林月云

(三明市建設(shè)工程質(zhì)量服務(wù)中心 福建三明 365001)

0 引言

隨著我國(guó)建設(shè)工程量不斷增加，砂石的需求量持續(xù)增長(zhǎng)。而現(xiàn)階段經(jīng)濟(jì)發(fā)展與資源匱乏、環(huán)境惡化之間的矛盾日益凸顯，因此采用機(jī)制砂來替代天然河砂具有廣闊前景[1-2]。

機(jī)制砂是指經(jīng)除土處理，由機(jī)械破碎、篩分制成的，粒徑小于4.75mm的巖石、礦山尾礦或工業(yè)廢渣顆粒，但不包括軟化和風(fēng)化的顆粒[3]，其中粒徑在75μm以下的顆粒為石粉。已有研究表明，采用機(jī)制砂制成的混凝土在力學(xué)性能和工作性能等方面具有良好的表現(xiàn)[4]。雖然目前市場(chǎng)上機(jī)制砂質(zhì)量參差不齊，但近年來機(jī)制砂產(chǎn)業(yè)已被列入我國(guó)戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)產(chǎn)品，特別是高品質(zhì)機(jī)制砂在建材行業(yè)中的推廣和應(yīng)用已經(jīng)成為必然發(fā)展趨勢(shì)[5]。

機(jī)制砂的生產(chǎn)工藝主要有濕法和干法兩種，普通機(jī)制砂大部分是采用濕法制砂，而干法制砂由于無需繁雜的脫水裝置，在骨料破碎和選砂的工藝上更加成熟，生產(chǎn)過程更加環(huán)保、造價(jià)更低、自動(dòng)化高，生產(chǎn)所得為高品質(zhì)機(jī)制砂。另外，與濕法制砂產(chǎn)生大量污泥水不同，干法制砂產(chǎn)生的石粉大部分可以被收集以防止污染，并且還可以將其摻入混凝土中廢物利用，實(shí)現(xiàn)綜合高效利用。已有研究發(fā)現(xiàn)，石粉可以促進(jìn)水泥水化，改善水泥漿體的微觀結(jié)構(gòu)，使水泥石變得更加均勻密實(shí)，有利于后期強(qiáng)度和抗?jié)B性能的提高[6]。

基于此，本文從制砂工藝入手，闡述了濕法、干法兩種制砂方法分別得到的普通機(jī)制砂、高品質(zhì)機(jī)制砂的優(yōu)缺點(diǎn)，并結(jié)合制砂工藝特點(diǎn)對(duì)比了河砂、普通機(jī)制砂和高品質(zhì)機(jī)制砂的性能指標(biāo)，進(jìn)一步分析高品質(zhì)機(jī)制砂混凝土在工作性能、力學(xué)性能的優(yōu)勢(shì)，探討了干法制砂所回收的石粉摻量對(duì)混凝土工作性能和力學(xué)性能的影響。

1 機(jī)制砂生產(chǎn)工藝

1.1 濕法制砂工藝

普通制砂工藝俗稱“濕法制砂”或者“水洗砂”，需要大量的水資源，這種生產(chǎn)工藝多適用于南方多雨、水資源豐富的地區(qū)[7]，工藝流程如圖1所示。許多機(jī)制砂的顆粒級(jí)配不合理，往往“兩頭大，中間小”，細(xì)度模數(shù)一般為3.0～3.5，勉強(qiáng)符合Ⅲ區(qū)或Ⅱ區(qū)砂的技術(shù)要求。而且，該機(jī)制砂配制的混凝土保水性差，易產(chǎn)生離析泌水，需要采用與河砂復(fù)配調(diào)整細(xì)骨料顆粒級(jí)配等方法來改善混凝土的性能。綜之，濕法制砂具有以下缺點(diǎn)：消耗水量大[4]；機(jī)制砂水分含量高，水洗后粒徑小于0.16mm的顆粒偏少；細(xì)度模數(shù)偏大，產(chǎn)量低；排放大量泥粉污水，回收利用成本增高；生產(chǎn)設(shè)備種類多，投資費(fèi)用高，占地面積大，總體生產(chǎn)成本高；要求水資源充足，在干旱少雨地區(qū)或寒冷結(jié)冰季節(jié)不能正常生產(chǎn)。

