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為什么要使用機(jī)制砂代替天然砂生產(chǎn)混凝土
2022-10-17 10:02
2010年我國(guó)水泥產(chǎn)量已經(jīng)超過(guò)了18億噸，混凝土超過(guò)50億立方米，占到世界混凝土總量的50%以上，砂作為混凝土的重要原材料消耗量也是巨大的。天然河砂作為傳統(tǒng)的混凝土細(xì)骨料已經(jīng)被人們廣為熟知，但是河砂是一種不可再生資源，而且在我國(guó)分布不均勻，云貴和西南地區(qū)一直以來(lái)河砂資源都比較匱乏，再加上這種大宗原材料不便于長(zhǎng)途運(yùn)輸，混凝土用砂的供需矛盾日益突出，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)毓こ踢M(jìn)度。
砂石材料緊俏也引發(fā)了多地非法亂采河砂，河道受損嚴(yán)重，影堤岸安全、防汛排水以及水路交通等，嚴(yán)重影響力自然環(huán)境。因此，找到天然河砂的替代品就成了一項(xiàng)立足當(dāng)下亟待解決的問(wèn)題。我國(guó)從20實(shí)際60年代在一些水電、土木工程建設(shè)中就開始對(duì)河砂的替代品機(jī)制砂的生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品技術(shù)性能和混凝土應(yīng)用進(jìn)行研究。大量的工程實(shí)例和應(yīng)用研究把機(jī)制砂這種人工材料用來(lái)填補(bǔ)天然砂資源的不足。機(jī)制砂不僅能夠解決天然砂質(zhì)量無(wú)法控制的弊病，還解決了天然砂資源枯竭和無(wú)序開采對(duì)環(huán)境造成的影響。而且，在我國(guó)分布著大量的金屬礦和非金屬礦的開采尾礦，這些尾礦占用了大量土地，造成環(huán)境污染，如果將這些尾礦適當(dāng)?shù)乩闷饋?lái)，用來(lái)制成機(jī)制砂，這樣既解決了環(huán)境問(wèn)題，又能提高資源的綜合利用率，實(shí)屬雙贏的舉措。
機(jī)制砂是經(jīng)破碎機(jī)、制砂機(jī)加工，篩分而成，粒徑小于4.75mm的巖石顆粒，不包括軟質(zhì)巖和風(fēng)化巖的顆粒。天然砂是巖石在大氣中經(jīng)過(guò)自然風(fēng)化、水流搬運(yùn)和分選、堆積等自然條件形成的，包括河砂、湖砂、山砂和淡化海砂。兩種截然不同的成因決定著機(jī)制砂與河砂有很多不同之處。
機(jī)制砂是由制砂機(jī)破碎而成，粒型多呈三角體和方矩體，表面粗糙尖銳，粒型因母巖和生產(chǎn)工藝不同而呈現(xiàn)出多種形狀。石灰?guī)r制成的機(jī)制砂外觀顏色是灰白色，花崗巖和砂巖機(jī)制砂為黃黑色。山砂粒型與機(jī)制砂類似，具有棱角，表面粗糙，但含泥量和有機(jī)雜質(zhì)較多，與水泥的粘結(jié)較差，使用時(shí)應(yīng)加以限制；河砂和湖砂因長(zhǎng)期經(jīng)受流水和波浪的沖刷，顆粒多呈圓形，比較千凈，一般工程都采用這種砂；海砂因長(zhǎng)期受到海流沖刷，顆粒圓滑，比較干凈且粒度一般比較整齊，但常混有貝殼及鹽類等有害雜質(zhì)。砂的顆粒形狀和表面特征會(huì)影響其與水泥的粘結(jié)及混凝土拌合物的流動(dòng)性。因此，機(jī)制砂這種顆粒形狀和表面特征相比天然砂來(lái)說(shuō)，對(duì)與水泥的粘結(jié)是有利的，但對(duì)混凝土的和易性是不利的，特別是對(duì)低強(qiáng)度等級(jí)的機(jī)制砂混凝土可引起較大的泌水率。
