昌宁工程对砂石影响混凝土质量的分析研究.doc

1昌宁工程对砂石影响混凝土质量的分析研究我国混凝土中的水泥用量和拌和水比发达国家的至少多用了20%，不仅资源浪费严重，而且使硬化后的混凝土开裂敏感性大，威胁结构物的耐久性，而且因多用水泥而间接地严重影响减碳经济，其原因就是砂石质量太差；砂石质量差的原因是大多数砂石生产无人执行砂石标准，也无人监督管理砂石的质量；无人执行和监管砂石标准的原因是不认识砂石在混凝土中的重要作用，存在认为砂石取之不尽、生产砂石很简单、砂石没有技术问题等误区砂石作为骨架作用主要是稳定混凝土的体积 ，即使将来砂石比水泥价格高，也不可不用从可持续发展的目标出发，整顿砂石生产，加强标准的执行和监管已成为刻不容缓的问题砂石、粒形、级配、混凝土质量、减碳经济产品标准是为了检验和检验产品质量的标准，然而我国的砂石标准多年来已形同虚设，几乎无人执行业内尽人皆知当前我国砂石质量普遍太差石子松堆空隙率在 45%以上（理想粒形和级配的石子松堆空隙率为 38%） ，针片状颗粒超过 10%（西方国家的限值为 5%） ，砂子中含泥量最多的达 20%，含石量超过 25%……砂石质量不仅是影响混凝土质量的主要因素，而且因此而成为影响我国减碳经济实施的重要因素。

首先，使我国混凝土中的水泥用量、用水量和外加剂用量越来越大一般来说我国混凝土水泥用量和用水量至少比西方国家的多用 20%，若同国外的先进指标相比，可多用 30%以上假设混凝土年消耗量为 20 亿 m3，则少说每年多用水泥 4 亿吨，按2掺入 50%的矿物掺和料计，不算矿物掺和料加工的耗电，则至少多排放 CO2 2 亿吨！更重要的是混凝土质量还因此而受到影响，当前工程中频繁出现的开裂问题，从材料本身来说，主要是不得不多用水、多用水泥的结果当然，造成工程质量出现问题的原因并不是单一的因素，而且有时也不都是技术问题，但是目前我国基本建设中资源和能源的浪费和混凝土体积开裂敏感性增大的事实，主要的影响因素却是对砂石质量的忽视砂石质量关系到建设工程的质量砂石质量太差的原因主要是无人认真执行砂石标准和对其质量的监督、检验 ；无人认真执行和监督、检验砂石标准的原因主要是对砂石的认识误区；对砂石质量认识的误区主要是不了解骨料在混凝土中的重要作用 1 对砂石认识的误区2.1 认为砂石资源取之不尽、用之不竭 北京的香山方圆 160 公顷，最高峰海拔 557 米，体积约 4.5亿 m2，假定都是岩石，则约有 6.8 亿吨。

2009 年我国水泥产量约16 亿吨，约消耗砂石 100 亿吨∕年一年消耗掉的砂石就约相当于 14.7 座香山的体积！ 离北京最近的河北省三河县的石料场，和 10 几年前相比，已不见了好几座山头近年来混凝土用砂石资源已经十分紧张，尤其是天然砂的无节制开采已威胁到我们环境的生态平衡，国家对河砂开采的控管是非常英明正确虽然可以使用人工砂，但是那也需要消耗天然岩石资源天然资源不可再生，必须“省吃俭用”才能维持长久32.2 认为砂石生产技术简单，因而门槛低，有钱谁都能生产砂石生产并非高科技，正因生产工艺简单，才能成为用量巨大的产品但也必须生产出符合工程要求的合格砂石首先，为用户服务业，就必须了解用户的需要砂石的生产者必须具备混凝土基本知识，了解和清楚砂石在混凝土中的作用和影响，以便按用户需要生产，并且能够培训顾客，指导顾客正确地选用；不同的岩石具有不同的物理性质和化学性质，砂石生产者还须具备一定的矿物岩石学知识，以便正确选择料源和加工工艺例如由表1 和表 2 可见岩石有不同吸水率和混凝土的线胀系数，会影响混凝土的施工和变形例如，如果使用砂岩石子，就要比用石灰岩石子多用 8kg/m3 的水，水胶比必须保持不变，水泥也就相应增多。

