昌寧工程對(duì)砂石影響混凝土質(zhì)量的分析研究

1、昌寧工程對(duì)砂石影響混凝土質(zhì)量的分析研究 我國(guó)混凝土中的水泥用量和拌和水比發(fā)達(dá)國(guó)家的至少多用了20%，不僅資源浪費(fèi)嚴(yán)重，而且使硬化后的混凝土開(kāi)裂敏感性大，威脅結(jié)構(gòu)物的耐久性，而且因多用水泥而間接地嚴(yán)重影響減碳經(jīng)濟(jì)，其原因就是砂石質(zhì)量太差；砂石質(zhì)量差的原因是大多數(shù)砂石生產(chǎn)無(wú)人執(zhí)行砂石標(biāo)準(zhǔn)，也無(wú)人監(jiān)督管理砂石的質(zhì)量；無(wú)人執(zhí)行和監(jiān)管砂石標(biāo)準(zhǔn)的原因是不認(rèn)識(shí)砂石在混凝土中的重要作用，存在認(rèn)為砂石取之不盡、生產(chǎn)砂石很簡(jiǎn)單、砂石沒(méi)有技術(shù)問(wèn)題等誤區(qū)。砂石作為骨架作用主要是穩(wěn)定混凝土的體積 ，即使將來(lái)砂石比水泥價(jià)格高，也不可不用。從可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)出發(fā)，整頓砂石生產(chǎn)，加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行和監(jiān)管已成為刻不容緩的問(wèn)題。砂石

2、、粒形、級(jí)配、混凝土質(zhì)量、減碳經(jīng)濟(jì) 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)是為了檢驗(yàn)和檢驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)，然而我國(guó)的砂石標(biāo)準(zhǔn)多年來(lái)已形同虛設(shè)，幾乎無(wú)人執(zhí)行。業(yè)內(nèi)盡人皆知當(dāng)前我國(guó)砂石質(zhì)量普遍太差。石子松堆空隙率在45%以上（理想粒形和級(jí)配的石子松堆空隙率為38%），針片狀顆粒超過(guò)10%（西方國(guó)家的限值為5%），砂子中含泥量最多的達(dá)20%，含石量超過(guò)25%。砂石質(zhì)量不僅是影響混凝土質(zhì)量的主要因素，而且因此而成為影響我國(guó)減碳經(jīng)濟(jì)實(shí)施的重要因素。首先，使我國(guó)混凝土中的水泥用量、用水量和外加劑用量越來(lái)越大。一般來(lái)說(shuō)我國(guó)混凝土水泥用量和用水量至少比西方國(guó)家的多用20%，若同國(guó)外的先進(jìn)指標(biāo)相比，可多用30%以上。假設(shè)混凝土年消耗量為20

3、億m3，則少說(shuō)每年多用水泥4億噸，按摻入50%的礦物摻和料計(jì)，不算礦物摻和料加工的耗電，則至少多排放CO2 2億噸！更重要的是混凝土質(zhì)量還因此而受到影響，當(dāng)前工程中頻繁出現(xiàn)的開(kāi)裂問(wèn)題，從材料本身來(lái)說(shuō)，主要是不得不多用水、多用水泥的結(jié)果。當(dāng)然，造成工程質(zhì)量出現(xiàn)問(wèn)題的原因并不是單一的因素，而且有時(shí)也不都是技術(shù)問(wèn)題，但是目前我國(guó)基本建設(shè)中資源和能源的浪費(fèi)和混凝土體積開(kāi)裂敏感性增大的事實(shí)，主要的影響因素卻是對(duì)砂石質(zhì)量的忽視。砂石質(zhì)量關(guān)系到建設(shè)工程的質(zhì)量。砂石質(zhì)量太差的原因主要是無(wú)人認(rèn)真執(zhí)行砂石標(biāo)準(zhǔn)和對(duì)其質(zhì)量的監(jiān)督、檢驗(yàn) ；無(wú)人認(rèn)真執(zhí)行和監(jiān)督、檢驗(yàn)砂石標(biāo)準(zhǔn)的原因主要是對(duì)砂石的認(rèn)識(shí)誤區(qū)；對(duì)砂石質(zhì)量認(rèn)識(shí)的誤