河砂的形成過(guò)程決定在不同河道、相同河道的不同位置河砂的細(xì)度模數(shù)和級(jí)配往往不同，這是由自然作用決定的。機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)和級(jí)配可以通過(guò)生產(chǎn)工藝中的參數(shù)調(diào)整來(lái)控制，可以靈活的調(diào)整和改進(jìn)。就目前機(jī)制砂的生產(chǎn)使用調(diào)查來(lái)看，機(jī)制砂多數(shù)為中粗砂，細(xì)度模數(shù)一般在3.0~3.7范圍。從顆粒組成統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析，機(jī)制砂大于2.36mm和小于0.15mm粒級(jí)的顆粒偏多，而中間顆粒偏少(尤其是0.3mm~1.18mm )有時(shí)某一粒級(jí)斷檔。
機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)和級(jí)配是有相關(guān)關(guān)系的，在某一特定的生產(chǎn)設(shè)備和工藝下，機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)和單篩的篩余量呈線性關(guān)系，可以先通過(guò)試驗(yàn)先確定這種關(guān)系，然后可以方便的測(cè)定一個(gè)單篩的篩余量來(lái)快速計(jì)算細(xì)度模數(shù)。機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)還和級(jí)配中微細(xì)粒級(jí)的石粉有很大的關(guān)系，一般機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)受石粉含量影響很大，石粉含量高細(xì)度模數(shù)小，石粉含量低時(shí)細(xì)度模數(shù)就大。
機(jī)制砂中的石粉是機(jī)制砂在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的，與母巖礦物成分相同，粒徑小于0.075mm的巖石顆粒。石粉雖然與天然砂中泥粉的粒級(jí)界定相同，但是并不同于泥粉。泥粉與石粉的成分不同，粒級(jí)分布不同，在混凝土中起的作用更不同。泥粉中經(jīng)常會(huì)有有機(jī)物、云母、輕物質(zhì)等有害雜質(zhì)，這些雜質(zhì)會(huì)減弱漿體和骨料界面的粘結(jié)力，增大混凝土的用水量，在水泥石基體中引入空洞和缺陷，在很大程度上影響混凝土的強(qiáng)度。而潔凈的石粉(完全與母巖礦物成分相同)構(gòu)成了機(jī)制砂的微細(xì)級(jí)配，在混凝土中起到填充，甚至?xí)龠M(jìn)水化和參與水化，對(duì)機(jī)制砂混凝土的一系列性能起改善作用。
研究發(fā)現(xiàn)，石灰?guī)r質(zhì)機(jī)制砂中的石粉70%顆粒分布集中在16μm以上，平均粒徑為36.9μm。而天然砂中的泥粉70%顆粒分布集中在16μm以下，平均粒徑為8.4μm。石粉的粒度分布不僅填充了混凝土骨料之間的空隙，還在一定程度上提高了混凝土的保水性和勃聚性，改善了混凝土工作性。蔡基偉對(duì)不同石灰?guī)r質(zhì)石粉過(guò)75μm篩后，測(cè)量其比表面積，其中高開石粉比表面積為204m2/kg，各種風(fēng)選石粉比表面積為310~360m2/kg，與水泥接近，遠(yuǎn)小于粘土的比表面積。
機(jī)制砂中的石粉作為集料的填充部分，填充了大顆粒之間的空隙，改善了微細(xì)級(jí)配，提高混凝土密實(shí)性，進(jìn)而提高了混凝土綜合性能。石粉除了填充作用外，一些研究人員通過(guò)研究石灰石粉摻入混凝土中對(duì)混凝土的強(qiáng)度起到增強(qiáng)作用，是因?yàn)樗鼌⑴c了混凝土的水化反應(yīng)。
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