混凝土用骨料:细骨料

2020年12月6日17:10:37 发表评论 1,267

这是混凝土骨料系列的第二篇文章,主要探讨混凝土用细骨料,该系列文章有以下系列组成:

混凝土用骨料:骨料的作用

混凝土用骨料:细骨料(本文)

混凝土用骨料:粗骨料

混凝土用骨料:骨料的指标

一、细骨料在混凝土中的作用

细骨料也就是常说的砂,其粒径范围介于粗骨料和胶凝材料之间,现行技术标准通常用4.75mm孔径的方孔筛来区分粗骨料和细骨料,尽管这一粒径划分未必能够区分粗细骨料的性质。

细骨料按照来源可分为天然砂和机制砂,天然砂主要是河砂、山砂、海砂。不管什么来源的细骨料,其在混凝土中的作用都是一致的:其颗粒粒径介于胶凝材料和粗骨料之间,它填充了粗骨料之间的大部分空隙,并与水泥浆均匀混合形成水泥砂浆,这不仅使水泥浆在混凝土中分布更加均匀,也可使粗骨料均匀悬浮于砂浆中,进一步提高了混凝土的均匀性,在均匀的砂浆中,细骨料将水泥浆分割阻断,使水泥浆的收缩应力分散,缓解了结构因水泥浆的收缩而开裂。

细骨料的这些作用是混凝土能够形成稳定结构的重要前提,因此,不得不说细骨料在混凝土中的作用是非常重要的,在混凝土中也必须正确使用细骨料。

其重要性不仅体现在对结构的作用,还体现在混凝土的生产过程中。不同种类和品质的细骨料会对混凝土的工艺性能产生巨大影响,进而也会对结构产生重大影响。例如:山砂和利用风化石生产的人工砂,含有很多风化颗粒、云母、轻物质,这样的颗粒吸附性很强,严重时可使混凝土单方用水量增加70kg以上,使混凝土的性能劣化。

细骨料品质对混凝土性能影响如此之大,究竟细骨料的哪些指标对混凝土产生影响?我们在施工中又该如何甄别、选择和使用?本文围绕这些方面做简要阐述。

二、细骨料品质对混凝土性能的影响

(一)细骨料吸水性对混凝土单位用水量的影响

在混凝土中,需水量指新拌混凝土达到一定的可塑性状态所需要的用水量,它决定着配合比设计时的单位用水量。而混凝土各类原材料的需水量决定混凝土的总需水量,细骨料作为混凝土的主要材料之一,细骨料的吸水性对混凝土单位用水量的影响很大,而混凝土的单位用水量决定混凝土的流动性。但单位用水量必须控制在一定范围内。其原因在于,水胶比决定混凝土的强度和耐久性。在混凝土中,胶凝材料总是有限的,过大的用水量不能保证强度和耐久性。即使不计成本使用很大量的单位用水量和胶凝材料用量,在施工过程中,混凝土也会因为水太多而不稳定。人们一定会想,单位用水量过大,可以更多地使用减水剂来减水。但是,一般情况下,如果不使用减水剂,要达到混凝土流动性的要求,其单位用水量大约在240kg/m3以内,如果细骨料吸水导致单位用水量达到300kg/m3以上,使用的减水剂量(以固含量计)会很高。而减水剂的本质作用是放大水的作用(混凝土用减水剂:减水剂的本质作用)。这样在实际施工中,各种原因带来的水的波动,会让混凝土的流动性剧烈变化。过多的减水剂甚至还会直接导致混凝土离析泌水或浮浆。这都会让混凝土的工艺性能不稳定。

材质相同的细骨料,其比表面积决定着需水量的大小。所以同一种细骨料颗粒越小其需水量越大,尤其是0.075mm以下颗粒增加,其需水量明显增加。但这些颗粒又不可以太少,太少的话,混凝土的包裹聚合性能又会变差。这是工程上控制0.075mm以下颗粒含量的重要原因。

然而,颗粒大小对细骨料需水量的影响仅仅是冰山一角,颗粒成分的组成对需水量影响远比颗粒粗细大得多。蒙脱石、伊利石等矿物质具有很强的吸附性,往往还会伴生云母,这些物质会使细骨料的需水量大增,严重时可使混凝土单方用水量增加数十公斤甚至上百公斤。部分地区使用风化石制成人工砂,这种风化石节理极其发育,大大增加了骨料空隙,使骨料的需水量大大增加。

吸水量大的细骨料用于混凝土会影响混凝土的性能。但是造成细骨料吸水量增大的原因有多种,对专业的混凝土技术人员来讲,需要知道造成这种差异的原因,在选择材料时加以甄别,以便更好地选择和使用细骨料。