4、區(qū)主要是不了解骨料在混凝土中的重要作用。 1 對(duì)砂石認(rèn)識(shí)的誤區(qū)2.1 認(rèn)為砂石資源取之不盡、用之不竭 北京的香山方圓160公頃，最高峰海拔557米，體積約4.5億m2，假定都是巖石，則約有6.8億噸。2009年我國(guó)水泥產(chǎn)量約16億噸，約消耗砂石100億噸年。一年消耗掉的砂石就約相當(dāng)于14.7座香山的體積！ 離北京最近的河北省三河縣的石料場(chǎng)，和10幾年前相比，已不見(jiàn)了好幾座山頭。近年來(lái)混凝土用砂石資源已經(jīng)十分緊張，尤其是天然砂的無(wú)節(jié)制開(kāi)采已威脅到我們環(huán)境的生態(tài)平衡，國(guó)家對(duì)河砂開(kāi)采的控管是非常英明正確。雖然可以使用人工砂，但是那也需要消耗天然巖石資源。天然資源不可再生，必須“省吃?xún)€用”才能維持長(zhǎng)久

5、。2.2 認(rèn)為砂石生產(chǎn)技術(shù)簡(jiǎn)單，因而門(mén)檻低，有錢(qián)誰(shuí)都能生產(chǎn)砂石生產(chǎn)并非高科技，正因生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，才能成為用量巨大的產(chǎn)品。但也必須生產(chǎn)出符合工程要求的合格砂石。首先，為用戶(hù)服務(wù)業(yè)，就必須了解用戶(hù)的需要。砂石的生產(chǎn)者必須具備混凝土基本知識(shí)，了解和清楚砂石在混凝土中的作用和影響，以便按用戶(hù)需要生產(chǎn)，并且能夠培訓(xùn)顧客，指導(dǎo)顧客正確地選用；不同的巖石具有不同的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，砂石生產(chǎn)者還須具備一定的礦物巖石學(xué)知識(shí)，以便正確選擇料源和加工工藝。例如由表1和表2可見(jiàn)巖石有不同吸水率和混凝土的線脹系數(shù)，會(huì)影響混凝土的施工和變形。例如，如果使用砂巖石子，就要比用石灰?guī)r石子多用8kg/m3的水，水膠比必須保持

6、不變，水泥也就相應(yīng)增多。骨料種類(lèi)熱膨脹系數(shù)10-6 /砂 礫13.1花崗巖9.5石英巖12.8玄武巖9.5砂 巖11.7石灰石7.4表2 不同巖石骨料的混凝土線脹系數(shù)1表1 不同骨料的吸水率和收縮的關(guān)系骨料吸水率(%)1年的收縮(%)砂巖板巖花崗巖石灰?guī)r石英巖5.01.20.50.20.30.120.070.050.040.03不同巖石有不同的熱脹系數(shù)（表2）1，則在相同條件下會(huì)使混凝土有不同的熱脹系數(shù)，也就是說(shuō)混凝土在冷熱變化、干濕交替環(huán)境下會(huì)有不同的變形性質(zhì)，以致影響其耐久性。圖2 石灰石骨料引起D-開(kāi)裂2 圖1 混凝土路面平行于縱縫和橫縫的D-開(kāi)裂2不同的吸水率(表1)不僅影響混凝土的變

