机制砂混凝土生产配比调整的方法研究
机制砂混凝土生产配比调整的方法研究
混凝土作为一种重要的建筑材料，发展到现在已有一百多年的历史，是目前全世界用量最大、用途最广的建筑工程材料之一。砂石骨料作为混凝土主要的组成材料，占混凝土质量的70%～80%，近年来随着房地产和基础设施的快速发展，砂石骨料的用量快速增长。砂石骨料作为一种地方性材料，它具有不可再生及不宜长途运输等特点。当前我国不少地区出现天然砂资源减少，甚至枯竭的情况，混凝土用砂供需矛盾突出，机制砂在混凝土应用中越来越普遍，随之而来的是在机制砂的检测和应用中出现的一些问题。在机制砂的生产过程中大约会产生10%～15%的石粉。由于对机制砂混凝土缺乏系统性的理论和试验研究，缺少科学的认知，人们难以接受机制砂石粉，害怕石粉的使用带来混凝土质量的波动。大多数情况下这部分石粉是废弃不用的，或者利用率较低。
对于河道采集卵石破碎制砂的生产系统，大多数为湿法生产工艺，通常采用河水冲洗的方式剔除破碎过程中产生的部分石粉，这样不仅造成环境污染，而且由于冲洗后机制砂较粗，需要掺用天然砂，机制砂使用率低，机制砂冲洗后，含水量波动较大，对混凝土质量控制不利；对于矿山破碎碎石制砂的生产系统，大多数采用干法生产工艺，多利用收尘设备收集石粉，但是收集下来石粉的处理是一个困扰制砂厂家的难题。机制砂石粉应用的最大难题是机制砂中石粉含量的不稳定，而石粉含量对于混凝土质量影响较大。石粉含量过多，混凝土稠度大，不利于施工；石粉含量较低，混凝土和易性差。为了保证混凝土中石粉含量稳定，更好的利用机制砂，本文提出一种利用机制砂石粉、收尘石粉双掺的质量控制方法，提出了混凝土基准配合比的理念，保证混凝土配合比高度一致。该方法在混凝土生产过程中，减少了混凝土质量波动风险，确保了混凝土质量稳定，充分利用了机制砂中的石粉以及制砂系统的废弃石粉。
（1）机制砂。选取眉山地区生产的机制砂，颗粒级配见表1。首先将机制砂中的石粉筛除，然后重新按照3%、6%、9%、12%、15%的比例将石粉掺入到筛除石粉的机制砂中，配制不同石粉含量的备用砂。
（2）碎石。粗骨料采用5～31.5mm连续级配碎石，表观密度为2720kg/m3，含泥量为0.3%，其中0.075～4.75mm颗粒含量为2.4%，0.075mm以下颗粒含量为0.8%。
（3）收尘石粉。收尘石粉为四川鑫统领混凝土有限公司机制砂生产系统的收尘废弃物，为0.3mm以下岩石颗粒。其中0.075mm以下颗粒含量为58%，0.075～0.3mm之间的颗粒含量为42%。（4）水泥。采用四川峨胜水泥股份有限公司的P·O.42.5R普通硅酸盐水泥，标准稠度27.2%，初凝时间224min、终凝时间305min，3d抗折强度6.40MPa，抗压强度33.7MPa；28d抗折强度8.6MPa，抗压强度57.8MPa，各项指标均符合GB175—2007标准要求。（5）粉煤灰。粉煤灰采用四川省眉山市华庆建材科技有限公司生产的F类Ⅱ级粉煤灰，细度20.4%，需水量比101%，其余指标符合GB/T1596—2005标准中F类Ⅱ级粉煤灰技术要求。（6）外加剂。外加剂采用四川鑫统领建材科技有限公司生产的PC100型高性能减水剂。根据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55—2011），试验配合比设计强度等级为C30，塌落度要求为180±20mm。试验配合比见表2。根据《普通混凝土拌合物性能试验方法》（GB/T50080）和《普通混凝土物理力学性能试验方法》（GB/T50082）对不同石粉含量的混凝土拌合物检测包括流动性、粘聚性等工作性能，目测搅拌后的新拌混凝土离析和保水情况，在温度为20±2℃相对湿度95%标准养护条件下，养护之规定龄期后检测混凝土硬化后的7d和28d抗压强度。混凝土抗压试块规格为150mm×150mm×150mm的立方体。根据表2的试验配比，固定用水量、水泥用量、粗骨料、外加剂等原材料掺量不变的情况下分别使用不同石粉含量的备用机制砂配制混凝土，对比分析不同石粉含量的机制砂对混凝土工作性能以及力学性能的影响，检测结果见表3。