(二)粗细与级配对混凝土工作性的影响

细骨料的粗细程度通常用细度模数指标来表示,与细骨料级配不是一个概念,细度模数是对颗粒大小的综合反映,而级配则反映的是颗粒大小的分布情况。

细度模数越高,表示细骨料越粗,反之越细。细骨料的粗细程度对混凝土拌合物的工作性有很大影响,过粗或过细都会对混凝土工作性造成严重影响。一般细度模数控制在1.8~3.3之间,比较恰当的细度模数在2.3~3.0

当砂率选择一定时,粗砂拌合的混凝土容易出现混凝土流动性性不佳、粘聚性差,缺少流动性等;过细的砂会使混凝土拌合物单位用水量增加,导致离析泌水和浮浆,混凝土性能不稳定。

级配反映出细骨料中不同粒径的分布状态。不同粒径的之间的相互搭配对混凝土的性能有很大的影响,因此细骨料的级配的至关重要。粒径分布不合理的确会严重影响混凝土的性能,例如,1.18mm和2.36mm筛孔以上的颗粒过多,而0.6mm筛孔以下颗粒所占比例过少,拌制出的混凝土很可能像豆腐渣一样,包裹性、流动性很差,很难使用,机制砂水洗过于干净经常会出现这种情况。这种情况和粗骨料似乎相反,粗骨料中应尽量减少使用粒径较小的颗粒,而细骨料中应减少粒径较粗的颗粒,尤其是2.36~4.75mm范围的粒径。这从一方面区分着粗骨料和细骨料的作用,粗骨料更多体现在提高混凝土的体积稳定性,而细骨料更多为保证混凝土的工作性。

要充分认识标准对细骨料级配的建议控制范围。一般可以说,满足标准要求的级配,可以方便地配制出工艺性能优异的混凝土,但不满足标准的级配,也有可能配制出工艺性能优异的混凝土。而判定细骨料级配是否合适的标准是配制出优质混凝土而非一定满足标准表格的要求。

(三)其他有害物质对混凝土性能影响

细骨料中的有害物质包括但不限于:泥(石粉)、泥块、有机物、轻物质、云母、软弱颗粒、不安定颗粒、可溶性盐类及具有潜在危害的成分。按照对混凝土性能的影响可将这些有害物质分为两类:

第一类是粉土、黏土、泥块、有机质、轻物质、云母、软弱颗粒等组分,他们的共同特点是比洁净而坚硬的颗粒更加吸水,使混凝土的需水量增加。除此之外,云母为片状颗粒,会阻碍混凝土流动。第二类是一些不安定颗粒或具有潜在危害的成分,包括并不限于:可溶性硫酸盐、硫化物、氯离子、盐类和具有潜在碱-硅酸反应活性颗粒等,他们的特点是会对混凝土本体造成破坏,硫酸盐遇水结晶膨胀,硫化物在有水和氧气的情况下氧化为硫酸盐,氯离子会加速钢筋腐蚀,具有碱活性的颗粒可能导致混凝土发生碱骨料反应,这些都会使混凝土本体遭受破坏,严重影响混凝土的服役寿命,甚至是结构安全。

对于第一类有害物质我们应该限制它的含量,将其危害降低。但是如何控制它们的含量是一项非常值得探讨的问题:如果控制指标非常保守,细骨料的选择范围会非常狭窄,对工程而言是很不经济的;如果控制的过于宽松,有害物质的含量将难以控制,必然会对混凝土工程造成伤害。所以,如何限制这些有害物质的含量不应该简简单单的定一个数字指标了事,专业的技术人员应该清楚这些物质的危害,并能够熟练地掌握一些试验方法来判断其危害程度。例如:粉土和黏土的需水量是大不相同的,有一些黏土的需水量甚至是粉土的数倍(如膨胀土),这时用同一个指标来控制他们的含量显然是不合适的,我们可以通过混凝土试验来判断其对混凝土的危害有多大,还可以通过亚甲蓝试验来判断其属于粉土还是黏土。

对于第二类有害物质,它们的危害程度往往是一线技术人员不能掌握的,不清楚往往会有两种后果:一是谈之色变,非常害怕会对工程造成不可预测的后果,选料时过于谨慎;二是无知者无畏,不了解就不去管,在不知情的情况下可能会对工程造成严重后果。无论是哪一种情况,都是不可取的。可以掌握一些方法来甄别:硫酸盐、硫化物、氯离子和其他盐类只会存在于特定地区,如西北盐碱地区和海砂,煤矿或铁矿的尾砂中可能存在过多的硫化物,可以通过试验来筛选料源,检测方法比较快而简单。对细骨料的碱活性,需要仔细区分,对于具有潜在碱活性的细骨料,可以采取降低水胶比、大量使用粉煤灰等活性矿物外掺料来抑制碱硅酸反应膨胀,保证混凝土不会因为膨胀而破坏。值得一提的是快速砂浆棒法是一个非常严厉的试验方法,经过这种方法检验的不具有活性的骨料一定是碱硅酸膨胀安全的;经过它检验具有潜在碱硅酸膨胀反应的,可以通过采取抑制措施而安全使用;特别要提的是经它检验具有碱硅酸膨胀反应不合格的细骨料,往往还有待进一步的研究。

