机制砂在北川灾后重建过程中的应用

天然砂作为常规建筑材料已有若干年的时间，但是北川当地天然砂资源有限，并且随着我国大力提倡环保节能、科学发展、水土保持等一系列政策、法规及其制度的建立，天然砂的开采量受到严重制约，寻找天然砂的替代材料将是必须面临的问题。在北川地区目前大量使用的机制砂是很好的取代材料，但又因为颗粒形状、级配、生产工艺等的落后而只能与天然特细砂混合使用（即混合砂）。本文较系统地对机制砂在北川灾后重建中的应用作了阐述。
关键词：机制砂；灾后重建；混凝土
1、机制砂的生产
制砂机按照破碎原理分主要有锷式、圆锥式、旋回式、锤式、旋盘式、反击式、对辊式和冲击式等。导致最终产品颗粒形状的优劣排序为：锤式和冲击式等优于反击式、圆锥式和旋盘式，锷式、辊式和旋回式最差；但前者制造成本较高。传统的辊式制砂不能很好地改变砂颗粒的形状、大小以及级配，仍然存在细度模数大，4.75、2.36mm颗粒含量偏多，细颗粒偏少的缺陷，而改良后的辊式制砂能有效解决颗粒形状、级配存在的不足，使其满足规范要求的区间范围。立轴冲击式破碎机生产的人工砂，缺少中间粒径，细度模数大，但加工成本低；而棒磨机所制人工砂，级配好，细度模数易于调整，但加工成本高，含粉量高。粗、中、细三段破碎+棒磨机制砂是我国沿用了几十年的砂石生产工艺模式，至今，与时代发展相适应的新的砂石系统设计理念已经形成，并因其具有良好的技术性、经济性而得以推广应用。二者在技术、经济上有着良好的互补性，破磨结合的制砂思路是对人工砂石技术的重要创新。这种新的设计理念概括起来就是：砂石加工“多碎少磨，以挤破代磨破，破磨结合，注重环保，营造绿色生产理念”。通过多段破碎，减少骨料磨碎；不但可提高成品料质量，减少机制砂中石粉含量和设备磨损（即单位产量的耗钢量），降低加工成本，而且还可简化生产工艺，减少制砂耗水量及相应的废水量的排放，有利于环保。并且湿法、干法均可生产。如用冲击破+棒磨机制砂和辊式制砂，可以通过进料量、进料粒径、转速等参数的调整，按工程的需要，人为地较稳定地控制人工砂的质量。在擂鼓镇附近的机制砂生产厂家大部分采用的是目前这种。
2、机制砂的基本特性
2.1GB/T14684—2001国家标准《建筑用砂》中明确了砂按产源分为天然砂和人工砂两类。天然砂包括河砂、湖砂、山砂及淡化海砂；人工砂为“经除土处理的机制砂和混合砂的统称”（本文所述人工砂和机制砂并非混合砂，而是完全由石灰石经机械破碎、筛分制成的不包括软质岩、风化岩的粒径小于4.75mm的岩石细颗粒）。由于人工砂是用专门的制砂机械生产，其颗粒形状、性质等也有别于天然砂，机制砂的普遍特点概括起来主要有如下几点：
2.1.1人工砂颗粒是多棱体，级配合理，粒度均匀，通常含有的石粉可以部分改善混凝土的工作性能。
2.1.2通常在同一工地，人工砂与碎石是同一种母岩制成，热学性能一致，对大体积混凝土技术效果尤为显著。
2.1.3同一生产设备或工艺，机制砂的细度模数和单筛的筛余量成线性关系，对于一种砂子，先通过试验建立关系式后，只要测定一个单筛的筛余量即可快速求出细度模数。
2.1.4机制砂中石粉含量的变化是随细度模数变化而发生变化的，细度模数越小，石粉含量越高；反之，细度模数越大，石粉含量越低。
2.1.5人工砂的粒级差异较大。一种人工砂是由制砂机专门生产的，这部分人工砂级配可调整，但其制造成本较高；另一种是加工碎石时筛除大于4.75mm颗粒后的下脚料，俗称石屑，也有称尾矿，这部分颗粒级配差别很大。一般前者2.36mm以上的颗粒较多，后者0.300mm与0.150mm的颗粒较多且含泥量较高，片状颗粒也较多，严重制约它的应用范围。
2.1.6机制砂配制的混凝土坍落度减小，混凝土28d标准强度提高；如保持与天然砂配制的混凝土坍落度一致，则单位用水量增加；但在不增加水泥的前提下水灰比变大后，一般情况下，混凝土实测强度并不降低。按天然砂的规律进行混凝土配合比设计，人工机制砂的需水量大，和易性稍差，易产生泌水，特别在水泥用量少的低强度等级混凝土中表现明显。
2.2.1成品级配非常合理，针片状含量少，颗粒形状多棱角，属多面立方体，在硬化混凝土中有非常好的咬合力和黏结力。
2.2.2颗粒级配完全符合JGJ52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》中I、II类砂的要求，可将产品分成I类砂细度模数3.1～3.4和II类砂细度模数2.4～2.6，并根据混凝土强度等级搭配成与之相适应的细度模数用于生产，满足不同强度等级和易性和可泵性能，拌合物各项性能良好。