从表3中可以看出在机制砂石粉含量不超过15%时，随着石粉含量的增大，混凝土拌合物的塌落度逐步增加，3%掺量的混凝土比15%掺量的混凝土塌落度小40mm，离析泌水现象减少，和易性得以改善，这是因为新拌混凝土中掺加的石粉转化为浆体，总的浆体数量增加，粗糙骨料之间的相互移动，受其表面摩擦力的制约，浆体包裹在骨料表面形成润滑膜降低了颗粒之间的摩擦阻力，从而增加新拌混凝土的流动性，适量的浆体量可以明显改善流动性，但是过多的浆体并不会继续增加流动性，相反骨料流动的主要矛盾由骨料表面转变为石粉水泥浆体的塑性粘度，这也是机制砂石粉掺量超过15%后混凝土变得粘稠的原因。
石粉表面积较大，如图1所示，筛除0.075mm以上颗粒的收尘石粉的激光粒度分析结果，从图中可以看出颗粒主要集中在10～20μm，超过45μm的颗粒很少，普通水泥45μm的颗粒含量一般在8%左右，这比一般水泥的细度更小，比表面积也几乎是普通水泥的3倍，因此石粉的需水比较大。掺入适量的石粉后由于水对石粉的可浸润性，一定量的水必然浸润石粉颗粒表面。固定用水量的条件下，自由水由于石粉表面的占用而减少，混凝土离析泌水性减少，粘聚性增加，尽管有研究显示，石粉不如粉煤灰拥有滚珠效应而改善混凝土扩展度，但是石粉对混凝土外加剂的吸附也低于粉煤灰，因此适量的石粉掺量并不会显著降低混凝土的流动性。
根据表3硬化后的混凝土性能可以看出，混凝土7d抗压强度提高9.1MPa，而28d抗压强度提高11MPa。尽管石粉不能与水发生化学反应生成水化产物，但是随着石粉含量的提高，一方面石粉的表面需要水膜覆盖，较细的石粉需要相当数量的水转变为浆体，固定用水量不变，石粉表面占用的水分减少了与水泥发生化学反应的水量，从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，因此混凝土强度提高明显。本实验仅对标号为C30的混凝土，有研究显示石粉对C30混凝土的水压抗渗性和氯离子抗渗性有较大贡献，在石粉掺量低于15%时，随着石粉掺量增加，水压渗透性和氯离子渗透性降低，但是对C60混凝土表现不明显，而C80混凝土则表现为渗透性升高。原因是高等级混凝土胶凝材料用量较大，而骨架形成的空隙率数量较少，石粉的掺加反而容易形成空隙而不是填充原有空隙，因此不同标号的混凝土最大可掺入石粉的质量是不同的。混凝土中碎石、机制砂、石粉（机制砂石粉和收尘石粉）均是由天然岩石、卵石或矿山废石经机械破碎、筛分制成的岩石颗粒，三者原料相同，其区别主要在于粒径范围的不同，为此我们进一步规范三者的定义，将4.75mm以上的岩石颗粒定义为石，0.075～4.75mm的颗粒定义为砂，0.075mm以下的颗粒定义为石粉。结合预拌混凝土企业泵送C30混凝土的生产配合比，分析机制砂石粉含量对混凝土性能的影响，确定合理的机制砂石粉含量，从而确定混凝土基准配合比。以本试验为例，根据机制砂、碎石、收尘石粉级配检测结果，计算重新定义后的砂、石、石粉的单方用量，确定其混凝土配合比，为了区分两个配合比，我们将之称为基准配合比，而按照机制砂、碎石、收尘石粉用量的配合比称之为生产配合比。基准配合比与生产配合比之间的差异在于，基准配合比将机制砂、收尘石粉、碎石中小于0.075mm颗粒计为石粉，机制砂、碎石中0.075～4.75mm颗粒计为砂，机制砂、碎石中大于4.75mm颗粒计为石。也就说按照重新定义后的砂石定义，从试验编号5的生产配合比转化为基准配合比，其结果见表4。
