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机制砂的现状、发展趋势与技术要求!
发布日期:2019-07-30   点击量:176   标签:学术交流  
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作者:宋笑,北京砼享未来工程技术研究院核心专家,教授级高工。从事混凝土行业技术工作30余年,历任中建五局三新科技开发公司、长沙中煌混凝土有限公司、南方新材料科技有限公司等大型混凝土企业管理和技术等重要岗位负责人,有丰富的混凝土企业管理和实践经验。


本文就天然砂石资源缺乏和全面禁采,给机制砂的发展带来了机遇和发展前景进行了阐述,同时提出了因对机制砂的产品质量认识不足,将给工程带来严重质量隐患。从机制砂的定义、物理、工艺、化学等技术要求,提出机制砂的本质技术要求。



1 现状

2017 年环保督查整顿之前,得益于湘资沅澧及洞庭湖“四水一湖”水系,湖南省大部分地区,如长株潭、衡阳、益阳、岳阳、常德等地市基本上依赖天然砂石资源进行基本建设,人工制造砂石行业很薄弱。


1.1 现状大致如下:

1.1.1 至2017 年上半年,长株潭区域机制砂使用量占总用砂量不足10%,从2017 年下半年天然砂石全面禁采,机制砂石得到极速推广使用,至2018 年年中,长株潭机制砂的使用量占总用砂量的80%以上。


1.1.2 从天然砂转机制砂,目前还处于青黄不接阶段。在天然砂石“禁采”和机制砂石“量产”之间存在一个断档,这个断档的时间段可能1-2 年,也可能3-5 年。


1.1.3 质量参差不齐,多数产品不合格。在这个断档期间的机制砂,大多不是正规制砂机生产出来的产品,而是将石子稍微细碎筛分得到的砂状颗粒混合物(其中5—10mm 粒径占比高达30%),有些甚至就是加工碎石后的副产品——石屑粉,姑且称之为“畸形机制砂”。这种畸形机制砂其颗粒分布呈“两头多中间少”、级配断档、片型颗粒形状多、石粉多,配制的混凝土和易性差、可泵性差、坍落度损失快、容易堵管、混凝土容易开裂、混凝土匀质性差等,引起用惯了天然砂的广大混凝土技术人员的反感。


1.1.4 价格看涨。天然砂石禁采,大量矿山关停,在产矿山上规模制砂生产线的不多,导致货源紧张价格疯涨。


1.1.5 绿色砂石矿山建设处于起步阶段。


1.2 造成这种现状的原因大致有以下几点:

1.2.1 湖南省大多数的砂石矿山企业都是小规模企业,手中矿石资源储量有限,采矿权证的有效期限大多只有3 年,大家都在观望政府关于绿色矿山建设的政策和验收标准的出台,担心投资过后,矿山被关停,投资打水漂。


1.2.2 政府核发的权证期限过短,一般只有1-3 年,开采储量过少,矿山企业没法进行规模投资,没法进行绿色环保长期规划,先进装备优良工艺没法落到实处,合理的制砂工序应根据母岩的岩性及解理面等特征,至少经过除土、粗碎、细碎、超细碎、整形、筛分、加湿、除尘等工序,而目前大多只是采用简单的破碎、筛分等工序就上马生产,产品大多为两头多中间少、级配断档、不规则颗粒多的畸形机制砂。而且生产环境和使用环境脏乱差,矿山制砂场地(车间)和搅拌站堆场尘土飞扬(干法生产)、污水横流(湿法生产)。


1.2.3 使用方迫于货源紧张和成本压力等影响,接受次品机制砂进行混凝土生产,导致次品机制砂也有很大市场。


2 机制砂的定义

2.1 《建设用砂》(GB/T14684)定义:经除土处理,由机械破碎、筛分制成的,粒径小于4.75mm 的岩石、矿山尾矿或工业废渣颗粒,但不包括软质、风化的颗粒,俗称人工砂。


2.2 《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》(JGJ52)定义(人工砂):岩石经除土开采、机械破碎、筛分而成的,公称粒径小于5.00mm 的岩石颗粒。