表 1 不同骨料的吸水率和收缩的关系骨料吸水率(%)1 年的收缩(%)砂岩板岩花岗岩石灰岩石英5.01.20.50.20.30.120.070.050.040.03骨料种类 热膨胀系数×10-6 /℃砂 砾 13.1花岗岩 9.5石英岩 12.8玄武岩 9.5砂 岩 11.7石灰石 7.4表 2 不同岩石骨料的混凝土线胀系数 [1]4图 1 混凝土路面平行于纵缝和横缝的 D-开裂 [2]岩不同岩石有不同的热胀系数（表 2） [1]，则在相同条件下会使混凝土有不同的热胀系数，也就是说混凝土在冷热变化、干湿交替环境下会有不同的变形性质，以致影响其耐久性不同的吸水率(表 1)不仅影响混凝土的变形性质，而且还有可能影响混凝土的抗冻性由于不重视岩石矿物学的基本知识，工程中出现问题往往很少考虑骨料是否会有什么影响，其实有时有可能和骨料有关，例如混凝土路面发生的 D-开裂（图 1） [2]D- 开裂是因开裂的形状像英文字母 D 的右半边（图 1） ，是因混凝土中饱水的石灰岩骨料受冻融循环作用胀裂（图 2） [2]而引发的有一点岩石矿物学常识的人都会知道岩石大多由矿物组成，受力后可沿晶面断开呈现平整或光滑的表面，称作解理。

中等解理（解理清楚）或解理完全的岩石（例如石灰岩） ，在使用颚式破碎机破碎时，会因解理而造成针、片状颗粒，增大混图 2 石灰石骨料引起 D-开裂 [2]5凝土拌和物的需水量颚式破碎机价格最低廉，目前国内大多数作坊式的采石场仍然都在使用这是造成石子粒形差的主要原因图 3 芯样中可见粗骨料粒形很差，砂中含泥量很大，混凝土严重不 均匀图 3 为某工程抽检的芯样，由于骨料粒形和级配很差，砂子含泥量很大，必须使用较大量的水泥浆（水泥+ 水）和减水剂才能保证拌和物有足够的流动性，结果造成拌和物的离析、泌浆，浇筑后严重不均匀对这种结果，砂石供应商既不知道，也不关心因此，并不是任何人都能生产合格的砂石，不懂混凝土，不懂岩石学和矿物学，只会无谓地消耗本该给子孙后代留一点的资源，而且还不断地为他们制造建筑垃圾2 砂石和混凝土质量的关系我国在传统上把砂石称作混凝土的骨料，是因为岩石强度很高，对混凝土强度起很大作用，于是对砂石的选择主要看重强度，有解理的岩石，破碎的颗粒越小，针片状颗粒越多，致使公称粒径5mm～ 10 mm 的颗粒需水量很大，其结果，名义上的“连续级配”实际上其中 5 mm～10 mm 的颗粒几乎没有。

由此也可以说，造成石子现状也是用户误导的结果双方对砂石在混凝土中的作用的理解都有误6图 4 混凝土抗压强度和石子最大粒径的关系 [3]2.1 骨料和混凝土强度的关系过去，在主要使用塑性混凝土的情况下砂石强度确实会不同程度地影响混凝土的强度；上世纪 50 年代末我国曾经有构件厂使用过干硬性混凝土，水灰比低、浆体含量少，拌和物没有坍落度，用 V-B 稠度仪检测时，工作度为 20 秒以上，只能用于预制构件，在高频振动台上加压强力振捣，工人劳动强度大，噪声震耳，而且能耗很大，不久就不再生产了这样的混凝土强度取决于石子强度和浆体-石子界面的粘接强度，石子对混凝土强度的贡献显而易见当时，一般使用低塑性混凝土(坍落度 10 mm～30mm) 和塑性混凝土(坍落度 30 mm～50 mm、50 mm～70mm、90 mm～90mm) ；上世纪初开始使用流态混凝土（坍落度 100mm 以上） ；石子对混凝土强度的作用随浆骨比的增大而减小在泵送混凝(坍落度 150mm以上，当前普遍都超过 200mm),石子在混凝土中呈悬浮状态，混凝土的强度基本上与骨料强度无关 现在用颗粒强度很低的轻骨料(陶粒) 已配制出高强 (C50 以上)泵送混凝土就是明证。

