《人工制砂技術的應用與發展-第五章》

導讀：上一章談到制砂機中的智能節能、低碳環保半干式制砂技術  本章內容是制砂機設備中的人工砂石系統研究的關鍵因素

2 人工砂石系統研究的關鍵因素

2. 1 砂的含水率與混凝土的關系

針對碾壓混凝土對砂石骨料質量的特殊要求，砂的含水率波動在碾壓混凝土中影響 VC 值，含水率過高影響溫控混凝土加冰，對于溫控要求高的大體積混凝土，當砂的含水率達到規范上限 6% 時，往往加冰較為困難。含水率波動直接帶來混凝土水灰比的波動，從而影響混凝土的強度，所以砂的含水率要求在小于 6% 的同時，其波動值小于 1%，這個指標在全濕式制砂系統很難做到。濕式制砂入倉含水率為 12% ～17%，含水率要 7 d 以上才能降低到 7%，當玄武巖在含火山角礫熔巖及凝灰巖時在長達 45 d 脫水后其含水率才能穩定在 10%左右。砂中粗顆粒裹粉問題: 實測 7 d 脫水后的砂，其粗顆粒( 1. 25 ～ 4. 75 mm) 表面包裹 1 層小于0. 045 的粉末，在混凝土的拌制過程中不能完全從砂的粗顆粒上剝離開，造成水泥與砂的粗顆粒結合黏連性差，按 2. 5 ～4. 75 mm 的粗顆粒占砂的 18%計，如果其中 50% 被包裹，混凝土試驗結果其強度會降低 4%。另外濕式制砂的石粉主要由棒磨機生產，必須另增加收回設備回收石粉，回收投入較大，且回收小于 0. 075 的石粉較為困難。經統計，國內濕式制砂工藝生產的石粉含量能回收利用的最大才 16%。

當然以上這兩大問題在干式制砂中都不存在，但干式制砂的問題主要是干式制砂過程中粉塵污染嚴重，砂下落堆存過程中易產生分離，常發生砂料堆上部的細度模數小于 2. 3、下部細度模數大于3. 3 的現象，使用過程中因取料點的不同而造成細度模數的變化較大，影響混凝土生產的均勻性; 濕式制砂也有同樣的問題，只是離散性小一些。大量試驗表明，當砂的細度模數為 2. 5 ～2. 7、含水率為3. 5% ～ 4. 5% 時，以上問題均不會發生，在 18 m 高的砂堆上任何一點取樣，細度模數波動值均小于0. 12，7 d 堆存后砂中粗顆粒表面無裹粉板結現象。

2. 2 砂與混凝土的關系

2. 2. 1 砂的石粉含量與混凝土的關系

早在 1962—1964 年，水電九局在貴州貓跳河的二級和四級水電站建設中作了西南三省天然砂與人工砂的對比研究( 人工砂石粉與混凝土抗壓強度的關系) 后得出結論: 骨料中石粉對混凝土性能有影響，當 FM = 2. 5、石粉含量達 15% 時抗拉與抗壓強度均最大。其后在水工混凝土應用人工砂石大量的工程實踐證明，骨料中的石粉能提高碾壓混凝土密實性，改善混凝土抗滲性能、變形性能和施工和易性; 石粉可作水泥摻合料，替代部分粉煤灰;還能增大混凝土中漿體材料含量，從而使振壓后層面容易泛漿，改善了層面結合質量。2001 年 1 月 1日開始實施的 DL/T 5112—2000《水工碾壓混凝土施工規范》就將小于 0. 16 mm 的石粉含量由 17% 擴大到 22%，其最優石粉含量為 16% ～ 22%; DL/T5144—2001《水工混凝土施工規范》將小于 0. 16mm 的石粉含量由 12% 擴大到 18% ，試驗表明砂中小于 0. 08 mm 的石粉含量應達到 8% ～ 10% 為宜。成品砂中粒度小于 0. 16 mm 的石粉在碾壓混凝土中的作用越來越被重視，甚至成為碾壓混凝土不可缺少的組成部分，以改善碾壓混凝土的抗分離性能。在碾壓混凝土拱壩施工中，天然砂石料缺少石粉，如福建溪柄以及云南弄另、景洪水電站專門采用石灰巖、火山巖粉作石粉摻用，以改善混凝土抗滲性; 索風營水電站碾壓混凝土壩工程由于砂石系統生產的石粉含量為 17. 5% ～ 21. 8%，平均達19. 22% ，質量穩定，所以在大壩混凝土施工 3 個月后，調整降低了 6%的粉煤灰摻量。水電站工程用混凝土均是現場取樣做人工砂石粉含量與混凝土的關系試驗，最終確定施工配合比，選取優質配合比作為對砂石系統生產質量控制的要求。

