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        高性能混凝土用機制骨料品質特征及影響因素分析

        作者:上海華謹建材 發布日期:2023-11-09 08:51:34

                                      高性能混凝土用機制骨料品質特征及影響因素分析


        高性能混凝土是以耐久性為主要設計指標,在大幅度提高常規混凝土性能的基礎上,采用現代混凝土技術制作的高技術混凝土。作為一種重要的綠色建材,高性能混凝土的推廣應用既是實現混凝土行業高質量發展的必然要求,也是推動建材行業實現碳達峰和碳中和目標的有效舉措。

        骨料是在混凝土中起骨架、填充和穩定體積作用的巖石顆粒等粒狀松散材料,也常被稱作集料、砂石料。骨料約占混凝土體積的70%~80%,是影響混凝土質量的關鍵因素,甚至在很大程度上決定著能否穩定地生產出合格的混凝土。骨料按照來源可分為天然骨料和機制骨料,按照粒徑大小可分為粗骨料(石)和細骨料(砂)。長期以來,我國絕大部分地區混凝土生產主要使用天然骨料,但隨著天然骨料資源逐漸減少和環境保護力度日益增強,機制骨料已經取代天然骨料成為建設市場最主要的骨料來源,并占到建設用骨料的70%左右。

        但從整體上看,由于機制骨料的級配調整、顆粒整形等制備技術水平不高等原因,許多砂石企業生產的機制骨料質量較差,尤其是存在著粒形不好、級配不良、石粉含量波動大等突出問題。這些低品質的機制骨料,即使用于常規混凝土也大多需要搭配天然骨料,更難以滿足高性能混凝土的要求。加強對機制骨料品質不高這個制約高性能混凝土發展應用的瓶頸問題的研究,已經成為非常必要又十分緊迫的任務。

        目前關于機制骨料的研究,主要集中在常規混凝土用機制砂的性質和對混凝土性能的影響方面,而有關高性能混凝土用機制骨料的系統研究則并不多見。筆者擬對高性能混凝土用機制骨料需滿足的主要品質進行分析,并從機制骨料制備技術方面探討影響機制骨料品質的主要因素,從而為有針對性地提高機制骨料制備技術、改善機制骨料品質,進而推動高性能混凝土用機制骨料行業高質量發展、緩解高性能混凝土用骨料供需矛盾提供一定的參考。



        1 高性能混凝土用機制骨料主要品質要求

        高性能混凝土在宏觀上是由水泥石、骨料和界面過渡區組成的非勻質復合多孔材料,耐久性是其核心性能,工作性是目前急需提升且與骨料品質關系密切的特性。骨料在高性能混凝土中發揮著骨架支撐和承受外力、穩定體積和抑制變形、調控密度和溫度變化等作用,對高性能混凝土的耐久性能、工作性能和力學性能都具有重要影響,是混凝土技術的兩大核心問題之一。

        機制骨料的顆粒粒形、顆粒級配、細度模數、石粉含量和有害物質含量、堅固性、壓碎指標等,都會對高性能混凝土性能產生不同程度的影響,而其中尤以顆粒粒形和顆粒級配最為重要。許多研究成果也表明,細度模數和石粉含量也對高性能混凝土耐久性、工作性等性能具有重要影響,而有害物質含量、堅固性、壓碎指標等主要通過篩選合適的母巖加以控制,且其合理性通常能夠得到保證。因此,要生產出符合高性能混凝土要求的機制骨料,就應該保證其具有良好的粒形、合理的級配、適宜的細度模數和適當的石粉含量。

        1.1 良好的粒形

        粒形是影響高性能混凝土工作性、耐久性、強度的重要因素。較好的粒形是接近球形或立方體,較差的粒形是針、片狀。通常是以針、片狀顆粒含量來衡量機制骨料粒形的好壞。

        針、片狀顆粒含量過多會帶來很多的危害:

        1)增大骨料之間的空隙率,降低混凝土密實度,進而降低其耐久性。王浩等發現粗骨料針、片狀顆粒的質量分數超過10%,會明顯增加硬化混凝土28d電通量;當針、片狀顆粒的質量分數從0增加到15%時,混凝土電通量增長17.6%。