三、如何选择使用细骨料

细骨料的种类有多种,如果仅仅站在混凝土质量控制的角度,一定是认为品质越优、质量越稳定越好。但我们知道细骨料大宗建筑材料,全国每年用量达数十亿吨,不可能使用昂贵的价格购买,企业在选择细骨料不会追求价格昂贵的“上品”。选择细骨料的基本原则仍然是能配制出性能满足设计要求和施工工艺要求的混凝土。

(一)河砂

河砂是非常理想的建筑材料,是由风化崩解的岩石经水流作用长期冲刷、相互碰撞、摩擦而形成的,由于经受长期的冲刷、碰撞和摩擦,软弱部分变成更细的粉末随水流分离,剩下的颗粒圆顺,棱角少,非常适合用做混凝土细骨料。一般不会含有硫酸盐等对混凝土有危害的盐类,这些可溶性盐类早已随流水溶解消散,基本不会留在砂中,但应注意在我国西北干旱地区干涸的河道中,由于盐碱化严重,砂中会含有较多可溶盐,选择时需要检测和甄别。河砂在选择使用时通常要检查细度、级配、含泥量及碱骨料反应活性。在一些水源充足的河滩地段,植被覆盖较好,这里开采的河砂可能会含有过多的有机物,开采时可去除表层砂或者通过水洗方式去除有机质。

以上所述的这些方面是河砂选择时应注意的,具体的参数指标不一定限制某一特征值范围内,重要的事看其在混凝土中的影响能否被接受。如上文中所述影响细骨料需水量的因素有很多种,仅仅限定某个值与实际并不相符。

(二)机制砂

机制砂是利用机械将岩石破碎成细颗粒,使其粒径满足细骨料的使用要求。经多年来的开采以及国家加强对生态环境的保护力度,河砂资源越来越短缺,机制砂的使用将会越来越多,不久将会取代河砂成为细骨料的主要来源。

生产机制砂时,工艺控制至关重要。一般需要经过原材料粗选择和去泥处理,成砂后还要经过水洗筛选的过程。经过这个过程后,可以将砂的细度控制在2.3~2.8,且级配合理。关键是生成机制砂要改变人们的思想观念。即要按照产品生成的概念来管理和控制生产,改变以往生产随意不控制的不良生产方式。机制砂的生产的机械选择以及管理和控制都有成熟的经验可以借鉴。

(三)其他种类细骨料

山砂是由岩石风化后在原地沉积而成的天然砂。由于没有经过长期的流水冲刷,颗粒多有棱角,表面粗糙,软弱颗粒含量较多,有时会含有过多的云母、黏土等吸水强的物质,虽然它更容易与水泥凝胶黏结,但他所含的吸水物质会使混凝土的需水量增加,影响到混凝土配合比参数的设计,有些即使经过水洗其需水量仍然远大于天然河砂,因此山砂需要经过试验筛选甄别才能判断能否用作混凝土细骨料,而且仅山砂本身的技术指标满足要求是远远不够的,必须要经过试拌混凝土验证才能确定其是否可以使用。

海砂形成与河砂相似,其粒型、级配和坚硬程度都类似于河砂,唯一的区别是它含有大量的盐类,尤其是含有大量氯离子。混凝土中过量氯离子会加速钢筋的腐蚀速度,因此在钢筋混凝土中是严禁直接使用海砂的。使用海砂必须经过淡化处理。

四、结束语

不论选择什么种类的细骨料,或者对其具体的指标作出什么约束,都应该站在混凝土的角度,了解其在混凝土中的作用,对混凝土性能的影响,如此才能对细骨料的种类和指标作出合理的判断,作出合理的选择。然而,细骨料对混凝土的影响是多方面且复杂的,这不仅需要基础知识,也需要很多的实践经验,以上内容仅仅提点方向,远不足以指导实践。混凝土行业的技术人员需要仔细而扎实的技术,不宜人云亦云,也不宜照本宣科。所以我们应该有更多知识和实践,《混凝土的性能》一书对细骨料有详细而全面的介绍,这些内容对本行业的技术人员会非常有用。




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朱永清
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