)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(qiáng)度提高明顯。本實(shí)驗(yàn)僅對(duì)標(biāo)號(hào)為C30的混凝土，有研究顯示石粉對(duì)C30混凝土的水壓抗?jié)B性和氯離子抗?jié)B性有較大貢獻(xiàn)，在石粉摻量低于15%時(shí)，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(duì)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(jí)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(biāo)號(hào)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(jī)制砂、石粉（機(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)制砂石粉含量對(duì)混凝土性能的影響，確定合理的機(jī)制砂石粉含量，從而確定混凝土基準(zhǔn)配合比。以本試驗(yàn)為例，根據(jù)機(jī)制砂、碎石、收塵石粉級(jí)配檢測(cè)結(jié)果，計(jì)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(gè)配合比，我們將之稱為基準(zhǔn)配合比，而按照機(jī)制砂、碎石、收塵石粉用量的配合比稱之為生產(chǎn)配合比?；鶞?zhǔn)配合比與生產(chǎn)配合比之間的差異在于，基準(zhǔn)配合比將機(jī)制砂、收塵石粉、碎石中小于0.075mm顆粒計(jì)為石粉，機(jī)制砂、碎石中0.075～4.75mm顆粒計(jì)為砂，機(jī)制砂、碎石中大于4.75mm顆粒計(jì)為石。也就說(shuō)按照重新定義后的砂石定義，從試驗(yàn)編號(hào)5的生產(chǎn)配合比轉(zhuǎn)化為基準(zhǔn)配合比，其結(jié)果見(jiàn)表4。
根據(jù)已確定的基準(zhǔn)配合比，結(jié)合實(shí)際機(jī)制砂、碎石、收塵石粉的質(zhì)量波動(dòng)情況，尤其是機(jī)制砂中石粉含量的波動(dòng)以及收塵石粉細(xì)度的檢測(cè)結(jié)果和碎石的含粉量，調(diào)整三者的用量，以保證基準(zhǔn)配合比不變，從而保障混凝土質(zhì)量穩(wěn)定。試驗(yàn)中主要考慮機(jī)制砂中石粉含量低于15%時(shí)，通過(guò)加入收塵石粉，保證混凝土中石粉的含量恒定，實(shí)際上假定機(jī)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(jī)制砂含量為X4，收塵石粉中石粉含量量為X5，機(jī)制砂含量為X6，機(jī)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(dāng)于解下列線性方程組或者矩陣，求解Z1、Z2、Z3的值。
例如當(dāng)機(jī)制砂、碎石、收塵石粉的檢測(cè)結(jié)果如表5所示時(shí)，通過(guò)調(diào)整機(jī)制砂、碎石、收塵石粉三者的摻量可使生產(chǎn)檢測(cè)的實(shí)際石粉含量與同表4所示基準(zhǔn)配合比一致，具體調(diào)整如表6所示。
也就是說(shuō)實(shí)際生產(chǎn)中無(wú)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(jìn)行求解。對(duì)于部分物料劇烈波動(dòng)時(shí)可能出現(xiàn)方程組無(wú)解的情況，這時(shí)優(yōu)先保證石粉含量滿足基準(zhǔn)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(jī)制砂，機(jī)制砂中帶有石粉，石粉中含有機(jī)制砂這種普遍存在問(wèn)題材料的有效果措施。
混凝土的實(shí)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(jī)制砂制備系統(tǒng)中石粉的處理和利用又比較困難，通過(guò)調(diào)整三者的用量，以保證基準(zhǔn)配合比不變，來(lái)保證混凝土質(zhì)量穩(wěn)定，從表6中可以看出機(jī)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(jī)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(huì)補(bǔ)充部分細(xì)骨料，但是總體上看細(xì)粉含量較以前有所增加，細(xì)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(biāo)志。根據(jù)確定的基準(zhǔn)配合比和實(shí)際機(jī)制砂、碎石和收塵石粉的質(zhì)量波動(dòng)情況，通過(guò)利用干混砂漿制砂系統(tǒng)制砂廢棄石粉摻入混凝土中來(lái)保證機(jī)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(duì)混凝土中的石粉總量進(jìn)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(shí)際情況以及機(jī)制砂生產(chǎn)中石粉的處理現(xiàn)況，是混凝土對(duì)天然資源充分利用的可靠保證。然而由于在調(diào)整時(shí)需要依據(jù)機(jī)制砂、碎石和收塵石粉三種材料的細(xì)度檢測(cè)結(jié)果，因此需要不斷檢測(cè)三種物料的組成，這顯然是在實(shí)際生產(chǎn)中無(wú)法做到的。考慮到碎石和收塵石粉（以下簡(jiǎn)稱收塵灰）組成的相對(duì)穩(wěn)定性相對(duì)較高，建議可以規(guī)定碎石與收塵灰每8h檢測(cè)一次小于0.075mm的顆粒含量和0.075～4.75mm的顆粒含量，檢測(cè)時(shí)使用0.075mm和4.75mm兩個(gè)套篩可以同時(shí)得到兩個(gè)數(shù)據(jù)，以增強(qiáng)檢測(cè)結(jié)果的及時(shí)性?？紤]到機(jī)制砂質(zhì)量波動(dòng)較大，建議可以每小時(shí)檢測(cè)機(jī)制砂內(nèi)含有石粉、砂和石的含量，篩分是檢測(cè)干燥粒狀材料顆粒級(jí)配的主要方法，但是篩分的時(shí)間與及時(shí)性可能無(wú)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(shí)，建立自然休止角與石粉含量的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線，通過(guò)在線檢測(cè)自然休止角而得到石粉含量，滿足混凝土生產(chǎn)的及時(shí)性，同時(shí)企業(yè)也可以研究其他快速檢測(cè)顆粒物料粉體含量的有效方法，為混凝土中的細(xì)粉顆粒含量控制打下基礎(chǔ)。（1）混凝土中機(jī)制砂石粉含量在15%時(shí)，可得到和易性良好的混凝土拌合物，同時(shí)混凝土強(qiáng)度較高。（2）通過(guò)求解多元一次線性方程組或者矩陣可以得到機(jī)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(jī)制砂的混凝土，機(jī)制砂石粉含量越高，機(jī)制砂摻量越低，但是機(jī)制砂摻量與石粉之間不是線性比例關(guān)系。（4）機(jī)制砂與天然砂相比混凝土中細(xì)粉含量總體上趨于上升，并且機(jī)制砂中石粉含量越低，總細(xì)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(jī)制砂混凝土的工作性，并且混凝土強(qiáng)度越低改善效果越明顯，但是石粉摻量隨著混凝土標(biāo)號(hào)的升高而降低。
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