2.3 新定义(湖南省地标《预拌混凝土用机制砂》):经除土、冲击整形细碎、冲击超细碎、分级、粉控、绿色生产等联合工艺制成的,粒径小于4.75mm,达到中砂级配品质要求,含水率控制在5%以内的天然未风化、化学性能相对稳定、达到一定力学性能指标的岩石颗粒。可俗称人工砂、碎砂。两大标准对机制砂的定义比较宽泛,容易导致这种畸形机制砂混入机制砂产品行列,给机制砂的发展带来影响。新的定义从工艺、品质等方面进行了规定,更全面、更科学。


3 杂烩砂

3.1 杂烩砂的定义

自2017 年下半年河砂禁采以来,湖南砂石市场价格疯涨,经常有价无货,且质量残差不齐。鉴于目前混乱的砂品种市场,为便于阐述,先给出2 个定义:混合砂与杂烩砂。


由天然砂与人工砂按一定比例混合而成的砂叫混合砂(JGJ52 定义)。

由2 种及2 种以上具有砂颗粒形状的物质混合而成的砂叫杂烩砂(自定义)。


3.2 杂烩砂的由来

在当前天然砂石奇缺价高,正品机制砂石青黄不接的情况下,在缺砂区域(如长株潭等),大多数搅拌站在以“杂烩砂”的形式进行混凝土生产,而“杂烩砂”的组成则相当混乱,通常由能够采购到的各种形态的砂状物以注重节约成本的形式杂烩组成,通过这种大杂烩,混凝土成本仅砂这一项就可节约大量成本,有混凝土企业通过“杂烩砂”将混凝土成本最多降幅达到40 元/m3,因此“杂烩砂”的市场动力很大。


3.3“杂烩砂”的砂种包括:

①机制砂、②少量河砂(一般用于高等级混凝土)、③石屑粉(生产碎石副产品,颗粒分布呈两头多中间少,断档级配,片状颗粒多)、④江砂(特细砂,细度模数最低0.5)、⑤水洗山砂、⑥海砂(大多没有经过淡化处理,有人在河砂中掺入20-30%混合后偷偷出卖)、⑦风化砂(包括风化山砂和泥质板岩制砂等,坚固性很差,手搓即碎,需水量大、吸附性大)、⑧泥砂(含泥量高达20%)等,质量堪忧。


3.4 杂烩砂的危害

尤其严重的是搅拌站一般以多种砂杂烩使用,但受搅拌站砂石料斗数量的限制(一般4 个/生产线),“杂烩砂”没法分别计量,搅拌站也没有专门设备和场地将“杂烩砂”按固定比例混合均匀后再投料,给混凝土的匀质性带来先天缺陷。而未经淡化处理的海砂、风化砂和泥砂就是埋在混凝土中的定时炸弹。去年以来,在本省因使用风化山砂、泥砂和石屑粉导致混凝土实体强度严重低于设计强度等级,及混凝土大面积开裂的事故就时有发生,混凝土短命事件预计经年后也会不断出现。


最近有不少工地反映:C50 和C60 混凝土回弹值基本能高一个强度等级,而芯样强度却比设计低好几个等级,为什么?这是因为混凝土表面浆体丰富,现在工地大多用铝模,混凝土表面光滑、致密,加之碳化较快,所以混凝土表面硬度高,回弹值高。但若使用了坚固性差的风化砂,虽然浆体强度高,但骨架承受力不足,所以芯样强度就上不来。


砂石是混凝土的骨架,不合格的砂石将给混凝土的质量带来严重的安全隐患,这应引起行业和主管部门的高度重视。


4 机制砂的三大属性:物理属性、工艺属性、化学属性


4.1 物理属性:包括所有常规物理性能指标,重点注意以下几个指标:


