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砂石材料性能对混凝土质量的影响 (戎路)

添加日期:2014/6/19 14:57:04   作 者:  来源:   浏览次数:
                                                       砂石材料性能对混凝土质量的影响
                                                                                          戎路
                                                                             混凝土技术服务组
摘要:
本文从砂石的资源、生产和使用、标准、管理方面说明了其在混凝土中的重要作用,建议政府行政部门加强立法保证砂石利用的持续性。
 
关键词:砂石、粒形、级配、混凝土质量、减碳经济
 
产品标准是为了检验和检验产品质量的标准,然而我国的砂石标准多年来已形同虚设,几乎无人执行。业内尽人皆知当前我国砂石质量普遍太差。石子松堆空隙率过高(理想粒形和级配的石子松堆空隙率为38%),针片状颗粒过多(西方国家的限值为5%),砂子中含泥量过大,含石量超出标准很多等。砂石质量不仅是影响混凝土质量的主要因素,而且因此而成为影响我国减碳经济实施的重要因素。首先,使我国混凝土中的水泥用量、用水量和外加剂用量越来越大。一般来说我国混凝土水泥用量和用水量至少比西方国家的多很多,若同国外的先进指标相比,水泥用量差距会更大。假设混凝土年消耗量为20亿m3,假设一方混凝土平均多用10Kg,一年就多用200亿公斤的水泥,因此而多产生的CO2 也会比国外多很多,更重要的是混凝土质量还因此而受到影响,强度还普遍跟不上发达国家的平均水平,当前工程中频繁出现的开裂问题,从材料本身来说,主要是不得不多用水、多用水泥的结果。当然,造成工程质量出现问题的原因并不是单一的因素,而且有时也不都是技术问题,但是目前我国基本建设中资源和能源的浪费和混凝土体积开裂敏感性增大的事实,主要的影响因素却是对砂石质量的忽视。砂石质量关系到建设工程的质量。
砂石质量太差的原因主要是无人认真执行砂石标准和对其质量的监督、检验;无人认真执行和监督、检验砂石标准的原因主要是对砂石的认识误区;对砂石质量认识的误区主要是不了解骨料在混凝土中的重要作用。 
1 对砂石认识的误区
1.1 认为砂石资源取之不尽、用之不竭 
北京的香山方圆160公顷,最高峰海拔557米,体积约4.5亿m2,假定都是岩石,则约有6.8亿吨。2009年我国水泥产量约16亿吨,约消耗砂石100亿吨∕年。一年消耗掉的砂石就约相当于14.7座香山的体积! 离北京最近的河北省三河县的石料场,和10几年前相比,已不见了好几座山头。近年来混凝土用砂石资源已经十分紧张,尤其是天然砂的无节制开采已威胁到我们环境的生态平衡,国家对河砂开采的控管是非常英明正确。虽然可以使用人工砂,但是那也需要消耗天然岩石资源。天然资源不可再生,必须“省吃俭用”才能维持长久。
1.2 认为砂石生产技术简单,因而门槛低,有钱谁都能生产
 砂石生产并非高科技,正因生产工艺简单,才能成为用量巨大的产品。但也必须生产出符合工程要求的合格砂石。首先,要了解用户的需要。砂石的生产者必须具备混凝土基本知识,了解和清楚砂石在混凝土中的作用和影响,以便按用户需要生产,并且能够培训顾客,指导顾客正确地选用;不同的岩石具有不同的物理性质和化学性质,砂石生产者还须具备一定的理论知识,以便正确选择原料和加工工艺。例如由表1和表2可见岩石有不同吸水率和混凝土的线胀系数,会影响混凝土的施工和变形。例如,如果使用砂岩石子,就要比用石灰岩石子多用8kg/m3的水,水胶比必须保持不变,水泥也就相应增多。
