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石灰石尾矿砂在混凝土中的应用

关键词: 发布时间:2019年03月26日 | 来源:姜连甲,殷继伟等

[摘   要]本文主要介绍了石灰石尾矿制成的机制砂在预拌混凝土中的应用。通过试验分析尾矿砂与天然砂的区别,研究尾矿砂对混凝土的强度、拌合物性能的影响。


[关键词]混凝土;机制砂;强度;拌合物


0 引言


近年来,随着自然资源的枯竭,国家为保证生态环境,逐步开始限制河砂的开采,部分省市已经完全禁止开采。目前可开采、利用的天然砂资源越来越少,完全不足以供应下游企业的需要。这就导致许多预拌混凝土企业,生产所用的天然砂质量参差不齐,许多场地有限的企业更会出现粗砂、中砂、细砂混堆的情况。混凝土日常生产时,质量波动大,不利于混凝土的质量控制。许多企业的技术人员对机制砂嗤之以鼻,认为机制砂的级配差、含泥量高、对外加剂吸附性大。其实机制砂的质量优劣,与母岩的性能、生产设备、生产工艺有很大的影响。


石灰石是用来生产水泥的原料,矿山中部分石灰石的品质较低并不能用于生产水泥,但将这些品质较低的石灰石制成机制砂,可以在混凝土中得到良好的应用。


本文将通过试验分析天然砂与石灰石尾矿砂的区别,如何利用好尾矿砂保证混凝土的质量,同时完成降本增效的目标。


1 原材料性能指标


本文试验所用原材料性能指标见表 1~6。

2 机制砂中石粉对胶砂强度的影响


筛出机制砂中 80μm 以下的颗粒。将筛出的石粉进行充分拌匀,烘干至恒重。此次试验将机制砂中的石粉看作为石灰石粉,按照JGJ/T 318—2014《石灰石粉在混凝土中应用技术规程》的要求进行 28d 胶凝材料强度试验。


为了对比效果明显,石粉掺量以 5% 的整数倍进行递增。且保证胶砂流动度不小于180mm。对比 28d 胶砂强度差异,分析不同掺量下的石粉,对水泥胶砂强度的影响,详见表 7。

依据表 7 的数据可知,胶砂强度随着石粉掺量的提高,胶砂强度随之降低。当掺量为0%~10% 范围内,水泥胶砂强度下降较缓慢,当掺量在 10%~20% 范围内,胶砂强度急剧下降。而从胶砂流动度来看,机制砂中的石粉掺量较低时,流动度比较好,但当掺量超过30% 以上时,胶砂流动度还是有较明显的影响。


JGJ/T 318—2014 中要求石灰石粉28d 活性指数≥60%,试验数据显示,石粉的活性指数仅达到了48%。证明石灰石尾矿机制砂中的石粉,并不能完全当作石灰石粉来用。因为磨细石灰石粉的碳酸钙含量要求不低于75%。而机制砂中的石粉碳酸钙含量较低,并且机制砂中的石粉没有经过系统的研磨,所以石粉的活性远远达不到石灰石粉的要求。


但是通过表 7 的数据可以看到,虽然石粉的活性较低,不能被用做矿物掺合料。但当石粉掺量在1%~10%的范围内,胶砂强度仍有较高的活性。所以试验证明,在合理的掺量范围内,石粉可以取代少量的水泥。


严格意义来说,虽然石粉取代了少量的水泥,但仍不能称它为掺合料。


石粉可以取代少量的水泥,主要是因为石粉让水泥结构更密实,起到了一定改善微级配的效应,从而提高水泥结构强度。


3 机制砂对混凝土拌合物性能的影响


机制砂与天然砂有着本质的区别,天然砂表面更光滑圆润,配制出的混凝土流动性更好。


机制砂的颗粒多为棱角状,配制混凝土所需的拌合用水量大。所以通常来说相同条件下,机制砂所配制出的混凝土拌合物状态要差于天然砂。


通过相同的原材料,以不同比例复配河砂与机制砂,在保证外加剂掺量、用水量和胶凝材料用量不变,的情况下,比对混凝土的坍落度及拌合物状态。分析机制砂与天然砂,分别对混凝土拌合物流动性、粘聚性、保水性都有哪些影响。


通过对比 30min 混凝土的坍落度变化、60min混凝土坍落度变化,分析机制砂与天然砂对外加剂相容性影响的区别,试验结果见表 8。

通过表 8 的数据可知,随着机制砂的掺量提高,混凝土的粘聚性变好,主要是因为天然砂的细度模数较大,级配断档。而机制砂中含有大量的石粉,填充了天然砂中所缺少的部分空隙。