圖1 濕法制砂工藝流程圖

1.2 干法制砂工藝

高品質(zhì)機(jī)制砂生產(chǎn)工藝為“干法制砂”，采用“石打石”的離心破碎方法，能有效改善砂的顆粒形狀并提高細(xì)集料的制成。骨料破碎篩分后，使用選粉機(jī)代替螺旋或斗輪洗砂機(jī)，用除塵器代替濕法制砂中所需要的細(xì)砂回收裝置和廢水回收利用裝置，而且不需對(duì)骨料進(jìn)行沖洗，只需用極少量的水進(jìn)行噴霧除塵，工藝流程如圖2所示。此外，采用高效除塵器多點(diǎn)除塵，效果好、費(fèi)用低，且回收的石粉可用于制磚、道路水穩(wěn)墊層等。綜之，干法制砂生產(chǎn)主要存在以下的優(yōu)點(diǎn)：機(jī)制砂水分含量低(一般低于2%)，無需復(fù)雜的脫水裝置；解決濕法生產(chǎn)過程中取水、污水處理的難題；產(chǎn)品中的石粉含量可通過特制選粉機(jī)無級(jí)可調(diào)，成砂率可達(dá)75%；細(xì)度模數(shù)符合中砂標(biāo)準(zhǔn)，制成的混凝土強(qiáng)度較高；產(chǎn)生的細(xì)粉可回收用于制磚、制作道路水穩(wěn)墊層等；生產(chǎn)過程不受干旱、寒冷季節(jié)的影響，能夠?qū)崿F(xiàn)全年連續(xù)生產(chǎn)，且產(chǎn)品無需經(jīng)48h自然堆放才能使用，減少成品砂庫(kù)容；極大節(jié)約水資源。

圖2 干法制砂工藝流程圖

2 原材料及試驗(yàn)方法

2.1 機(jī)制砂的顆粒級(jí)配

本文對(duì)河砂、普通機(jī)制砂及高品質(zhì)機(jī)制砂進(jìn)行了篩分試驗(yàn)，并對(duì)顆粒級(jí)配進(jìn)行了對(duì)比。如表1和圖3所示，其中，S1-1、S1-2、S1-3分別為江西河砂、湖北河砂和安徽河砂；S2-1、S2-2、S2-3為普通機(jī)制砂，為三明烏龍砂場(chǎng)隨機(jī)抽取的3個(gè)樣品；S3-1、S3-2、S3-3來源于三明泓祥實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的3種不同細(xì)度模數(shù)的機(jī)制砂。

可以看出，天然河砂有多種細(xì)度模數(shù)，可以有多種級(jí)配；普通機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)為3.1～3.3，屬于粗砂，粒徑范圍為1.18mm～4.75mm含量較多。高品質(zhì)機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)為2.7～2.9，為中砂，與天然河砂較為接近。如圖3所示，高品質(zhì)機(jī)制砂的顆粒級(jí)配較均勻，符合規(guī)范要求，細(xì)度模數(shù)較為可控，優(yōu)于普通機(jī)制砂。

表1 河砂、普通機(jī)制砂和高品質(zhì)機(jī)制砂顆粒級(jí)配

(a)河砂顆粒級(jí)配曲線

(b)普通機(jī)制砂顆粒級(jí)配曲線

(c)高品質(zhì)機(jī)制砂顆粒級(jí)配曲線圖3 顆粒級(jí)配曲線

2.2 原材料與配合比設(shè)計(jì)

水泥為萬年牌P·O42.5級(jí)水泥，比表面積為387m2/kg；礦粉為盛日S95級(jí)礦渣微粉，比表面積為420m2/kg，需水量比103%，7d活性指數(shù)為78%，28d活性指數(shù)為103%；外加劑采用科之杰新材料有限公司生產(chǎn)的高效減水劑，固體含量10.8%，基準(zhǔn)摻量1.8%、減水率22.8%；粗骨料為三明泓祥實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的5～31.5mm連續(xù)級(jí)配碎石，壓碎指標(biāo)8.2%，含泥量(包括小于0.075mm的細(xì)粉)小于0.5%；細(xì)骨料取自三明烏龍砂場(chǎng)的3種機(jī)制砂以及三明泓祥實(shí)業(yè)有限公司破碎的3種高品質(zhì)機(jī)制砂。其顆粒級(jí)配如表1和圖3所示，其余參數(shù)如表2所示，采用普通機(jī)制砂和高品質(zhì)機(jī)制砂拌制的混凝土配合比如表3所示。