7、形性質(zhì)，而且還有可能影響混凝土的抗凍性。由于不重視巖石礦物學(xué)的基本知識(shí)，工程中出現(xiàn)問(wèn)題往往很少考慮骨料是否會(huì)有什么影響，其實(shí)有時(shí)有可能和骨料有關(guān)，例如混凝土路面發(fā)生的D-開(kāi)裂（圖1）2。D-開(kāi)裂是因開(kāi)裂的形狀像英文字母D的右半邊（圖1），是因混凝土中飽水的石灰?guī)r骨料受凍融循環(huán)作用脹裂（圖2）2而引發(fā)的。有一點(diǎn)巖石礦物學(xué)常識(shí)的人都會(huì)知道巖石大多由礦物組成，受力后可沿晶面斷開(kāi)呈現(xiàn)平整或光滑的表面，稱(chēng)作解理。中等解理（解理清楚）或解理完全的巖石（例如石灰?guī)r），在使用顎式破碎機(jī)破碎時(shí)，會(huì)因解理而造成針、片狀顆粒，增大混凝土拌和物的需水量。顎式破碎機(jī)價(jià)格最低廉，目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)作坊式的采石場(chǎng)仍然都在使用。

8、這是造成石子粒形差的主要原因。圖3 芯樣中可見(jiàn)粗骨料粒形很差，砂中含泥量很大，混凝土嚴(yán)重不均勻圖3 為某工程抽檢的芯樣，由于骨料粒形和級(jí)配很差，砂子含泥量很大，必須使用較大量的水泥漿（水泥+水）和減水劑才能保證拌和物有足夠的流動(dòng)性，結(jié)果造成拌和物的離析、泌漿，澆筑后嚴(yán)重不均勻。對(duì)這種結(jié)果，砂石供應(yīng)商既不知道，也不關(guān)心。因此，并不是任何人都能生產(chǎn)合格的砂石，不懂混凝土，不懂巖石學(xué)和礦物學(xué)，只會(huì)無(wú)謂地消耗本該給子孫后代留一點(diǎn)的資源，而且還不斷地為他們制造建筑垃圾。2 砂石和混凝土質(zhì)量的關(guān)系我國(guó)在傳統(tǒng)上把砂石稱(chēng)作混凝土的骨料，是因?yàn)閹r石強(qiáng)度很高，對(duì)混凝土強(qiáng)度起很大作用，于是對(duì)砂石的選擇主要看重強(qiáng)度，

9、有解理的巖石，破碎的顆粒越小，針片狀顆粒越多，致使公稱(chēng)粒徑5mm10 mm的顆粒需水量很大，其結(jié)果，名義上的“連續(xù)級(jí)配”實(shí)際上其中5 mm10 mm的顆粒幾乎沒(méi)有。由此也可以說(shuō)，造成石子現(xiàn)狀也是用戶(hù)誤導(dǎo)的結(jié)果。雙方對(duì)砂石在混凝土中的作用的理解都有誤。2.1骨料和混凝土強(qiáng)度的關(guān)系 圖4 混凝土抗壓強(qiáng)度 和石子最大粒徑的關(guān)系3過(guò)去，在主要使用塑性混凝土的情況下砂石強(qiáng)度確實(shí)會(huì)不同程度地影響混凝土的強(qiáng)度；上世紀(jì)50年代末我國(guó)曾經(jīng)有構(gòu)件廠使用過(guò)干硬性混凝土，水灰比低、漿體含量少，拌和物沒(méi)有坍落度，用V-B稠度儀檢測(cè)時(shí)，工作度為20秒以上，只能用于預(yù)制構(gòu)件，在高頻振動(dòng)臺(tái)上加壓強(qiáng)力振搗，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，噪聲

10、震耳，而且能耗很大，不久就不再生產(chǎn)了。這樣的混凝土強(qiáng)度取決于石子強(qiáng)度和漿體-石子界面的粘接強(qiáng)度，石子對(duì)混凝土強(qiáng)度的貢獻(xiàn)顯而易見(jiàn)。當(dāng)時(shí)，一般使用低塑性混凝土(坍落度10 mm30mm)和塑性混凝土(坍落度30 mm50 mm、50 mm70mm、90 mm90mm)；上世紀(jì)初開(kāi)始使用流態(tài)混凝土（坍落度100mm以上）；石子對(duì)混凝土強(qiáng)度的作用隨漿骨比的增大而減小。在泵送混凝(坍落度150mm以上，當(dāng)前普遍都超過(guò)200mm),石子在混凝土中呈懸浮狀態(tài)，混凝土的強(qiáng)度基本上與骨料強(qiáng)度無(wú)關(guān) ?，F(xiàn)在用顆粒強(qiáng)度很低的輕骨料(陶粒)已配制出高強(qiáng)(C50以上)泵送混凝土就是明證。在現(xiàn)代混凝土中，砂石在混凝土中的作

