机制砂混凝土配制与施工质量控制

1机制砂混凝土配制与施工质量控制王稷良博士/研究员交通运输部公路科学研究院2目录•机制砂的定义•机制砂的应用背景•机制砂的特性•石粉的作用•机制砂的质量要求•机制砂的制备技术•机制砂混凝土的配制技术•机制砂混凝土的施工控制技术3（一）机制砂的定义机制砂：由机械破碎、筛分制成的，粒径小于4.75mm的岩石颗粒，但不包括软质岩、风化岩的颗粒。其中的75μm以下颗粒划入石粉范围。•天然砂：包括河砂、湖砂、山砂及淡化海砂；•混合砂：由机制砂和天然砂混合制成的砂；•人工砂：经除土处理的机制砂和混合砂的统称。4（一）机制砂的定义•山砂：主要是云贵等地的特殊叫法，也可指自然山砂；•石屑：采石场在加工碎石的过程中产生的副产物；•破碎砂、规范砂、人工砂俗称。机制砂的几个过渡性名称5（二）机制砂应用的背景•随着国家对基础设施投资力度的加大，混凝土及砂的用量急剧增加。•河砂的掠夺性开采致使河床发生变化，对周围环境产生不良影响，目前部分河流已禁止开采河砂。•部分地区石多砂少，河砂资源匮乏。•2002年国标《建筑用砂》首次增加了机制砂作为建筑用砂的新品种。6（二）机制砂应用的背景•机制砂在水利水电工程应用比较多，其制砂工艺先进，质量稳定。•在云贵等溶岩地区缺乏天然砂资源，机制砂在混凝土工程中已经得到了普遍的应用。•在交通行业，机制砂已应用于一般性混凝土工程，但在重点工程，特别是在重大桥梁工程中对是否使用机制砂还存在一些疑虑。机制砂混凝土应用现状7（二）机制砂应用的背景•工程技术人员对机制砂混凝土的性能缺乏认识。•没有形成专门的机制砂混凝土配制技术。•机制砂行业生产技术水平低下，机制砂质量良莠不齐。•对石粉在机制砂混凝土中的作用研究不够，石粉含量争议过大。机制砂应用推广的阻碍8（三）机制砂的特性机制砂河砂矿物组成石灰岩、石英岩、花岗岩等一般为α-石英坚固性好好颗粒形状具有棱角、形状不规则，含有不少针片状颗粒粒形较圆或较方，棱角少颗粒表面较粗糙（粗糙度17～21S），表面吸水率高较光滑，吸水率低（粗糙度14～15S）细度模数一般为中粗砂(2.9~3.6)一般为中砂(2.3~3.0)级配级配不良，2.36mm以上及0.15mm以下颗粒较多，而1.18～0.3mm颗粒较少级配较好，各粒径范围分布较均匀粉体含量(＜0.075mm)粉体为石粉,未经处理机制砂石粉含量约为15%,国标限定为10%，桥规5%、7%、10%。粉体为泥粉，国标限定为1%，3%，5%9（三）机制砂的特性机制砂的颗粒形貌10（三）机制砂的特性01020304050607080901004.752.361.180.60.30.15筛孔尺寸/mm累计筛余/%天然砂机制砂A机制砂B机制砂C机制砂D机制砂的级配1105101520253035404.752.361.180.60.30.15筛孔尺寸(mm)分计筛余(%)级配中值（三）机制砂的特性机制砂的级配12（三）机制砂的特性石粉机制砂中的石粉理化特性指岩石破碎过程中，形成的颗粒小于0.075mm的粉末。其吸水率低，液塑限指数低。泥粉指黏土矿物的粉末。其吸水率高，液塑限指数高。13（三）机制砂的特性机制砂中石粉与天然砂中的泥粉成分不同，粒度分布不同，不包含粘土、页岩、有机物等有害成分，在使用中所起的作用不同。机制砂中的石粉含量一般都超过10%，这个含量对大多数混凝土不会产生有害的影响。而天然砂中的泥对混凝土是有害的，粘土矿物由于其颗粒极细、疏松多孔的特性和它们的表面活性，一般会增加混凝土的拌和用水量，从而牵连混凝土的强度、耐久性和体积稳定性。机制砂中的石粉理化特性14（三）机制砂的特性石粉颗粒呈块状，稍具棱角，接近水泥或矿渣。粉磨后部分棱角被磨掉，轮廓变得稍圆。石粉的细度与水泥接近，远小于粘土的比表面积。机制砂中的石粉理化特性石粉粉煤灰水泥15（三）机制砂的特性机制砂石粉中可能混有一定数量的泥土成分。