        2)增大骨料比表面積和空隙率,需要更多的水泥漿體進行填充和包裹,增加單位體積用水量和膠凝材料用量,造成對混凝土性能的一系列不利影響。

        3)增加混凝土拌合物流動阻力,降低其工作性、可泵性,甚至導致在泵送時發生堵管。韓宏偉發現粗骨料針、片狀顆粒的質量分數增加會降低混凝土拌合物坍落度和坍落擴展度,尤其當針、片狀顆粒的質量分數超過15%時表現非常明顯。

        4)降低骨料與水泥漿的黏結能力,降低混凝土強度。廉慧珍等認為在外力作用下,針、片狀顆粒會因應力集中、彎曲應力過大而提前斷裂,降低混凝土強度。HUANGYY等認為混凝土抗壓強度越高,骨料中片狀顆粒的脆性越容易表現出來,對混凝土抗壓強度的影響也越明顯。

        一些學者認為,除針、片狀顆粒之外,不規則顆粒也會對混凝土性能產生不良影響。宋少民等發現當不規則顆粒的質量分數大于30%時,混凝土坍落度降低15%,氯離子擴散系數快速增大;當不規則顆粒的質量分數大于40%時,混凝土強度降低15%。因此,JG/T568-2019和GB/T14685—2011相比,新增了對粗骨料中不規則顆粒含量的規定。

        實際生產中針、片狀顆粒和不規則顆粒的存在是不可避免的,只要保證其含量在一定范圍內便可忽略其對混凝土性能的不利影響,如毛軍和潘琨等認為粗骨料中針、片狀顆粒的質量分數不超過15%時對混凝土性能無明顯影響。但這些研究成果多是針對常規混凝土而言,并不適合對骨料粒形更為敏感的高性能混凝土,如王博洋等發現針、片狀顆粒的質量分數分別在2%和4%以上時,會導致C50和C40高性能混凝土強度明顯下降。因此,今后很有必要加強對針、片狀顆粒和不規則顆粒含量對高性能混凝土性能的影響研究。

        1.2 合理的級配

        級配幾乎對混凝土的所有性能都有影響。良好的級配不僅應該是連續的,而且還應該使骨料之間的空隙率小、骨料比表面積小且有適量的細骨料,以減小膠凝材料用量和單位體積用水量,提高混凝土密實度,改善混凝土性能。

        粗骨料級配往往不如細骨料級配那樣受到人們的重視,但實際上粗骨料級配是影響骨料空隙率的重要因素。宋少民等認為,由于粗骨料級配和粒形不好,導致我國市售粗骨料空隙率高,進而導致混凝土的膠凝材料用量、用水量遠高于西方國家,也嚴重影響了混凝土質量。艾長發等認為細骨料顆粒級配和顆粒間連續程度是決定工作性的關鍵因素,且4.75mm~1.18mm和1.18mm~0.15mm部分分別是混凝土泌水性和保水性、黏聚性的主要影響因素;4.75mm~1.18mm部分含量和顆粒間組成比例是影響混凝土強度的主要因素。ZHANGGH等通過模型預測和試驗研究,發現骨料級配對混凝土彈性模量具有顯著影響。

        由于骨料級配的重要作用和高性能混凝土對骨料的更高要求,JG/T568-2019和GB/T14685-2011,GB/T14684-2011等標準相比,大幅提高了對粗細骨料級配的要求,特別是將細骨料的顆粒級配改為用更科學合理的分級篩余量表示,擴大了-0.15mm顆粒篩余量范圍,且新增了對篩底篩余量的限制。

        值得指出的是,細骨料中含有較多的石子特別是粒徑較大的石子時也會損害混凝土性能,但JG/T568-2019僅規定了4.75mm分級篩余量不超過5%,并未規定+4.75mm顆粒的最大粒徑。在實際應用當中,可限制細骨料中所含石子最大粒徑不超過9.5mm,以避免細骨料中混入過大石子對高性能混凝土性能造成較大損害。