根據(jù)表2可以看出，高品質(zhì)機(jī)制砂的堆積密度大于普通機(jī)制砂，亞甲藍(lán)值、石粉含量和壓碎指標(biāo)明顯小于普通機(jī)制砂，其亞甲藍(lán)值小于1.0。因此，可以說明，采用干法制砂工藝不僅使機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)較為可控，并且可以有效控制石粉含量，降低亞甲藍(lán)值，從而得到高品質(zhì)的機(jī)制砂。另外，借助先進(jìn)的生產(chǎn)工藝及設(shè)備，對(duì)高品質(zhì)機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)進(jìn)行人為控制的這一優(yōu)勢(shì)，可以根據(jù)企業(yè)的需求來組織生產(chǎn)特定的機(jī)制砂，這是天然河砂的開采及普通機(jī)制砂的生產(chǎn)難以實(shí)現(xiàn)的。

表2 機(jī)制砂指標(biāo)

表3 機(jī)制砂混凝土配合比 kg/m3

石粉(SF)為三明泓祥實(shí)業(yè)有限公司干法制砂的副產(chǎn)品，其X射線衍射(XRD)如圖4所示，水泥、礦粉和水泥的粒徑分布如圖5所示，不同石粉摻量的水泥膠砂配合比如表4所示，其中編號(hào)SF-x中x=10、15、20、25、30，分別代表水泥膠砂中石粉取代水泥的摻量分別為10%、15%、20%、25%、30%。不同石粉摻量的混凝土配合比如表5所示，其中強(qiáng)度等級(jí)為C30，其中編號(hào)CSF-y中y=0、5、10、15、20，分別代表混凝土中石粉摻量分別為0%、5%、10%、15%、20%，并且石粉50%取代膠凝材料總量(水泥和礦粉之和)，50%取代高品質(zhì)機(jī)制砂。

圖4 XRD圖譜

圖5 粒徑分布曲線

2.3 試驗(yàn)方法

2.3.1混凝土的工作性能和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

參照《普通混凝土拌和物性能測(cè)試方法》(GB/T 50080-2002)[8]，對(duì)普通機(jī)制砂和高品質(zhì)機(jī)制砂所制備的混凝土，以及摻石粉的高品質(zhì)機(jī)制砂混凝土，分別測(cè)試其坍落度、擴(kuò)展度，得到混凝土拌合物的工作性能?；炷亮⒎襟w試塊成型后，在標(biāo)準(zhǔn)條件下(溫度20℃±2°，濕度95%以上)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081-2002)[9]對(duì)混凝土的3d、7d和28d抗壓強(qiáng)度分別進(jìn)行測(cè)試。

2.3.2石粉特性分析和水泥膠砂試驗(yàn)

石粉采用日本理學(xué)Miniflex 300 X射線衍射儀測(cè)定，設(shè)定掃描速度5°/min，掃描范圍10°～70°，測(cè)定其XRD圖譜；采用Microtrac公司的S3500激光粒度分析儀，測(cè)定其粒度分布，并與水泥、礦粉進(jìn)行比較。根據(jù)《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》(GB/T2419-2005) 、 《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法ISO法》(GB/T17671-1999)測(cè)定摻石粉的水泥膠砂的坍落度、流動(dòng)度，和7d、28d的抗壓強(qiáng)度。

