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机制砂生产与技术服务

作者:浙江省建筑材料科学研究所有限公司发布时间:2020-09-09 09:21:05 浏览次数:

近几年,国内天然砂开采量受限,机制砂逐渐成为替代品满足建设用砂需求,其发展已引起政府部门高度重视。在大力倡导绿色发展理念下,推广机制砂应用的呼声已上升到2018年两会提案,同济大学张雄教授提交了《关于促进机制砂生态环保产业健康发展的建议》,该提案期望完善机制砂行业标准,建立绿色建材评估体系,出台鼓励发展机制砂市场的政策。从目前地方政策来看,已有贵州、湖南、安徽等省部门提出了绿色矿山建设发展规划。自然资源部以促进资源合理利用、节能减排、保护生态环境和矿地和谐为主要目标,发布了DZ/T 0316—2018《砂石行业绿色矿山建设规范》。总的来说,新政策有利于发展机制砂产业,推动生产机制砂走绿色发展之路。

    一、机制砂特性分析

我省经过的培育,预拌砂浆市场供求体系逐步建立,预拌砂浆经历了飞速发展阶段近些年,预拌砂浆企业在砂的选择上选用机制砂但机制砂的应用中也出现较多的问题。这主要由于制备机制砂石材品质不高,成型差,生产砂浆质量低下,主要特性可分为以下几个方面:

       1.机制砂生产砂浆配方分析

机制砂种类繁多,根据岩石成分不同,可分为石灰石机制砂、鹅卵石机制砂、白云石机制砂等,当不同岩石通过粉碎制得机制砂成分也不尽相同,砂子强度等级不同,空隙率不一样,例如鹅卵石破碎生产机制砂中石粉没有粘性,纯粹是一种填充剂,生产砂浆容易开裂。不同岩石成分不一样,将会导致砂浆生产中调配困难,往往需要通过大量的试验研究才能得出合理的调配方案,且不易重复,当岩石稍作更换,就需要重新调配。

       2.机制砂级配分析

在对岩石进行破碎中,由于破碎设备的原因,并不能很有效的破碎成级配优良的砂,一般都会呈现出两头大中间小的趋势,即粗颗粒(2.36mm以上)和细颗粒(0.15mm以下)较多,而中间颗粒(0.3-1.18mm)较少,有时候甚至会出现某一粒级断档现象。机制砂的颗粒级配对预拌砂浆的和易性、力学性能、收缩性能和抗冻性能均有显著的影响。当机制砂级配不均匀,将会大大影响预拌砂浆的质量,降低砂浆性能。

       3.机制砂形状分析

机制砂通过机械破碎,会出现表面粗糙,且有尖锐的棱角,形状不规则等特点。机制砂的形状不规整,可提高机制砂颗粒间的嵌挤锁结作用,并且粗糙的表面结构更有利与水泥粘结,从而提高砂浆的硬化性能;但由于其表面的不规整,对砂浆的流动性和保水性有不利影响,且还会影响施工性能。

       4.机制砂石粉含量分析

岩石在粉碎过程中会出现大量的石粉,通常石粉含10-15%左右,而机制砂中的石粉与天然砂中的泥含量不同,石粉与机制砂属于同一母岩,成分相同,热学性能一致,能够完善机制砂的级配,起到润滑作用和填充作用,改善砂浆的和易性,增大硬化后砂浆的密实度,同时,对硬化后砂浆的力学性能、抗冻性和收缩性能都有显著的改善。但是由于石粉一般是粒径小于0.15mm的微小颗粒,若量过多,会大大增加砂浆的需水量,严重影响工作性能。若在机制砂生产过程中,对石粉进行抽取处理,这样导致砂浆级配的不合理,影响砂浆性能,而适量的石粉也能够有效的填充砂浆间的间隙。因此,对石粉含量需要适量的控制。

    二、机制砂生产技术要求

       1.石粉含量和泥块含量

机制砂中的石粉含量和泥块含量应符合表1的规定。

1 机制砂中泥块含量和石粉含量限值

项目

指标

MB<1.40或合格

石粉含量

(按质量计,%)