4.1.1 机制砂的含泥量和石粉含量

国标和行标对天然砂规定含泥量,对机制砂的含泥量规定为石粉含量。而石粉里面既有与母岩同质的粉体,也有外带进来的泥土。由于人们习惯将小于0.15mm(筛底以下)的成分称为石粉,而标准中“石粉含量”是指小于0.075mm以下的成分,两者相差一个数量级,口述中的石粉含量也往往高得离谱,因此建议将“石粉含量”改为“微石粉含量”更准确。


①机制砂中的含泥量应该由两部分组成:

A、外带的泥土,属于外含泥;

B、母岩中的粘土矿物组成部分,属于内含泥。如蒙脱石、伊利石、高岭石等,这些都是由岩石长期风化而形成的粘土矿物,具有吸附性强、保水性高等特点。这些粘土矿物组成直接影响外加剂的适应性、混凝土用水量、拌合物的越搅越稠、坍落度的经时损失等。


②(微)石粉含量

国标和行标对石粉含量的限制值控制很低,两个标准规定的限值不一致,与生产应用中石粉含量的实际情况也相差很大。若按标准限值来控制,则大多数机制砂要么只能采用湿法生产,通过水洗才能达到石粉限值要求;要么加大干法生产的风选功率,将大部分石粉选出来另做他用。如果这样,既对环境保护不利,加大能耗,对资源也是一种浪费。其实,绝大多数石粉非泥,是泵送混凝土、自密实混凝土及贫混凝土的稠度调节剂,在混凝土中可以起到很好的填充作用,与胶凝材料粉体具有一定的叠加效应,使用得当可以降低部分胶凝材料用量。


4.1.2 需水量比

亚甲蓝试验对钙质石粉敏感,硅质石粉不敏感,且试验的复演性差,人为判断因素多,误差大。因此,在亚甲蓝试验基础上增加一个需水量比试验更准确。


按照GB/T2419 测定胶砂流动度,以两者流动度达到130-140mm 的用水量之比确定需水量比(W1/W0),需水量比不大于110%。需水量比试验见表4.1.2。



4.1.3 机制砂的吸水性

机制砂由于经过机械破碎,颗粒中留有裂缝和孔隙,以及母岩中的粘土矿物和干法制砂形成的石粉等,对水都具有一定的吸附性,因此,有必要测定其吸水率,在配合比设计时采用饱和面干含水率更合适,可以避免混凝土拌合物越搅越稠以及流动性损失过快等问题。


4.1.4 机制砂与外加剂的适应性(流动度差使用)

按照GB/T2419 测定胶砂流动度,以相同用水量时两者流动度达到之差(L2—L1)来表示,(L2—L1)≥—20mm。流动度差试验见表4.1.4。



4.1.5 机制砂的坚固性

机制砂的坚固性要求比天然砂显得更为重要。因为天然砂是经过许多年大浪淘沙留下来的精华,坚固性一般不会出现大的问题。而加工机制砂的母材品种众多,如:母岩中有风化成分、岩石中可能含较多的粘土矿物、尾矿、固体废料、建筑垃圾等,因此,有些机制砂的坚固性指标是不能满足要求的,在对全省机制砂的走访调查中发现多起机制砂坚固性不合格,用手就可以轻易搓碎,而用户却没有足够重视,导致混凝土出现质量事故的事件。而机制砂的坚固性指标直接关系到混凝土的力学性能和耐久性能。


4.1.6 复合细度模数

同一个细度模数的砂样,其级配曲线可能完全不一样,理想的砂各粒径区间含量分布投影图呈橄榄型,即“中间多两头少”。这样容易填充密实,孔隙率小。细度模数概念太宽泛,不能准确表达级配状态,所以,如果还要套用老的累计筛余级配曲线及细度模数的话,建议采用复合细度模数指标更合理。


复合细度模数定义:在国标细度模数基础上,增加2.36mm 以上和0.15mm以下的含量指标限值,分三个等级,表示方法:μf(+2.36,-0.15),μf 细度模数,取值2.3-3.7。如:2.8(12,6),表示细度模数2.8,其中2.36mm 以上颗粒含量低于12%,0.15mm 以下颗粒含量低于6%。通过对两头颗粒含量值的限定,避免了两头多中间少的畸形级配机制砂的出现。根据复合细度模数可以分三个等级:Ⅰ级2.8(12,6);Ⅱ级2.8(18,8);Ⅲ级2.8(22,10)。