在现代混凝土中，砂石在混凝土中的作用主要不是强度，但却是不可没有的关键7图 5 骨料含量对混凝土收缩的影响 [ 4 ]角色然而，当水胶比一定时，砂石用量和粒径影响混凝土中界面过渡区的厚度和数量，因此对混凝土的强度有影响图4[3]表明，当水胶比很大时，石子粒径对强度的影响不显著，水胶比越低，影响越大水胶比一定时，净浆强度高于砂浆强度，砂浆强度高于混凝土强度2.2 砂石在混凝土中的骨架作用主要是稳定体积 大多数混凝土用的普通岩石线胀系数为 5×10-6～13×10 -6/℃，而硬化硅酸盐水泥净浆线胀系数为 11 ×10-6～20×10 -6/℃，二者相差约 1 倍如果没有骨料，水泥净浆硬化后会产生很大的收缩，稍有约束，就会严重开裂混凝土的收缩 Sc 与水泥净浆收缩 Sp 之比取决于骨料含量 a: Sc= Sp(1-a )n （ n 为经验系数，变动于 1.2～1.7 ，与骨料弹性模量有关 ） 由图 5[3]可见，混凝土水灰比越大，骨料用量对混凝土收缩的影响越大在图 6[4]中可见，对混凝土塑性收缩影响的规律也是净浆＞砂浆＞混凝土，而混凝土水泥用量越大（骨料越少）影响越大8图 6 骨料对混凝土塑性收缩的影响 [4] 图 7 骨料用量对混凝土自收缩的影响 [ 5 ] 骨料对混凝土自收缩影响的规律也如此(见图 7)[4 ]。

2.3 骨料粒径和粒形对混凝土其他性能的影响2.3.1 粒径的影响图 8[3]和图 9[4]为骨料粒径与混凝土渗透性和抗冻性的关系由图 8 可见，骨料水灰比越大，骨料粒径对混凝土渗透性的越大，砂浆的这种影响最小；图 9 表明骨料粒径大会降低混凝土的抗冻性图 8 骨料粒径和混凝土渗透系数的关系 [3] 图 9 骨料粒径对混凝土抗冻性的关系 [4]92.3.2 粒形的影响对于满足一定强度和密实性要求的混凝土来说，拌和物的施工性是保证混凝土最后质量的最重要性质对混凝土施工性来说，骨料的粒形有时比级配的影响还要大理想的骨料粒形呈等径状（即宏观球形） 表面粗糙程度相同时，等径状骨料的比表面积最小，需水量最小，可以同时满足施工性和强度等硬化混凝土性质表 3 所示为某工程用不同骨料配制 C60 混凝土时的不同表现用风化粗粒花岗岩的混凝土的坍落度为 195mm 时，28 天强度可达 71.3MPa，而乌石谷的石子属于致密石灰岩，强度高，但粒形不好， ，因混凝土拌和物需水量大，在满足混凝土强度要求的水灰比下，拌和物流动性较差如要保证坍落度也达到 195mm，其措施一是增大用水量，即增大浆骨比，则既不经济，又会有更大的开裂敏感性；措施二是提高水胶比，则强度会达不到要求。

在表 3 中，其所用水灰比降不下来，结果是强度达到 68.8MPa 时，坍落度才不到 150mm，显然不如使用强度较低但粒形好的的风化粗粒花岗岩表 3 石子对混凝土性质的影响所用石子 混凝土 28 天抗压强度(MPa) 坍落度 (mm)深康风化粗粒花岗岩，强度低，但粒形好 71.3 195乌石谷致密石灰岩，强度高，但针、片状颗粒含量大 68.8 14810骨料的粒形明显影响自密实混凝土的施工性，如表 4 所示， K53 和 K60 相比，K67 和和 K61 相比，配合比相同，流动性一致，K53 和 K67（石子针片状颗粒为 5%）能很好地通过钢筋，而 K60 和K61 只因石子中的针片状颗粒多了 2 个百分点(7% )，遇到钢筋就被堵塞表 4 骨料针片状颗粒对自密实混凝土康堵塞性能的影响流动性流动时间(秒)充填性实验：通过钢筋流出一定距离的时间（秒）编号 SlmmD*mm流过50cm 流过65cm配筋L-流动充填性 150mm 250 mm 300mm 400mm 500mm 600mm 800mm Tmm LmmK532606956 17  2 4 6 7 15 22 44 260＞800K602606905 9 ×K78245660 2 5 7 11 15 24 55 245＞800K672656704 8  2 6 8 12 18 30 53 260＞800K612656656 16 ×11我国当前的混凝土“难做”和骨料粒形有很大关系。

从图 10 中可见我国目前常用石子粒形质量的差距图 10 中的 c 是针、片状颗粒形貌，可用其与日本和。