<3.0

<5.0

<7.0

泥块含量

(按质量计,%)

0

<1.0

<2.0

MB≥1.40或不合格

石粉含量

(按质量计,%)

<1.0

<3.0

<5.0

泥块含量

(按质量计,%)

0

<1.0

<2.0

       2.有害物质

机制砂中不应混有草根、树叶、树枝、塑料、煤块、炉渣、沥青等杂物。机制砂中如含有云母、轻物质、有机物、硫化物及硫酸盐等有害物质,应符合表2的规定。

2 机制砂中的有害物质限值

项目

指标

云母含量(按质量计,%)<

1.0

2.0

3.0

轻物质含量<(按质量计,%)

1.0

1.0

1.0

有机物(用比色法试验)

合格

合格

合格

硫化物及硫酸含量(以SO3质量计,%)<

0.5

0.5

0.5

氯化物(以Cl离子质量计,%)<

0.01

0.02

0.06

    三、机制砂制备预拌砂浆的研究

       1.砂基本性能

试验用砂取自预拌砂浆生产企业用砂堆场,由于一次取样数量有限,分别取了若干次,不同时期取得的砂样性能有所差别。每次取样都经筛分分析,并编号以示区别。试验用天然河砂(简记为HT砂)取自1公司生产用砂堆场,按取样先后分别标记为HTHTHTHT;鹅卵石机制砂(简记为EJ砂)取自2公司生产用砂堆场,按取样先后分别标记为EJEJ;石灰石机制砂(简记为SJ砂)取自3公司生产用砂堆场,按取样先后分别标记为SJSJSJ。取得的砂样经烘干后,测试基本性能,结果见表3

3 试验用砂物理性能

砂种类

各号筛分计筛余/

细度模数

松散堆积密度

Kg/m3

/空隙率%

紧密堆积密度

Kg/m3

/空隙率%

2.36-

4.75mm

1.18-

2.36mm

0.6-

1.18mm

0.3-

0.6 mm

0.15-

0.3 mm

筛底

HT

0.2

0.3

3.7

42.8

42.6

10.3

1.4

1359/48.4

1526/42.1

HT

6.1

10.1

12.2

21.4

28.3

22.0

1.8

1493/43.4

1616/38.7

HT

13.7

14.4

15.5

33.5

17.5

5.1

2.6

1458/44.7

1583/39.9

HT

0

0.1

4.8

29.9

46.7

18.5

1.2

1470/44.2

1540/41.6

EJ

14.2

22.5

23.1

25.5

7.3

7.3

2.9

1207/54.3

1342/49.2

EJ

6.4

21.5

21.6

28.8

11.1

10.8

2.5

1360/48.6

1450/45.2

SJ

12.4

22.3

15.6

16.2

7.6

25.5

2.4

1580/42.1

1750/35.9

SJ

0.1

40.5

31.2

13.3

3.0

11.9

2.9

1646/39.7

1796/34.2

SJ

5.3

19.5

17.9

19.7

9.1

28.5

2.1

1696/37.9

1886/30.9

注:砂样中均不含大于4.75mm颗粒;经测试,天然砂表观密度2636 kg/m3,鹅卵石机制砂表观密度2644kg/m3,石灰石机制砂表观密度2731kg/m3,以此作为计算空隙率的依据。

由表3可见,天然砂的细度模数分布较大,最细天然砂细度模数为1.2,最高为2.6,细度模数为2.6符合预拌砂浆的制备,而细度模数只有1.2时,制备预拌砂浆的性能并不能符合所需的要求;而机制砂的细度模数在2.0~3.0之间,不同机制砂的细度模数变化也不大,这是由于机制砂在制备过程中可有效的控制其细度模数,制得所细度模数的砂。