11、用主要不是強(qiáng)度，但卻是不可沒(méi)有的關(guān)鍵角色。圖5 骨料含量對(duì)混凝土收縮的影響 4 然而，當(dāng)水膠比一定時(shí)，砂石用量和粒徑影響混凝土中界面過(guò)渡區(qū)的厚度和數(shù)量，因此對(duì)混凝土的強(qiáng)度有影響。圖43表明，當(dāng)水膠比很大時(shí)，石子粒徑對(duì)強(qiáng)度的影響不顯著，水膠比越低，影響越大。水膠比一定時(shí)，凈漿強(qiáng)度高于砂漿強(qiáng)度，砂漿強(qiáng)度高于混凝土強(qiáng)度。2.2 砂石在混凝土中的骨架作用主要是穩(wěn)定體積。 大多數(shù)混凝土用的普通巖石線脹系數(shù)為510-61310-6/，而硬化硅酸鹽水泥凈漿線脹系數(shù)為11 10-62010-6/，二者相差約1倍。如果沒(méi)有骨料，水泥凈漿硬化后會(huì)產(chǎn)生很大的收縮，稍有約束，就會(huì)嚴(yán)重開(kāi)裂?；炷恋氖湛sSc與水泥凈漿收

12、縮Sp之比取決于骨料含量a: Sc= Sp(1-a )n （ n為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，變動(dòng)于1.21.7，與骨料彈性模量有關(guān) ）。由圖53可見(jiàn)，混凝土水灰比越大，骨料用量對(duì)混凝土收縮的影響越大。在圖64中可見(jiàn)，對(duì)混凝土塑性收縮影響的規(guī)律也是凈漿砂漿混凝土，而混凝土水泥用量越大（骨料越少）影響越大。骨料對(duì)混凝土自收縮影響的規(guī)律也如此(見(jiàn)圖7)4 。圖7 骨料用量對(duì)混凝土自收縮的影響 5 圖6 骨料對(duì)混凝土塑性收縮的影響42.3骨料粒徑和粒形對(duì)混凝土其他性能的影響2.3.1 粒徑的影響圖83和圖94為骨料粒徑與混凝土滲透性和抗凍性的關(guān)系。由圖8可見(jiàn)，骨料水灰比越大，骨料粒徑對(duì)混凝土滲透性的越大，砂漿的這種影

13、響最??；圖9表明骨料粒徑大會(huì)降低混凝土的抗凍性。 圖8 骨料粒徑和混凝土滲透系數(shù)的關(guān)系3 圖9 骨料粒徑對(duì)混凝土抗凍性的關(guān)系42.3.2 粒形的影響對(duì)于滿(mǎn)足一定強(qiáng)度和密實(shí)性要求的混凝土來(lái)說(shuō)，拌和物的施工性是保證混凝土最后質(zhì)量的最重要性質(zhì)。對(duì)混凝土施工性來(lái)說(shuō)，骨料的粒形有時(shí)比級(jí)配的影響還要大。理想的骨料粒形呈等徑狀（即宏觀球形）。表面粗糙程度相同時(shí)，等徑狀骨料的比表面積最小，需水量最小，可以同時(shí)滿(mǎn)足施工性和強(qiáng)度等硬化混凝土性質(zhì)。表3 所示為某工程用不同骨料配制C60混凝土?xí)r的不同表現(xiàn)。用風(fēng)化粗粒花崗巖的混凝土的坍落度為195mm時(shí)，28天強(qiáng)度可達(dá)71.3MPa，而烏石谷的石子屬于致密石灰?guī)r，強(qiáng)度