随着机制砂的掺量提高,混凝土的保水性变好,主要因为尾矿砂与天然复配后,砂的比表面积更大,对拌合水的吸附及需求量增加,所以混凝土泌水现象有很大的改善。


随着机制砂的掺量提高,混凝土流动性的变化从差到优,再从优到差。从差变化到优,主要是因为天然砂的级配不合理,浆体包裹不住石头,浆体流动石头聚堆,所以混凝土的流动性差。随着尾矿砂比例的增加,使得混凝土级配更合理,浆体带着石头流,流动性变好。


但当机制砂比例超过 50% 时,混凝土的流动性有明显的下降,是因为混凝土中掺入了过多的石粉,使得混凝土特别粘稠,级配变得不合理,混凝土的扩散性降低,流动性变差。


通过表 8 的数据发现,单独使用天然砂时,混凝土初始坍落度小、坍落度损失大,而随着机制砂的比例增加,混凝土初始坍落度变大、坍落度损失变小,主要是因为天然砂中含泥量较高,而尾矿砂的MB 值仅为0.5,说明尾矿砂对外加剂的吸附能力,要远远小于天然砂。


当机制砂的掺量过高时,由于机制砂的表面形貌特征的问题(图1),混凝土拌合用水量有很大程度的增加,且由于石粉含量的增加,混凝土变得更加的粘稠。所以在用水量不变的情况下,混凝土的初始坍落变小。

所以通过试验得出,在考虑混凝土拌合性能的角度,天然砂与机制砂的复配比例按照5:5 的比例最佳。


图 2 是单独使用天然砂配制的混凝土,混凝土粘聚性差、流动性差、工作度满足不了要求。混凝土坍落度损失大,外加剂掺量高。图3 是单独使用机制砂配制的混凝土,混凝土特别粘稠、流动性差不宜泵送,混凝土边缘呈草帽状。图 4 为将天然砂与机制砂以 5:5 的比例复配后配制的混凝土,混凝土和易性好、扩展度大,坍落度损失小。


4 石灰石尾矿砂对混凝土强度的影响


为保证不受其他因素对混凝土强度的影响。采用单因素变量法比对,分别以不同比例复配机制砂与天然砂。其他材料以相同厂家、相同的批次,按照相同的配合比,在相同的环境下、相同的成型方法、相同的搅拌时间、相同的试验人员,严格按照GB/T 50081—2002中的要求,将混凝土进行试拌成型。混凝土试拌基准配合比见表 9。

对比混凝土 3d、7d、28d 强度的差异,分析机制砂与天然砂对混凝土强度的影响(表10)。


通过表 10 的试验数据可知,掺有机制砂的混凝土的强度,较天然砂混凝土有所提高,且随着机制砂的掺量提高,混凝土的早期强度、后期强度都所有提高,但当机制砂的掺量达到60% 时,强度有所下降。

主要是因为,石灰石尾矿机制砂中的石粉,其中含有一定量的碳酸钙,虽然我们认为机制砂中的石粉属于惰性材料,但对混凝土的强度增长仍是有益的。


二是因为随着机制砂的加入,石粉填充了混凝土中的空隙,改善了微集料的级配,使得混凝土级配更加合理,混凝土更加密实,提高了混凝土的强度。


三是因为天然砂含泥量高而机制砂的 MB 值低,对混凝土的强度影响不大,当机制砂的MB 值大于 1.4 时,认为此时机制砂的石粉性能,近似于泥粉对混凝土有降强的效果。所以相对于许多高含泥量的河砂,掺配 MB 值低的机制砂,变相的增加混凝土强度。


四是因为机制砂的表面多为棱角状,增加了混凝土骨料与水泥浆体的胶结能力,也就是常说的“握裹力”更强。


机制砂自身的空隙率要大于天然砂,当机制砂掺量过高时,混凝土的级配不合理空隙率更大。混凝土的强度会有所下降,所以通过试验数据发现,机制砂与天然以3:7 的比例复配,强度更高。


5 结论


在天然砂资源日渐匮乏的今天,机制砂将成为混凝土中不可或缺的材料,机制砂与天然砂有着众多的区别,各有优劣。在应用机制砂时,要调整好混凝土的级配。往往单独的机制砂或是天然砂,品质较低,达不到要求。通过复配等手段,可使得混凝土级配更合理,不但可以保证混凝土的质量,而且可以降低材料的波动性,方便质量控制。


要利用好机制砂中石粉与混凝土强度的关系,利用好机制砂MB 值与外加剂相容性的关系,利用好石粉自身的少量活性,才能真正的应用好机制砂,达到降本增效的目的。

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