2.2.3成品砂的压碎指标完全符合规范要求（总压碎指标应小于30%），实测压碎指标值在8.0%～9.5%左右。
2.2.4成品中石粉含量均低，一般控制在7%～9%，经亚甲蓝法检测石粉含量时，其MB值为0.4～0.6。
2.2.5用机制砂配制混凝土时的用水量一般较特细砂和混合砂配制的混凝土低5～15kg/m3，具有一定的减水性能。
3、使用和生产人工砂应注意的若干问题
3.1正确认识和利用石粉
根据在北川擂鼓镇搅拌站的试验及国内的一些文献资料反映，机制砂中的石粉含量提高至10%～12%，对混凝土性能无明显影响。0.075mm以下颗粒比表面积达一般在280～310m2/kg，当石粉比表面积达到500m2/kg以上时，石粉在混凝土中具有填充效应、微集料效应以及在碱激发作用下的活性效应，石粉对水泥具有增强作用，石粉在水泥水化反应中起晶核作用，诱导水泥的水化产物析晶，加速水泥水化并参加水泥的水化反应，生成水化碳铝酸钙，并阻止钙矾石向单硫型的水化硫铝酸钙转化。将石粉掺入5%、10%、15%，通过试验证明，水泥胶砂强度随石粉掺量的增加而增加。石粉的高效回收，既可降低人工砂生产成本，又能调节人工砂的细度模数，提高人工砂质量，改善混凝土性能，同时降低生产废水的处理难度，利于环保，石粉作为掺合料替代粉煤灰具有非常高的利用价值，某些方面性能甚至优于粉煤灰生产的混凝土。在目前的擂鼓混凝土生产过程中，部分同等标号的混凝土使用机制砂比使用天然砂的强度有一定的提高，机制砂的石粉含量在15%左右的时候有利于混凝土的泵送。
3.2严格控制机制砂质量
首先必须严格控制用于生产机制砂的原材料中的含泥量，一定按不大于1.0%的要求检测；其次控制好砂的级配、细颗粒含量、颗粒形状、石粉含量、细度模数等指标，并不定时抽检；每季度或半年作一次碱活性试验，对于有多家原材料供应商的，应分别取样检测碱活性，以避免对混凝土耐久性造成危害，擂鼓搅拌站也对不同厂家不同级配的机制砂进行了分类堆放，针对普通混凝土和泵送混凝土的特性选用不同的机制砂。
4、应用范围及总结
通过不断摸索规律，目前机制砂广泛应用于擂鼓镇灾后恢复重建工程3、4号路市政工程，擂鼓小学、幼儿园房建工程，擂鼓镇八一中学房建工程，吉娜羌寨桥梁工程的灾后恢复援建工程中，应用的强度等级有C10～C50，到目前为止共计生产各种等级混凝土3万余立方米。应用效果良好，结构外观质量、收缩变形、抗裂性能等与特细砂和混合砂生产的混凝土无任何差异，甚至优于特细砂和混合砂生产的混凝土，层与层之间的接缝非常密实，无烂根现象，并且较小构件也很容易浇灌密实。用质量优良的机制砂很容易配制高标号的混凝土和泵送混凝土，经过半年多的实际生产应用，对机制砂有了充分的认识，下面是在应用中的点滴体会。
4.1用机制中、粗砂能够配制出性能优良的不同强度等级混凝土。
4.2进场的机制砂根据实际情况分类堆放，最好分为中砂（细度模数2.3～2.6）和粗砂（细度模数3.1～3.4）两种规格，以方便任何强度等级的使用。
4.3材料决定配合比，有什么样的原材料才有什么样的配合比。
4.4机制砂的级配、细度模数、砂率、胶凝材料混凝土的性能影响最大，在调整混凝土配合比时一定注意各因素之间的比例关系。在保证混凝土中粗、细骨料级配良好情况下，一般低强度等级采用高砂率，低胶凝材料用量，小细度模数；高强度等级采用低砂率，高胶凝材料用量，大细度模数。
4.5在确保和易性、可泵性前提下，应尽可能降低砂率。混凝土感觉骨料偏多，但和易性良好为优。
4.6机制砂中的含泥量对外加剂掺量和混凝土的强度、坍落度及坍落度损失影响较大。
4.7水泥用量决定混凝土的强度，但不是绝对的，而是相对的。通过试验，当骨料级配良好时，相近强度检测结果，其配合比水泥（P·O42.5）用量相差可达55kg/m3。
4.8质量合格的机制砂不影响混凝土的凝结时间和坍落度损失，与混合砂和天然砂无异。在北川擂鼓镇地震灾区自然资源有限的情况下，开辟多途径解决细骨料资源问题，是灾后重建混凝土生产的当务之急，用较低的消耗换取最大的经济效益和广泛的社会效益，为国家节约投资，降低生产成本和能耗，减少天然砂资源的开采，维持生态平衡，为灾区的灾后重建建设打开新局面，为建设一个和谐美丽的新北川打下坚实的基础。
 
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  作者简介：  张峰  张少成     单位：济南城建集团有限公司责任编辑：admin