GB/T14684-2001《建筑用砂》规定了测机制砂石粉含量必须先进行亚甲蓝MB值的检验，以检验小于75μm的颗粒是以石粉为主还是以泥土为主。机制砂的MB值与砂中含泥量成线性正比关系，而与石粉含量关系不大；同时，含泥量一定时，机制砂的MB值与其所含泥粉的液限成正比。机制砂中的石粉理化特性16（三）机制砂的特性00.20.40.60.811.21.4石英岩片麻岩玄武岩花岗岩石灰岩大理岩MB值y=0.012x+0.269R2=0.973600.20.40.60.811.21.4048121620石粉含量(%)MB值机制砂中泥粉及石粉对MB值的影响岩性对MB值的影响石粉含量对MB值的影响17（三）机制砂的特性泥粉对MB值的影响y=0.6946x+0.3589R2=0.9992y=0.3589x+0.3589R2=0.9996y=0.1089x+0.3375R2=0.99601234501234567石粉含量(%)MB值泥粉含量(%)机制砂中泥粉及石粉对MB值的影响y=3.7778x-0.6778R2=0.99740.00.20.40.60.81.01.21.41.625%35%45%55%Liquidlimit:WL/%whensiltcontent=1%,MBy=0.0012x-3.4608R2=0.99210%2%4%6%8%10%12%25%35%45%55%Liquidlimit:WL/%SiltcontentwhenMB=1.4/%18（三）机制砂的特性•机制砂的堆积密度和振实密度均随着石粉含量的增加而逐渐升高，对于级配较差的机制砂，石粉能明显地增加混合物的密实度。•机制砂生产过程去除的“石粉”中，有一部分颗粒大于75μm，特别是用螺旋洗砂机洗去的石粉中，大于75μm颗粒达一半以上，不仅破坏了机制砂的自然级配，而且浪费资源，污染环境。机制砂中的石粉理化特性19（三）机制砂的特性y=-0.0002x2+0.0109x+1.5183R2=0.9841.51.521.541.561.581.61.621.641.66010203040石粉含量(%)堆积密度((×103kg/m3))y=0.0082x2-0.3845x+43.35R2=0.984383940414243010203040石粉含量(%)空隙率(%)石粉含量对机制砂堆积效果的影响20（四）机制砂对混凝土性能的影响•石粉含量对混凝土工作性的影响y=-0.422x2+10.883x+114.72R2=0.94468010012014016018020005101520石粉含量(%)坍落度(mm)y=-0.1463x2+1.5656x+212.85R2=0.7195180190200210220230051015石粉含量(%)坍落度(mm)y=-0.6451x2+3.9511x+224.86R2=0.99361902002102202302400246810石粉含量(%)坍落度(mm)C30C60C80石粉含量对混凝土坍落度的影响21•石粉含量对混凝土力学性能的影响石粉含量对混凝土抗压强度的影响y=-0.02x2+0.542x+34.003R2=0.8577y=-0.0206x2+0.5621x+22.976R2=0.864318232833384305101520石粉含量(%)抗压强度(MPa)y=-0.0497x2+1.0712x+66.421R2=0.6778y=-0.0328x2+0.9044x+53.37R2=0.79814550556065707580051015石粉含量(%)抗压强度(MPa)y=0.0222x2-0.7378x+53.295R2=0.9732y=-0.0648x2-0.283x+100.05R2=0.946304050607080901000246810石粉含量(%)抗压强度(MPa)C30C60C80（四）机制砂对混凝土性能的影响22•石粉含量对混凝土体积变形性能的影响200250300350400035710石粉含量(%)时间(min)石粉含量对新拌