3 對(duì)比結(jié)果討論

3.1 機(jī)制砂對(duì)混凝土性能的影響

3.1.1工作性能

普通機(jī)制砂混凝土和高品質(zhì)機(jī)制砂混凝土拌合物的坍落度和擴(kuò)展度如表6所示。

表6 兩種機(jī)制砂混凝土的工作性能和抗壓強(qiáng)度

由表6可以看出，普通機(jī)制砂混凝土與高品質(zhì)機(jī)制砂混凝土雖然初始坍落度相近，但是1h后普通機(jī)制砂混凝土的坍落度損失明顯大于高品質(zhì)機(jī)制砂混凝土。這可能是由于普通機(jī)制砂表面的石粉含量大于高品質(zhì)機(jī)制砂。細(xì)骨料表面的石粉對(duì)水的吸附作用，將限制水分子的自由運(yùn)動(dòng)，在一定時(shí)間內(nèi)，吸水速度越快，引起新拌混凝土的坍落度損失越明顯[10]。同時(shí)，高品質(zhì)機(jī)制砂混凝土的擴(kuò)展度均明顯大于普通機(jī)制砂混凝土，高品質(zhì)機(jī)制砂的顆粒級(jí)配比普通機(jī)制砂更為均勻，使之具有良好的工作性能。

3.1.2抗壓強(qiáng)度

如表6所示，高品質(zhì)機(jī)制砂混凝土的3d、7d、28d強(qiáng)度均大于普通機(jī)制砂混凝土。

由表6可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)制砂的品質(zhì)影響混凝土的抗壓強(qiáng)度，品質(zhì)高的機(jī)制砂比普通機(jī)制砂混凝土的28d抗壓強(qiáng)度增大約7.0%～10.5%。這是由于普通機(jī)制砂的壓碎值比高品質(zhì)機(jī)制砂更大，且普通機(jī)制砂的石粉含量是高品質(zhì)機(jī)制砂的2倍左右，石粉含量過多不利于混凝土強(qiáng)度的發(fā)展[11]。同時(shí)，高品質(zhì)機(jī)制砂的顆粒級(jí)配范圍更為均勻，有利于混凝土密實(shí)程度的提高。因此，在相同原材料用量時(shí)，采用高品質(zhì)的機(jī)制砂能夠提高混凝土的性能，有利于提高整體綜合效益、降低成本。

3.2 石粉對(duì)機(jī)制砂混凝土性能的影響

3.2.1膠砂抗壓強(qiáng)度和石粉活性指數(shù)

不同石粉摻量時(shí)水泥膠砂的抗壓強(qiáng)度及比值如圖6所示。根據(jù)圖6,可以看出，隨著石粉摻量的提高，膠砂試件的3d和7d抗壓強(qiáng)度均明顯下降。當(dāng)石粉摻量分別為10%、15%、20%、25%、30%時(shí)，膠砂的28d抗壓強(qiáng)度分別降低了6.1%、16.4%、26.4%、34.7%和38.9%。石粉摻量為10%和15%時(shí)，抗壓強(qiáng)度下降速度較快，超過25%后抗壓強(qiáng)度下降的程度較小。

石粉的活性指數(shù)參考 《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596-2017)規(guī)定，以石粉摻量30%的膠砂與對(duì)比膠砂的28d抗壓強(qiáng)度比來定義。石粉的28d的活性指數(shù)為61.1%，活性雖然不高，但也可以考慮作摻合料使用。

圖6 不同石粉摻量水泥膠砂的抗壓強(qiáng)度

3.2.2石粉機(jī)制砂混凝土的工作性能

采用高品質(zhì)機(jī)制砂，并摻入生產(chǎn)高品質(zhì)機(jī)制砂時(shí)所收集的石粉，得到不同石粉摻量下的機(jī)制砂混凝土，其坍落度和流動(dòng)度如表7所示。

由表7可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)石粉摻量為5%時(shí)，混凝土的流動(dòng)度略微提高。結(jié)合圖5所示的水泥、礦粉和石粉的粒徑分布曲線，可以發(fā)現(xiàn)石粉中粒徑小于10μm的顆粒物含量比水泥和礦粉多。少量石粉的摻入可以填充、完善混凝土的級(jí)配，進(jìn)而改善了混凝土拌合物的工作性能。同時(shí)，混凝土拌合物的黏聚性增大[12]，有利于提高其保水性。