14、高，但粒形不好，因混凝土拌和物需水量大，在滿(mǎn)足混凝土強(qiáng)度要求的水灰比下，拌和物流動(dòng)性較差。如要保證坍落度也達(dá)到195mm，其措施一是增大用水量，即增大漿骨比，則既不經(jīng)濟(jì)，又會(huì)有更大的開(kāi)裂敏感性；措施二是提高水膠比，則強(qiáng)度會(huì)達(dá)不到要求。在表3中，其所用水灰比降不下來(lái)，結(jié)果是強(qiáng)度達(dá)到68.8MPa時(shí)，坍落度才不到150mm，顯然不如使用強(qiáng)度較低但粒形好的的風(fēng)化粗?；◢弾r。表3 石子對(duì)混凝土性質(zhì)的影響所用石子混凝土28天抗壓強(qiáng)度(MPa)坍落度 (mm)深康風(fēng)化粗粒花崗巖，強(qiáng)度低，但粒形好71.3195烏石谷致密石灰?guī)r，強(qiáng)度高，但針、片狀顆粒含量大68.8148骨料的粒形明顯影響自密實(shí)混凝土的施工性

15、，如表4所示， K53和K60相比，K67和和K61相比，配合比相同，流動(dòng)性一致，K53和K67（石子針片狀顆粒為5%）能很好地通過(guò)鋼筋，而K60和K61只因石子中的針片狀顆粒多了2個(gè)百分點(diǎn)(7% )，遇到鋼筋就被堵塞。表4 骨料針片狀顆粒對(duì)自密實(shí)混凝土康堵塞性能的影響編號(hào)流動(dòng)性流動(dòng)時(shí)間(秒)配筋L-流動(dòng)充填性充填性實(shí)驗(yàn)：通過(guò)鋼筋流出一定距離的時(shí)間（秒）SlmmD*mm流過(guò)50cm流過(guò)65cm150mm250 mm300mm400mm500mm600mm800mmTmmLmmK532606956172467152244260800K6026069059K78245660257111524552

16、45800K672656704826812183053260800K61265665616 我國(guó)當(dāng)前的混凝土“難做”和骨料粒形有很大關(guān)系。從圖10中可見(jiàn)我國(guó)目前常用石子粒形質(zhì)量的差距。圖10中的c 是針、片狀顆粒形貌，可用其與日本和中國(guó)常用石子作比較。在日本石子（a）中找不到針、片狀顆粒，而在中國(guó)的常用石子（b）中，則針、片狀顯而易見(jiàn)，即使在尺寸上還夠不上c中的標(biāo)準(zhǔn)，也少見(jiàn)等徑狀。d是我國(guó)山東海瑞石料公司產(chǎn)品之一，和日本的產(chǎn)品已幾乎無(wú)差別。可見(jiàn)這樣的優(yōu)質(zhì)骨料我國(guó)不是做不出來(lái)。 a. 日本的常用石子 b. 中國(guó)的常用石子 c. 針片狀顆粒 d. 海瑞的石子圖10 石子粒形的對(duì)比2.4 關(guān)于骨料的

17、級(jí)配 骨料的連續(xù)級(jí)配即不同尺寸顆粒合理搭配的比例，目的是不僅得到最小的骨料空隙率，而且也得到最小的骨料比表面積，但是在骨料的生產(chǎn)中只能從數(shù)量上做到級(jí)配，卻無(wú)法做到整體產(chǎn)品級(jí)配的均勻性。因?yàn)樯笆@種產(chǎn)品是散粒狀的堆積物，在裝、卸、運(yùn)輸?shù)鹊膭?dòng)力作用下，原來(lái)不同大小的顆?；旌暇鶆虻恼w，會(huì)發(fā)生小顆粒向下移動(dòng)而大顆粒留在表面的現(xiàn)象，堆積成錐形后，在表面的大顆粒會(huì)沿著錐形的斜面滾落。于是料堆的級(jí)配就失去均衡，混凝土生產(chǎn)中在這樣的料堆所取骨料也就沒(méi)有了級(jí)配。因此西方發(fā)達(dá)國(guó)家的砂石料都是分級(jí)供應(yīng)，使用時(shí)按要求自行級(jí)配，按級(jí)配分級(jí)投料。規(guī)范中的連續(xù)級(jí)配不是對(duì)生產(chǎn)者而是對(duì)使用者規(guī)定的。為了保證滿(mǎn)足混凝土的需要，