混凝土塑性开裂的影响100120140160180200220035710石粉含量(%)单位面积裂缝数量(条)400600800100012001400单位面积总裂开面积(mm2)裂缝数量开裂面积（四）机制砂对混凝土性能的影响0100200300400500600050100150200龄期(d)干缩率(×10-6)H1-0%H2-3%H3-5%H4-7%H5-10%H6-15%C60混凝土的干燥收缩石灰岩石粉对硬化混凝土体积稳定性的影响01002003004005006000%3%5%7%10%15%13728609018024•机制砂MB值对混凝土工作性的影响05010015020025000.511.522.53MB值坍落度(mm)萘系外加剂聚羧酸系系外加剂（四）机制砂对混凝土性能的影响2545505560657075800.350.71.11.451.82.152.5MB值抗压强度7.57.77.98.18.38.58.78.99.19.39.5抗折强度7d抗压28d抗压28d抗折•机制砂MB值对混凝土力学性能的影响MB值对C30混凝土强度的影响1520253035400.350.71.11.451.82.152.5MB值抗压强度4.24.44.64.855.25.45.65.866.26.46.66.8抗折强度7d抗压28d抗压28d抗折MB值对C60混凝土强度的影响（四）机制砂对混凝土性能的影响265060708090050100150200龄期(d)抗亚强度(MPa)1-0.352-0.704-1.456-2.15•机制砂MB值对混凝土力学性能的影响长期强度y=-1.1609x2+2.2683x+46.878R2=0.866640424446485000.511.522.5MB值弹性模量(GPa)弹性模量（四）机制砂对混凝土性能的影响271502002503003504004500.350.71.11.451.82.152.5MB值塑性裂缝出现时间(min)•机制砂MB值对混凝土体积变形性能的影响MB值对新拌混凝土塑性裂缝出现时间的影响1501551601651701751801850.350.71.11.451.82.152.5MB值单位面积裂缝数量020040060080010001200140016001800单位面积开裂总面积(mm2)裂缝数量开裂面积（四）机制砂对混凝土性能的影响28正效应:级配效应：对于级配较差的机制砂，石粉能明显地增加其堆积密度，从而完善其级配。增黏效应：在低强混凝土中，补充粉体材料不足，减小泌水，改善低强机制砂混凝土工作性；润滑作用：石粉增加浆体含量，弥补机制砂多棱角和表面粗糙的缺点，克服机制砂形貌效应的不良影响；微集料效应：石粉微粒增加水泥石的密实度，改善“次中心区过渡层”的结构，增加抗渗性，降低变形性能；晶核作用：微细石粉可以诱导水化物析晶，促进C3S核的C3A水化，提高有效结晶产物含量而提高强度；水化增强作用：石灰岩石粉中CaCO3参与C3A的水化反应，生成水化碳铝酸钙，阻止AFt向AFm转化。石粉在混凝土中的正负效应（四）机制砂对混凝土性能的影响29负效应:比表面积效应：石粉增大了固体物的总体比表面积，增加了用水量的需求水灰比不变时，固体物总表面积的增加，就会使混凝土工作性降低。达到相同坍落度，会增加对减水剂的需求量。重力效应：机制砂密度较大，2.36mm颗粒较多，级配不良，形状尖锐和棱角性，使混凝土拌和物显得干涩、易离析泌水，同时增加了合理砂率。由于机制砂较大的表观密度，会增加混凝土拌和物在搬运和捣实过程中的离析倾向，加剧混凝土泌水和塑性沉降收缩，影响混凝土表面的耐久性。石粉在混凝土中的正负效应（四）机制砂对混凝土性能的影响30二重效应:水粉比效应：如果水粉比过大，易产生离析泌水，对于水灰比较大的混凝土，可以靠石粉适当降低水粉比，改善粘聚性和增强保水性，减弱离析泌水；在工作性良好的情况下，如果石粉含量过高，会使水粉比偏小