然而，隨著石粉摻量的增加，由于石粉的比表面積較大，混凝土的單位用水量增大，相應(yīng)減水劑用量也增大，其坍落度和流動(dòng)度逐漸較小。石粉摻量對(duì)混凝土的流變性能有顯著影響；當(dāng)石粉摻量為10%時(shí)，混凝土的流動(dòng)度下降明顯；當(dāng)石粉摻量增大到20%時(shí)，混凝土的流動(dòng)度減少了23.1%。因此，考慮到石粉對(duì)混凝土的坍落度、流動(dòng)度和黏聚性等工作性能的影響，石粉摻量不宜過大，應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)。

3.2.3石粉機(jī)制砂混凝土的抗壓強(qiáng)度

不同石粉摻量下機(jī)制砂混凝土的3d、7d、28d抗壓強(qiáng)度如表7所示。

表7 不同石粉摻量下機(jī)制砂混凝土工作性能和抗壓強(qiáng)度

由表7可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)石粉摻量為5%時(shí)，混凝土的28d抗壓強(qiáng)度提高了10.3%。這是由于摻入少量的石粉改善了混凝土的孔隙特征，使混凝土中的粘結(jié)界面更加密實(shí)，同時(shí)起到晶核效應(yīng)，促進(jìn)C3S水化[13]，從而使抗壓強(qiáng)度有一定程度的提高。隨著石粉摻量的增大，混凝土各齡期強(qiáng)度都隨之降低，但降低幅度不大；當(dāng)石粉摻量為10%時(shí)，混凝土28d抗壓強(qiáng)度與不摻石粉的對(duì)照組相當(dāng)；當(dāng)石粉摻量增大至20%時(shí)，混凝土28d抗壓強(qiáng)度降低了7.5%。這主要是隨著石粉摻量的提高，礦粉的摻量逐漸減少，而不同于活性較低的石粉，礦粉具有較強(qiáng)的火山灰活性。同時(shí)，石粉摻量的增大也會(huì)使水泥和礦粉與骨料之間的粘結(jié)力降低，從而使抗壓強(qiáng)度逐漸下降。因此，綜合石粉對(duì)機(jī)制砂混凝土工作性能和力學(xué)性能的影響，在實(shí)際工程中石粉摻量應(yīng)以5%為宜，但應(yīng)控制在10%以內(nèi)，這與文獻(xiàn)[14]的建議摻量相同。

4 結(jié)論

(1)通過分析濕法制砂和干法制砂工藝流程特點(diǎn)及二者區(qū)別，以及機(jī)制砂生產(chǎn)工藝和機(jī)制砂品質(zhì)之間的聯(lián)系，可以從生產(chǎn)工藝角度理解機(jī)制砂成砂品質(zhì)的影響因素。干法制砂獲得的機(jī)制砂級(jí)配和粒形較好，具有較高的品質(zhì)。此外，干法制砂還具有成砂細(xì)度模數(shù)可調(diào)控、生產(chǎn)綜合成本較低、生產(chǎn)環(huán)境需求較低和易滿足環(huán)保要求等優(yōu)勢(shì)。

(2)高品質(zhì)機(jī)制砂所制備的混凝土比普通機(jī)制砂混凝土的坍落度增大4.8%～9.5%，而坍落度損失(1h后)減少50%～75%，擴(kuò)展度增大9.4%～13.2%，而擴(kuò)展度損失(1h后)減少14.3%～28.6%，7d抗壓強(qiáng)度增大4.1%～13.0%，28d抗壓強(qiáng)度增大約7.0%～10.5%。高品質(zhì)機(jī)制砂混凝土工作性能和力學(xué)性能均優(yōu)于普通機(jī)制砂混凝土。

(3)采用干法制砂獲得的副產(chǎn)品石粉，可以部分取代膠凝材料用于制備混凝土。當(dāng)石粉摻量為5%時(shí)，對(duì)高品質(zhì)機(jī)制砂混凝土工作性能和抗壓強(qiáng)度有略微增大；當(dāng)石粉摻量在10%時(shí)，對(duì)其坍落度和28d抗壓強(qiáng)度影響很?。坏?dāng)石粉摻量超過10%時(shí)，其工作性能和力學(xué)性能都有較為明顯的下降。因此，建議石粉摻量以5%為宜，且控制在10%以內(nèi)。