鹅卵石机制砂的空隙率明显比天然砂高,而石灰石机制砂的空隙率明显比天然砂低;将表中的空隙率数据绘制成折线图,可以更直观地看出三者的差别,见图1。鹅卵石和石灰石机制砂的空隙率相差较大,可能与制砂母岩的硬度差别大有关:鹅卵石主要成分为石英,莫氏硬度约7;石灰石主要成分为碳酸钙,莫氏硬度约3。机制砂通常经由粗碎、细碎和制砂(整形)等工序制成。用高硬度的鹅卵石制砂,不仅需要更大的破碎能量,形成的颗粒形状也不易整形改变,制成的砂子粒型不规整度高,制砂过程中产生的粉料少,进而堆积密度低、空隙率高;石灰石由于硬度低、易破碎,制成的砂子粒型较规整,制砂过程中产生的粉料含量较高且更细,进而堆积密度高、空隙率低。

1 机制砂与天然砂堆积密度分布图

图片关键词

 

将表3中的空隙率绘制成折线,可以更直观的看出天然砂与机制砂空隙率之间的变化,见下图2。由表3和图2可见,鹅卵石机制砂的空隙率明显要大于石灰石机制砂和天然砂的空隙率,这可能与鹅卵石机制砂形状不规则、棱角分明,易形成卡屋结构有关;而石灰石机制砂相比与天然砂和鹅卵石机制砂空隙率均要小,这可能是与石灰石机制砂石粉含量较多,有效的堆积在空隙中,使其空隙率减小。

2 机制砂与天然砂空隙率分布图

图片关键词

2.砂对砂浆基本性能的影响

按照JGJ/T220-2010《抹灰砂浆技术规程》,水泥抹灰砂浆配合比设计可按表4选用。由表4可见,对于给定的砂子,水泥砂浆的强度等级取决于水泥用量,砂浆砂灰比的不同实际即水泥用量的不同,主要影响其强度等级。换言之,砂浆性能是水泥用量或砂灰比的函数,这方面的研究已相对成熟,资料也多,不再作试验研究。项目主要对比考察了机制砂和天然砂对砂浆性能的影响。

试验按表4M15砂浆选定配合比,取:水泥用量350 kg/m3,水用量280 kg/m3,砂用量1m3干砂;分别以不同品种的砂配制成水泥砂浆。

4 JGJ/T220-2010中水泥抹灰砂浆配合比的材料用量(kg/m3

强度等级

水泥

M15

330380

1m3砂的堆积密度值

250300

M20

380450

M25

400450

M30

460530

试验中主要考察了砂浆混合料的稠度,硬化砂浆的抗压强度和干缩值,结果见表5

5 机制砂与天然砂对砂浆性能的影响

砂种类

砂用量

g

水泥 g

砂灰比

/细度模数

砂浆稠度 mm

脱模容重kg/m3

28d强度MPa

28d收缩率

HT

3488

800

4.36/1.4

21

1975

19.6

0.039

HT

3693

800

4.62/1.8

30

2028

23.4

0.015

HT

3619

800

4.52/2.6

51

2089

22.9

0.045

EJ

3681

960

3.83/2.9

57

2107

30.7

0.150

EJ

3315

800

4.14/2.5

50

2096

27.4

0.132

注:试验中统一水灰比为0.8;配比设计时,砂用量按其紧密堆积密度计算。砂灰比系根据砂和水泥的实际用量计算而得。级配砂细度模数按普通砂细度模数计算方法计算而得。

5中专设一栏列出了经计算而得的砂灰比和所用砂细度模数数据,其目的是方便对砂浆性能影响因素进行对比分析。由砂浆稠度试验结果可以看出,影响砂浆稠度的主要因素是砂子的细度模数,实际上应是砂子的总比表面积大小。从天然砂细度模数可看出,随着砂子细度模数的降低,砂浆的稠度减小,如要保持相同的稠度,就须增加用水量。砂灰比的不同对砂浆稠度的影响较小。从砂浆试块的脱模容重看,同种类砂随着砂子细度模数的增加,容重略有增加,机制砂的容重要大于天然砂。由此可见,机制砂配制砂浆的致密度要略高于天然砂。