18、我國(guó)砂石標(biāo)準(zhǔn)至少應(yīng)當(dāng)對(duì)石子明確規(guī)定分級(jí)供應(yīng)。我國(guó)已經(jīng)有一些混凝土使用了用單粒級(jí)兩級(jí)配或三級(jí)配后，混凝土水泥用量減少了20%左右，但是如果粒形不好，也做不出小于40%的石子空隙率。3、骨料質(zhì)量和砂石標(biāo)準(zhǔn)我國(guó)砂石質(zhì)量問(wèn)題產(chǎn)生原因當(dāng)然比較復(fù)雜，但是除了體制問(wèn)題、買(mǎi)方生存競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題等非技術(shù)性問(wèn)題外，很重要的是觀念問(wèn)題：無(wú)論是賣(mài)方還是買(mǎi)方，無(wú)論是用戶(hù)還是市場(chǎng)的調(diào)控者，對(duì)砂石的認(rèn)識(shí)存在很大的誤區(qū)，例如，一般產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)是為了出廠的合格檢驗(yàn)用的，帶有強(qiáng)制性不合格的產(chǎn)品不能出廠，但是我國(guó)砂石產(chǎn)品的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)居然是“推薦性”的，因而造成沒(méi)有任何人執(zhí)行砂石標(biāo)準(zhǔn)，也沒(méi)有人對(duì)砂石質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)。在技術(shù)人員申請(qǐng)修訂砂石標(biāo)準(zhǔn)并改為

19、強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，竟然遭到主管官員的不屑！ 和其他技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范一樣，制定砂石標(biāo)準(zhǔn)要先進(jìn)而可操作，但又不遷就落后。所謂可操作是指只要努力就能做到，而不是對(duì)現(xiàn)狀的無(wú)奈之舉。例如過(guò)去曾有人在制定砂石應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，既規(guī)定了級(jí)配標(biāo)準(zhǔn)，卻又說(shuō)明“如果級(jí)配不合格，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明不影響混凝土和易性時(shí)，也可使用”，又自己否定了自己誰(shuí)都知道，對(duì)不合格的砂石，只要增加水泥用量，就能“不影響施工”，這樣嚴(yán)重遷就落后的條款本身就否定了標(biāo)準(zhǔn)的必要性！頒布砂石標(biāo)準(zhǔn)后，應(yīng)當(dāng)像有水泥質(zhì)檢站負(fù)責(zé)檢驗(yàn)出廠和混凝土質(zhì)量監(jiān)督站驗(yàn)收混凝土一樣，設(shè)立各級(jí)砂石質(zhì)量監(jiān)督站。否則，標(biāo)準(zhǔn)形同虛設(shè)，目前現(xiàn)狀就如此。那么為什么還要制定標(biāo)準(zhǔn)呢？為什么同類(lèi)產(chǎn)品要有一致性標(biāo)準(zhǔn)呢？ 當(dāng)前砂石資源日益匱乏，尤其是天然級(jí)配良好的河砂，幾近枯竭。用石子生產(chǎn)中的下腳料生產(chǎn)人工砂，符合節(jié)能降耗的要求。實(shí)踐證明，只要正確使用，對(duì)混凝土不僅無(wú)不良影響，反而會(huì)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，效果極好。目前已有人工砂標(biāo)準(zhǔn)，但用戶(hù)大多不熟悉而不會(huì)用，應(yīng)當(dāng)盡快組織培訓(xùn)，推廣使用。4、建議 骨料質(zhì)量對(duì)混凝土質(zhì)量