表1   不同骨料的吸水率和收缩的关系
不同岩石有不同的热胀系数(表2)[1],则在相同条件下会使混凝土有不同的热胀系数,也就是说混凝土在冷热变化、干湿交替环境下会有不同的变形性质,以致影响其耐久性。
不同的吸水率(表1)不仅影响混凝土的变形性质,而且还有可能影响混凝土的抗冻性。由于不重视岩石矿物学的基本知识,工程中出现问题往往很少考虑骨料是否会有什么影响,
其实有时有可能和骨料有关,例如混凝土路面发生的D-开裂(图1)[2]。D-开裂是因开裂的形状像英文字母D的右半边(图1),是因混凝土中饱水的石灰岩骨料受冻融循环作用胀裂(图2)[2]而引发的。
岩石大多由矿物组成,受力后可沿晶面断开呈现平整或光滑的表面,在使用颚式破碎机破碎时,会造成针片状颗粒,影响混凝土拌合物的包裹流动等性能。颚式破碎机价格最低廉,目前国内大多数作坊式的采石场仍然都在使用。这是造成石子粒形差的主要原因。
图3 芯样中可见粗骨料粒形很差,砂中含泥量很大,混凝土严重不均匀
图3为某工程抽检的芯样,由于骨料粒形和级配很差,砂子含泥量很大,必须使用较大量的水泥浆(水泥+水)和减水剂才能保证拌和物有足够的流动性,结果造成拌和物的离析、泌浆,浇筑后严重不均匀。对这种结果,砂石供应商既不知道,也不关心。
因此,并不是任何人都能生产合格的砂石,不懂混凝土,不懂熟悉岩石矿物组分,会过多地消耗本该给子孙后代留一点的资源,而且还不断地为他们制造建筑垃圾。
2  砂石和混凝土质量的关系
我国在传统上把砂石称作混凝土的骨料,是因为岩石强度很高,对混凝土强度起很大作用,于是对砂石的选择主要看重强度,目前市面上的石子,名义上的“连续级配”实际上很多石子都做不到连续级配,级配缺失很常见。
2.1骨料和混凝土强度的关系
过去,在主要使用塑性混凝土的情况下砂石强度确实会不同程度地影响混凝土的强度;上世纪50年代末我国曾经有构件厂使用过干硬性混凝土,水灰比低、浆体含量少,拌和物没有坍落度,用V-B稠度仪检测时,工作度为20秒以上,只能用于预制构件,在高频振动台上加压强力振捣,工人劳动强度大,噪声震耳,而且能耗很大,不久就不再生产了。这样的混凝土强度取决于石子强度和浆体-石子界面的粘接强度,石子对混凝土强度的贡献显而易见。当时,一般使用低塑性混凝土(坍落度10mm~30mm)和塑性混凝土(坍落度30mm~50mm、50mm~70mm、70mm~90mm);上世纪初开始使用流态混凝土(坍落度100mm以上);石子对混凝土强度的作用随浆骨比的增大而减小。在泵送混凝(坍落度150mm以上,当前普遍都超过200mm),石子在混凝土中呈悬浮状态,骨料对混凝土的强度的影响相比较以前小了很多。现在用颗粒强度很低的轻骨料(陶粒)已配制出高强(C50以上)泵送混凝土就是明证。在现代混凝土中,砂石在混凝土中的作用主要不是强度,但却是不可或缺的关键角色。
 然而,当水胶比一定时,砂石用量和粒径影响混凝土中界面过渡区的厚度和数量,因此对混凝土的强度有影响。图4[3]表明,当水胶比很大时,石子粒径对强度的影响不显著,水胶比越低,影响越大。水胶比一定时,净浆强度高于砂浆强度,砂浆强度高于混凝土强度。
2.2 砂石在混凝土中的骨架作用主要是稳定体积。 
大多数混凝土用的普通岩石线胀系数为5×10-6~13×10-6/℃,而硬化硅酸盐水泥净浆线胀系数为11×10-6~20×10-6/℃,二者相差约1倍。如果没有骨料,水泥净浆硬化后会产生很大的收缩,稍有约束,就会严重开裂。
由图5[3]可见,混凝土水灰比越大,骨料用量对混凝土收缩的影响越大。在图6[4]中可见,对混凝土塑性收缩影响的规律也是净浆>砂浆>混凝土,而混凝土水泥用量越大(骨料越少)影响越大。骨料对混凝土自收缩影响的规律也如此(见图7)[4]。
 