将表5中的28d抗压强度绘制成柱状图,可更加直观的看出天然砂与机制砂强度的变化情况,如下图3所示,制砂和天然砂所配制的砂浆均能达到M15的设计强度要求。用机制砂配制的砂浆强度明显比天然砂高,这可能与其表面粗糙,与水泥浆的结合力强有关。从砂浆的28d收缩率来看,机制砂的收缩率明显比天然砂要高些,可能与机制砂的抗压强度明显高些有关。所有试验试样的收缩率均能达到抹灰砂浆的国标要求。

综上所述,机制砂配制砂浆的稠度与力学性能要略优于天然砂。

3 机制砂与天然砂28d抗压强度

 图片关键词

3.水灰比对机制砂基本性能的影响

由上述砂对砂浆基本性能研究中可看出,在相同配比情况下,机制砂的稠度、抗压强度、收缩率均要比天然砂略高。下面是将机制砂进一步的砂浆性能对比试验,通过将鹅卵石机制砂EJEJ)和石灰石机制砂(SJSJSJ)试验,试验方案及结果见表5和表。表4中砂子用量和水泥用量按M15砂浆设计配合比,砂用量按其紧密堆积密度计算而得,故每组砂灰比均不同。表5和表6中,EJ砂和SJ砂砂浆配比设计时,砂用量按其紧密堆积密度计算。

6 定水灰比(0.8)时机制砂对比试验

砂种类

砂用量

g

水泥 g

砂灰比/

细度模数

砂浆稠度 mm

脱模容重kg/m3

28d强度MPa

EJ砂Ⅰ

2684

700

3.83/2.9

51

2173

33.1

EJ

2900

700

4.14/2.5

45

2114

32.8

SJ砂Ⅰ

3500

700

5/2.4

22

2219

29.0

SJ

3592

700

5.13/2.9

41

2281

30.2

SJ砂Ⅲ

3772

700

5.39/2.1

25

2154

28.4

由表6可见,定水灰比时,随时机制砂细度模数依次减小、比表面积依次增大,配制的砂浆稠度和脱模容重也依次减小;砂浆强度也随着细度模数的减小而减小,但总体相差不大,强度大大超过标准所要求的强度等级,这说明机制砂表面的粗糙程度可有效加强砂浆中的嵌合力,提高砂浆的强度等级。

7  定稠度(90±5mm)时机制砂及其级配砂对比试验

砂种类

砂用量

g

水泥 g

灰比

砂浆稠度 mm

脱模容重kg/m3

28d强度MPa

EJ砂Ⅰ

2684

700

1.00

91

2103

22.1

EJ

2900

700

1.00

89

2089

21.8

SJ砂Ⅰ

3500

700

1.10

88

2165

15.4

SJ

3592

700

1.10

92

2212

16.2

SJ砂Ⅲ

3772

700

1.10

90

2154

15.1

从表7中可以看出,定稠度时,机制砂配制砂浆的需水量均明显增多,脱模容重略有偏低,但其强度降低较多。稠度是砂浆施工容易程度的一个标准,只有当稠度达到一定范围时,砂浆的施工性能才会较为优异,特别对于抹灰砂浆来说,更加容易抹平。在鹅卵石机制砂和石灰石机制砂的对比中,鹅卵石机制砂的需水量明显要比石灰石机制砂的需水量要低,这是由于石灰石机制砂中的石粉含量较多,增加了蓄水量,因而导致其强度也有所下降。

对于机制砂配制砂浆的研究中可看出,不同机制砂配制砂浆性能也有所不同,但总体相差不大,这是由于机制砂岩质的不同,导致其性能的区别。

    四、结论

1.通过对砂基本性能分析,机制砂细度模数较为稳定,天然砂变化较大,机制砂相对与天然砂更加容易配制预拌砂浆;

2.机制砂与天然砂相比,在相同配制情况下,机制砂配制砂浆的28d抗压强度和28d收缩率均比天然砂配制砂浆要高;不同岩质的机制砂配制砂浆的基本性能也不同,鹅卵石机制砂配制砂浆的28d强度要高于石灰石机制砂配制的砂浆。


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