根据已确定的基准配合比，结合实际机制砂、碎石、收尘石粉的质量波动情况，尤其是机制砂中石粉含量的波动以及收尘石粉细度的检测结果和碎石的含粉量，调整三者的用量，以保证基准配合比不变，从而保障混凝土质量稳定。试验中主要考虑机制砂中石粉含量低于15%时，通过加入收尘石粉，保证混凝土中石粉的含量恒定，实际上假定机制砂中石粉含量为X1，碎石含量为X2，碎石中石粉含量为X3，机制砂含量为X4，收尘石粉中石粉含量量为X5，机制砂含量为X6，机制砂、碎石、收尘石粉的掺量分别为Z1，Z2和Z3，生产配合比的调整则相当于解下列线性方程组或者矩阵，求解Z1、Z2、Z3的值。
例如当机制砂、碎石、收尘石粉的检测结果如表5所示时，通过调整机制砂、碎石、收尘石粉三者的掺量可使生产检测的实际石粉含量与同表4所示基准配合比一致，具体调整如表6所示。
也就是说实际生产中无论三者物料的石粉含量如何变化都可以转化为一元线性方程组的形式，然后进行求解。对于部分物料剧烈波动时可能出现方程组无解的情况，这时优先保证石粉含量满足基准配合比的要求。该生产配比调整方法整体上考虑了砂、石和粉体材料，并且均假定三者并非纯粹的含有某些粒径范围内的物料，是较好解决碎石中带有机制砂，机制砂中带有石粉，石粉中含有机制砂这种普遍存在问题材料的有效果措施。
混凝土的实际生产中超径和逊径经常发生，多数科研技术人员或者忽视其重要性或者不知其利害，而机制砂制备系统中石粉的处理和利用又比较困难，通过调整三者的用量，以保证基准配合比不变，来保证混凝土质量稳定，从表6中可以看出机制砂掺量随着其石粉含量的升高而降低，但两者间并非成线性比例关系，原因是除了机制砂自身含有石粉外，碎石中同样含有石粉，只是含量较低，同样收尘石粉中也会补充部分细骨料，但是总体上看细粉含量较以前有所增加，细骨料含量在降低，混凝土拌合物趋向于向高粘度方向。这也正是现代混凝土的标志。根据确定的基准配合比和实际机制砂、碎石和收尘石粉的质量波动情况，通过利用干混砂浆制砂系统制砂废弃石粉掺入混凝土中来保证机制砂石粉含量的稳定。由于不同含量石粉的混凝土工作性能和力学性能差异较大，必须对混凝土中的石粉总量进行控制。生产配合比调整方法充分考虑了物料内部含有不同粒径颗粒的实际情况以及机制砂生产中石粉的处理现况，是混凝土对天然资源充分利用的可靠保证。然而由于在调整时需要依据机制砂、碎石和收尘石粉三种材料的细度检测结果，因此需要不断检测三种物料的组成，这显然是在实际生产中无法做到的。考虑到碎石和收尘石粉（以下简称收尘灰）组成的相对稳定性相对较高，建议可以规定碎石与收尘灰每8h检测一次小于0.075mm的颗粒含量和0.075～4.75mm的颗粒含量，检测时使用0.075mm和4.75mm两个套筛可以同时得到两个数据，以增强检测结果的及时性。考虑到机制砂质量波动较大，建议可以每小时检测机制砂内含有石粉、砂和石的含量，筛分是检测干燥粒状材料颗粒级配的主要方法，但是筛分的时间与及时性可能无法满足在线监控的要求。颗粒中粉含量的多少与物料的自然休止角关系密切，建议固定水分或者水分变化不大时，建立自然休止角与石粉含量的对应关系曲线，通过在线检测自然休止角而得到石粉含量，满足混凝土生产的及时性，同时企业也可以研究其他快速检测颗粒物料粉体含量的有效方法，为混凝土中的细粉颗粒含量控制打下基础。（1）混凝土中机制砂石粉含量在15%时，可得到和易性良好的混凝土拌合物，同时混凝土强度较高。（2）通过求解多元一次线性方程组或者矩阵可以得到机制砂、碎石、收尘石粉三种物料的掺量，并且充分考虑了物料筛分中的超径和逊径。（3）使用机制砂的混凝土，机制砂石粉含量越高，机制砂掺量越低，但是机制砂掺量与石粉之间不是线性比例关系。（4）机制砂与天然砂相比混凝土中细粉含量总体上趋于上升，并且机制砂中石粉含量越低，总细粉量越高，混凝土拌合物粘度越高。（5）收尘灰的使用改善了机制砂混凝土的工作性，并且混凝土强度越低改善效果越明显，但是石粉掺量随着混凝土标号的升高而降低。
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