2005 年貴州龍洞堡機場道面混凝土配合比試驗時，對不同摻量小于 0. 16 mm 石粉所拌制的混凝土做了對比試驗，見表 7

表7  龍洞堡機場道面混凝土的抗壓強度對比

石粉中小于 0. 075 mm 的含量為 8%，試驗數據表明，人工砂混凝土中小于 0. 16 mm 骨料含量為 15%時混凝土的抗壓強度最大，而用天然砂制成的混凝土中小于 0. 16 mm 骨料含量高則對抗壓強度基本沒任何改善。這表明現行的混凝土細骨料的規范對混凝土的應用有不適當的約束。在人工砂中增加小于 0. 075 mm 石粉，當其含量達到 8% ～10% 時，對混凝土的性能非常有益。使用高石粉含量的人工砂制備的混凝土比使用天然砂制備的混凝土有更高的抗壓強度。結論為人工砂制備的混凝土的抗壓和抗折強度均高于優質天然砂。

現在建筑行業如核電、機場、高鐵的高標號混凝土均使用人工砂石。傳統的混凝土生產技術和觀念認為，特細骨料( 小于 0. 075 mm) 的含量要保持到絕對最小。在混凝土生產中，對石粉小于 0. 075mm 的摻量問題主要受制于 JGJ /52—2006《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》規范的規定:限制了小于 0. 075 mm 的石粉使用，用人工砂比天然砂水灰比放大 0. 05 后，配制的混凝土強度不但不降，反有提高。水電九局曾探索用少量比例的石粉代配混凝土，發現其 28 d 強度比對照組提高了10% ～ 15% ，2003 年將其應用于索風營水電站大壩混凝土中，代替了 6% 的粉煤灰摻量。有的生產企業也做過類似的試驗，且替代的比例很高，結果是混凝土用水量減少、和易性改善、流動性提高并減少了泌水; 還有人做過人工砂與天然砂的電鏡分析，觀察發現石灰石質人工砂與水泥水化凝膠間結合緊密，界面處無裂縫，幾乎分不出兩者的界限，而天然砂與水泥水化界面多有裂縫，有的寬度達 1～ 2 μm。

2. 2. 2 制砂的連續級配( 細度模數) 與混凝土的關系

砂石骨料的孔隙率的大小直接影響混凝土的強度，以石灰巖為例，砂的顆粒級配孔隙率上限為42% 、下限為 35% ，當孔隙率在 38. 3% 以下時，在做 C30 混凝土試驗時，發現混凝土的抗壓強度增長與砂的孔隙率降低成反比，孔隙率降低 1 個百分點，混凝土強度增長 1 MPa。在和易性一定的情況下，混凝土所需細骨料的級配受骨料本身特性的影響較大，不同粒形將影響骨料的孔隙率，從而影響混凝土配比、力學性能和混凝土拌制的經濟性。粒形方正的顆粒比針片狀的顆粒更適合做混凝土骨料，因為每單位體積中它們的表面積相對較小，同時，壓實后有更高的密實度。細度模數的波動會影響混凝土的和易性，造成混凝土的質量波動較大。

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