4.1.7 母岩的放射性

母岩的放射性指标须在Ⅴ级极低危险源以内。


4.2 工艺属性:

4.2.1 采用变频破碎和筛分分级技术,可以得到任意级配曲线的机制砂;


4.2.2 不同岩石有不同的解理面,同种岩石采用不同破碎方式的针片状含量不同;


4.2.3 破碎界四大难题:

A、石料做扁易做圆难;

B、2.5—10mm 的骨料很难破碎做细(超细碎),俗称“钻石王老五”;

C、级配曲线的长期稳定;

D、筛分技术。


4.3 化学属性:

4.3.1 碱集料反应;


4.3.2 外加剂适应性;


4.3.3 母岩成分(如内含的蒙脱石、伊利石、高岭石等)对混凝土工作性、力学性、耐久性的影响;


4.3.4 某些以碳酸钙为主的石粉可能与C3A 发生水化反应,形成水化碳铝酸钙。


5 机制砂的发展趋势(混凝土对机制砂的祈求)见表5

5.1 粗细程度:既然机制砂由人工后天制成,就应该完全可以控制其级配区间,就不存在粗、中、细、特细四个区间,只需中砂、粗砂级配区间就好(特种用途需求的除外,可由供需双方在合同中规定)。


5.2 级配区间:累计筛余百分率对各粒径区间含量表达不直观,用分计筛余百分率范围限定各粒径区间含量,满足“分计筛余百分率限定范围”更合适。


5.3 粒型:理想粒型为正方体或圆形颗粒。机制砂片状颗粒是指1.18mm 以上的机制砂颗粒中最小一维尺寸小于该颗粒所属相应粒级的平均粒径0.45 倍的颗粒。片状颗粒含量≤15%。


5.4 坚固性:①母岩应具有一定的强度(一般不低于40Mpa),不含风化成分,轻物质、杂质及有害成分含量在限值以内;②加工工艺先进合理,不对颗粒造成大的伤害。


5.5 吸附性(石粉含量、亚甲蓝值):对水、外加剂的吸附性在限值范围内(非母岩质的粉体含量在限值范围内)。


5.6 含水率:干法制砂含水率规定为4-6%,湿法制砂含水率规定为8-10%,干粉砂浆用砂含水率规定不大于0.5%。


固定含水率的好处:①干法生产通过加湿处理使其含水5%左右,可以抑尘、防(颗粒与粉)离析、预湿作用(减少混凝土生产时机制砂的瞬间吸水量,避免坍落度损失过快);②湿法生产通过沥水等措施使其含水降低到10%左右,可以解决运输途中滴水污染、搅拌站堆场污水横流、搅拌站下料板结等毛病;③固定含水率有利于混凝土生产对用水量的控制;④固定含水率有利于解决砂石贸易扣水纠纷。⑤干粉砂浆用砂适用于干法制砂,不加湿,省却生产干粉砂浆时的干燥工序,节约能源。


5.7 质量稳定性

在生产过程中,同一批细骨料产品随机抽取5 个分割样,并进行编号,根据细骨料类别按照表中所列项目进行检验,取5 个分割样检测值的算数平均值;连续三个批次质量稳定后,同一批细骨料产品可按3 个分割样进行质量稳定性检验。见表5.7




6结束语

不是所有的母岩都适合做机制砂,特别是高品质机制砂应对母岩有所取舍。新建矿山应事先对岩石做一个全面的分析,改建矿山应根据岩石的特性做到合理利用、优质优用。


无论从技术上还是经济上都不能忽视骨料,骨料在混凝土中的重量占比在70%以上,在C30 中的成本占比在60%以上,与天然骨料不同,人工骨料在混凝土中的作用应引起高度重视,尤其对人工制砂。



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