        1.3 適宜的細度模數

        細度模數是衡量細骨料整體粗細程度的指標。在級配符合要求的情況下,細骨料的細度模數大、粗顆粒含量高,有利于提高混凝土拌合物流動性,但也會降低其黏聚性和保水性。MADIHAZ等研究了用細度模數分別為2.4,2.6,2.92和3的石灰巖細骨料制備的混凝土的性能,發現細度模數為2.78時混凝土抗壓強度最大,且細度模數較高的混凝土拌合物工作性相對較好。但若細度模數過大,會造成細骨料中粗顆粒過多、細顆粒過少、級配不合理甚至某些粒級“斷檔”,從而增加混凝土空隙率和填充所需的漿體用量,降低混凝土的工作性和耐久性。對于高性能混凝土用機制骨料而言,較為理想的細度模數是2.3~3.2。

        1.4 適當的石粉含量

        石粉是區分天然砂和機制砂的重要標志。適量的石粉具有潤滑、填充和保水作用:彌補機制骨料表面粗糙的缺點,減少骨料之間的摩擦,提高混凝土拌和物的工作性;填充空隙,改善級配,提高混凝土密實度、強度和耐久性;石粉比表面積大、吸水性強,能增加混凝土拌合物稠度和黏聚性,改善離析、泌水。但當石粉含量過大時,混凝土變得干稠,成型時漿體難以拌合均勻,且水泥石或界面過渡區中會出現游離態石粉,降低骨料與水泥石的黏結能力,加之石粉過多意味著粗顆粒較少,骨架作用降低,級配也不合理,還會降低水泥漿強度,從而降低混凝土密實度、強度、工作性、耐久性等性能。通常情況下,混凝土強度等級不同,最佳石粉含量也不同,且混凝土強度等級越大,其石粉含量的合理范圍越小。

        以上研究均是基于常規混凝土展開,但對高性能混凝土而言,由于其中摻加有大量的礦物摻合料,因而石粉的潤滑、填充、保水作用并不明顯,加上高性能混凝土水膠比很低,又極易受到減水劑影響,而石粉及其中可能混雜的泥土都對水、減水劑具有很強的吸附性,故高性能混凝土比常規混凝土對石粉含量更為敏感。因此,JG/T568-2019在規定石粉含量時不僅考慮了石粉亞甲藍值,也將石粉流動度比考慮在內。此外,由于GB/T14684-2011中有關石粉含量的規定過于苛刻,難以被砂石企業執行,或為滿足石粉含量要求而采用水洗等辦法,造成細顆粒流失、級配不合理等問題,JG/T568-2019允許的石粉含量有所增大。


        2 高性能混凝土用機制骨料品質主要影響因素

        目前市售機制骨料總體上品質較差,顆粒粒形不好、針片狀顆粒含量高;級配不良、多呈現“兩頭大中間小”的“啞鈴型”而非較為理想的“橄欖型”;細度模數偏大、普遍都在3.4以上;石粉的質量分數過高,甚至達到20%以上等問題較為普遍。造成機制骨料品質不高的原因眾多,如行業標準規范、人們思想認識等,但最關鍵的還是母巖特性、生產工藝、加工設備等機制骨料制備技術較為落后。

        2.1 母巖特性

        高性能混凝土用機制骨料絕大部分是以巖石為原料。不同類型的巖石內部結構不同,在受到外力作用時,會形成不同的顆粒形狀,如KAMANIN等認為大理巖和凝灰巖相比,其顆粒形狀更容易受到破碎機類型的影響。目前僅關于石灰巖的研究相對較多。從已有的研究結果來看,研究者大多認為用石灰巖制備的機制骨料粒形相對較好,如謝華兵認為用花崗巖制備的細骨料棱角多、粒形差,用石灰巖制備的則相對較好;周鴻煜等認為石灰巖制備的細骨料粒形好于花崗巖,花崗巖好于玄武巖。但也有不同的研究結論,如王立華等比較了用灰巖、花崗巖、砂巖所制備的機制砂的粒形特征,發現砂巖機制砂較為渾圓、粒形較好,花崗巖機制砂較為扁平、片狀顆粒較多,而灰巖機制砂較為狹長、針狀顆粒較多。

        此外,不同類型的巖石強度不同,強度低的巖石被破碎時易產生細顆粒和較多石粉。如石灰巖強度較低,容易出現過粉碎現象,石粉含量往往偏高??梢?,在我國砂石企業應用最多的石灰巖,也并不是非常理想的原料,導致所制備的機制骨料容易出現粒形不好、石粉含量高等問題。