2.3骨料粒径和粒形对混凝土其他性能的影响
2.3.1 粒径的影响
图8[3]和图9[4]为骨料粒径与混凝土渗透性和抗冻性的关系。由图8可见,骨料水灰比越大,骨料粒径对混凝土渗透性的越大,砂浆的这种影响最小;图9表明骨料粒径大会降低混凝土的抗冻性。
    
图8  骨料粒径和混凝土渗透系数的关系  图9 骨料粒径对混凝土抗冻性的关系
2.3.2 粒形的影响
对于满足一定强度和密实性要求的混凝土来说,拌和物的施工性是保证混凝土最后质量的最重要性质。对混凝土施工性来说,骨料的粒形有时比级配的影响还要大。理想的骨料粒形呈等径状(即宏观球形)。表面粗糙程度相同时,等径状骨料的比表面积最小,需水量最小,可以同时满足施工性和强度等硬化混凝土性质。表3 所示为某工程用不同骨料配制C60混凝土时的不同表现。用风化粗粒花岗岩的混凝土的坍落度为195mm时,28天强度可达71.3MPa,而乌石谷的石子属于致密石灰岩,强度高,但粒形不好,,因混凝土拌和物需水量大,在满足混凝土强度要求的水灰比下,拌和物流动性较差。如要保证坍落度也达到195mm,其措施一是增大用水量,即增大浆骨比,则既不经济,又会有更大的开裂敏感性;措施二是提高水胶比,则强度会达不到要求。在表3中,其所用水灰比降不下来,结果是强度达到68.8MPa时,坍落度才不到150mm,显然不如使用强度较低但粒形好的的风化粗粒花岗岩。
表3 石子对混凝土性质的影响
而且骨料的粒径也会明显的影响混凝土的施工性能,针片状含量过高会影响混凝土的流动度,影响钢筋混凝土的过筋能力,造成堵塞。                                            
   我国当前的混凝土“难做”和骨料粒形有很大关系。从图10中可见我国目前常用石子粒形质量的差距。图10中的c 是针、片状颗粒形貌,可用其与日本和中国常用石子作比较。在日本石子(a)中找不到针、片状颗粒,而在中国的常用石子(b)中,则针、片状显而易见,即使在尺寸上还够不上c中的标准,也少见等径状。d是我国山东某石料公司产品之一,和日本的产品已几乎无差别。可见这样的优质骨料我国不是做不出来。
      