        總體來看,目前有關母巖特性的研究,尤其是不同巖性是如何影響機制骨料粒形等品質的機理研究非常匱乏。今后應加強對砂石企業應用較多的石灰巖、花崗巖、玄武巖、凝灰巖等的巖性研究,特別注意加強機理分析,以更好指導砂石企業選取最合適的巖石作為制備機制骨料的母巖。

        2.2 生產工藝

        在實際生產中,很多砂石企業僅進行兩次破碎一次篩分。如吳勇等發現貴州市場上的機制砂大多采用“兩次破碎一次篩分”的生產工藝,缺乏對粒形的控制。湖北某新投產的500萬t/a骨料生產線最大給料粒徑800mm,產品包括兩種粒級細骨料和三種粒級粗骨料,也僅用兩次破碎、一次篩分。由于工藝設置不合理,很容易因為缺乏整形而導致骨料粒形不好,也容易因為破碎不夠而導致骨料細度模數偏大,以及因為篩分過少不能及時分離合格產品,從而出現過粉碎和石粉含量偏高現象。也有較多砂石企業將-5mm顆粒整體銷售,而不進行整形和篩分分級,也不篩除其中所含的石粉,也就很難保證骨料的粒形、級配和石粉含量符合要求。

        此外,一些生產工藝也有其固有弊端。如濕法制砂在水洗過程中會造成細顆粒大量流失,惡化顆粒級配,使細度模數偏大;干法制砂很容易產生過多的石粉。

        因此,既要按照母巖特性和骨料品質要求配置必要的破碎、篩分和整形工序,也要加強對新工藝的研究和應用,如參考選礦廠、燒結廠中已經非常成熟的工藝,設置預先篩分及時分離合格產品減少過粉碎;研究有效去除泥土等雜質的工藝方法;產品按單粒粒級或較小粒級范圍存放、銷售;各粒級骨料產品由商混站等用方按需混合、攪拌均勻,減少運輸過程中造成的離析、分層。

        2.3 加工設備

        破碎設備是骨料生產線的核心設備。不同類型破碎機的產品有著不同的品質,如從粒形角度來看,立軸式沖擊破碎機產品優于反擊式破碎機,圓錐式破碎機、旋回式破碎機優于顎式破碎機,立軸沖擊式破碎機優于圓錐式破碎機。但立軸式沖擊破碎機雖然在產品整形方面具有顯著優勢,卻容易導致產品細度模數大、“啞鈴型”甚至間斷級配,而且由于價格昂貴、場地要求高等原因,并不是砂石企業的首選破碎設備。

        這些設備也都有一定的適用范圍,如“石打石”立軸式沖擊破碎機對礦石含水率和泥土含量要求苛刻,“石打鐵”立軸式沖擊破碎機不適合高硬度礦石。如果不能根據礦石性質、工藝流程、設備適用范圍等合理配置相應設備,以及在生產中不能保證設備正常運行所需條件、不注重設備維護保養,將會導致產品出現棱角尖銳、針片狀顆粒含量高和級配、細度模數不好等問題。

        因此,要配置符合礦石性質的加工設備,注重設備保養維護;還應積極研發新型設備,特別是提高設備智能化、信息化水平;并圍繞級配調整、顆粒整形等關鍵指標,注重研究引進化工、礦物加工等行業相關設備,如可研究(半)礫磨機等設備用于骨料選擇性破碎、整形的可行性。



        3 結語

        隨著各種重大工程、基礎設施建設和促進碳達峰、碳中和系列政策的實施,作為綠色低碳建筑材料的高性能混凝土必會迎來更為廣闊的發展空間,高性能混凝土用機制骨料也必將在建設用骨料市場扮演更為重要的角色。各有關方面應該齊心協力,用全局、長遠眼光看待骨料品質和成本投入的關系,以骨料顆粒粒形、顆粒級配、細度模數、石粉含量等品質為重點,嚴把原料使用關、改進生產工藝、研發新型設備、加強機理研究,努力提高機制骨料制備技術水平,促進機制骨料和高性能混凝土行業高質量發展。



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