a. 日本的常用石子    b. 中国的常用石子     c. 针片状颗粒       d. 山东某公司石子
图10  石子粒形的对比
 
2.4  关于骨料的级配
    骨料的连续级配即不同尺寸颗粒合理搭配的比例,目的是不仅得到最小的骨料空隙率,而且也得到最小的骨料比表面积,但是在骨料的生产中只能从数量上做到级配,却无法做到整体产品级配的均匀性。因为砂石这种产品是散粒状的堆积物,在装、卸、运输等的动力作用下,原来不同大小的颗粒混合均匀的整体,会发生小颗粒向下移动而大颗粒留在表面的现象,堆积成锥形后,在表面的大颗粒会沿着锥形的斜面滚落。于是料堆的级配就失去均衡,混凝土生产中在这样的料堆所取骨料也就没有了级配。因此西方发达国家的砂石料都是分级供应,使用时按要求自行级配,按级配分级投料。规范中的连续级配不是对生产者而是对使用者规定的。为了保证满足混凝土的需要,我国砂石标准至少应当对石子明确规定分级供应。我国已经有一些混凝土使用了用单粒级、两级配或三级配后,混凝土水泥用量减少了很多,但是如果粒形不好,使用的时候就算多种石子配合使用一样不能将孔隙率有效降低,达不到理想效果。
3、骨料质量和砂石标准
我国砂石质量问题产生原因当然比较复杂,但是除了体制问题、买方生存竞争问题等非技术性问题外,很重要的是观念问题:无论是卖方还是买方,无论是用户还是市场的调控者,对砂石的认识存在很大的误区,例如,一般产品标准是为了出厂的合格检验用的,带有强制性──不合格的产品不能出厂,但是我国砂石产品的国家标准居然是“推荐性”的,因而造成没有任何人执行砂石标准,也没有人对砂石质量进行检验。
当前砂石资源日益匮乏,尤其是天然级配良好的河砂,几近枯竭。用石子生产中的下脚料生产人工砂,而现在绝大多数的人工砂生产商为了节约生产成本,使用的制砂设备依然很陈旧,生产出来的人工砂级配很差,同时含粉含泥量很高,严重影响混凝土的质量,拌合后的混凝土包裹性很差,跑浆严重,给施工方和混凝土生产方带来极大的麻烦。当然也有少数的人工砂质量很好,无论是级配还是粒形都能媲美天然砂,实践证明,使用优质的人工砂对混凝土不仅无不良影响,反而会改善拌和物的施工性能,尤其是天然河砂和人工砂混合使用,效果极好。
4、建议
① 骨料质量对混凝土质量,进而对混凝土结构工程质量,尤其是混凝土结构的耐久性,举足轻重,没有骨料就没有混凝土,即使有朝一日砂石价格翻倍,也必须使用;骨料质量影响混凝土结构工程的百年大计,不容忽视。实际上,不重视砂石质量,给工程质量带来隐患,而且也涉及对社会和子孙后代的责任!天然资源不可再生,希望政府部门像调控水泥生产一样地调控砂石的开采和加工,免得当后人需要对我们留下的劣质结构物进行修补加固或重建时,却已是资源枯竭。
② 混凝土的生产上,尽管自从有了高效减水剂,缓解了很多的技术问题,但外加剂也不是万能的,也只是弥补骨料上的一些小的缺陷,骨料的质量还是不容忽视。对骨料用量来说,在水胶比一定的条件下,增大浆骨比时,拌和物流动性增加,混凝土弹性模量减小,体积稳定性下降,开裂敏感性增大,强度和抗渗性提高;浆骨比减小时,拌和物流动性减小,强度和抗渗性会下降,但弹性模量会增大,体积稳定性增强,易裂性减小;平衡这些矛盾目前还是得依赖的是技术人员的水平。
③ 提高砂石质量也需要形成买方市场,砂石用户首先要转变观念,不能为图便宜或能欠账等一己私利损害社会的利益。
④ 对砂石质量和生产及管理要求的建议
改变生产工艺,以保证粒形,例如除初破外不能再用颚式破碎机;
供应单粒级石子,提高限制粒形的标准,例如针、片状颗粒至少应小于10%;
要求水洗骨料,带水供应(尤其是砂),以便于混凝土生产的质量控制; 
严禁在砂石中掺入泥土;
加强合同意识和管理部门的合同管理,完善法律文件。
参考文献
[1] 潘志华,泡沫混凝土的变形和开裂问题及其可能的控制途径,泡沫混凝土协会官方网 技术研讨 2010.2.1
[2]覃维祖,王栋民,丁建彤译P. K. Mehta,Paulo J. M. Monteiro原著 MicoStructure, properties and Materials, 中国电力出版社,McGraw-hill Education(Asia) 键合出版,2008年9月第1版第一次印刷,北京。
[3] A. M. Neville, Properties of Concrete, the sixth print of four and final edition, Pearson Education Limited, 2000.England.
 

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