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混凝土集料 技术质量部 中建商品混凝土有限公司 一集料概述 集料分为粗集料 粒径 4 75mm 即石子 和细集料 粒径 4 75mm 砂 混凝土中集料占70 80 的体积 因此集料对混凝土的性能有重要的影响 集料除作为经济的填充料之外 通常还为混凝土带来了体积稳定性和耐磨性 按密度分重集料普通集料轻集料 1集料的分类 堆积密度 1100kg m3 防辐射混凝土 按形状分碎石卵石 1集料的分类 按材质分石灰岩石英岩花岗岩砂岩 1集料的分类 按加工方式分天然集料人造集料 2集料的生产 3集料对混凝土力学性能和物理性能的影响 集料形状和组构分类 摘自英国标准 BS 1975 泥含量粒径小于0 08mm颗粒的含量有害物含量包括有机物 硫酸盐 云母 轻物质等坚固性硫酸钠浸泡5次循环后的重量损失碱活性化学法 长度法等检验级配和粗细程度形状及表面特征强度压碎指标 4集料技术要求 二 集料的状态参数和结构特征 集料的体积集料的密度集料的孔隙与空隙 绝对密实体积 干集料在绝对密实状态下的体积 即不包括内部孔隙的集料体积 一般用V表示 表观体积 集料在自然状态下的体积 即整体集料的外观体积 含内部孔隙和水分 一般用V0表示 堆积体积 粉状或粒状集料在堆集状态下的外观体积 一般用V0 表示 堆积状态不同 同一集料表现的体积大小可能不同 一般来说 V0 V0 V 1 体积集料占有的空间尺寸 集料所处状态不同 表现出的体积不同 密度是指集料在绝对密实状态下单位体积的质量 按下式计算 m V式中 密度 g cm3或kg m3m 集料的质量 g或kgV 集料的绝对密实体积 cm3或m3集料密度大小取决于其组成及微观结构 因此相同组成及微观结构的集料其密度为一定值 2 密度 表观密度与堆积密度 表观密度 俗称 容重 是指集料在自然状态下单位体积的质量 按下式计算 式中 t 表观密度 m 集料的质量 g或kg V0 集料的表观体积 cm3或m3 表观体积可采用直接度量外形尺寸和排水法测定 为防止水渗入集料内部孔隙影响结构 可在集料表面涂蜡 集料表观密度还与集料的含水状态有关 一般测定表观密度时以干燥状态为准 对含水状态的表观密度须注明含水情况 堆积密度是指粉状或粒状集料 在堆积状态下单位体积的质量 按下式计算 式中 0 集料的堆积密度 g cm3或kg m3m 集料的质量 g或kgV0 集料的堆积体积 cm3或m3散粒集料堆积状态下的外观体积 既包含所有颗粒内的孔隙 而且还包括颗粒间的空隙 其值大小不但取决于集料颗粒的表观密度 而且还与堆积的疏密程度有关 散粒集料的堆积体积通常用容器法测定 孔隙率集料内部孔隙的体积占集料总体积的百分率 它以P表示 孔隙率P的计算公式为 式中P 集料孔隙率 V0 集料在自然状态下的体积 cm3或m3 V 集料的绝对密实体积 cm3或m3 0 集料表观密度 cm 集料密度 cm 3 孔隙与空隙 集料中的孔隙 空隙率散粒集料颗粒间的空隙体积 Vs 占堆积体积的百分率 Vs V 0 V0空隙率P可按下式计算 式中 0 集料的表观密度 0 集料的堆积密度 V0 集料在自然状态下的体积 V 0 集料的堆积体积 Vs 集料颗粒间的空隙体积 Vs V 0 V0 空隙率表示散粒集料颗粒间的空隙 反映散粒集料的颗粒相互填充的致密程度 空隙率可作为控制混凝土集料级配与计算含砂率的依据 与集料空隙率对应的是填充率 即散粒集料的自然状态体积占堆积体积的百分率 用D 表示 填充率可用下式公式计算 三 集料与水有关的性质 集料的含水状态集料的吸湿性与吸水性集料的耐水性集料的抗冻性 1 集料的含水状态 a 全干状态 在105 中烘干至恒重 孔隙中的水被烘干 b 气干状态 除掉表面水分 但部分内部孔隙中仍然充满水 c 饱和面干 所有孔隙充满水 但在表面无水分 d 湿润状态 所有孔隙充满水 而且表面有水膜 a b c d 集料在环境中 能自发地吸收空气中水分的性质称为吸湿性 集料吸湿性用含水率表示 即集料中所含水分与干燥集料的质量之比 集料的含水率用 h表示 其计算公式为 1 吸湿性 式中ms 集料吸湿状态下的质量 或kg mg 集料在干燥状态下的质量 或kg 2 集料的吸湿性与吸水性 干燥的亲水性集料处在较潮湿的空气中时 便会吸收空气中的水分 而当较潮湿的集料处在较干燥的空气中时 便会向空气中放出水分 前者是集料的吸湿过程 后者是集料的干燥过程 集料的吸湿性主要取决于集料的组成及结构状态 一般说 开口孔隙率较大的亲水性集料具有较强的吸湿性 集料的吸湿性还与其环境状态有关 在空气中 它随环境的温度和湿度的变化而改变 最后集料的含水率将与环境湿度达到平衡状态 与空气湿度达到平衡时的含水率称为平衡含水率 此时的含水状态称为气干状态 吸水性是指在水中集料吸收水分的能力 吸水性的大小以吸水率来表示 分为质量吸水率和体积吸水率 2 吸水性 质量吸水率是指集料在吸水饱和时 所吸水量占集料在干燥状态下的质量百分比 并以 m表示 质量吸水率 m的计算公式为 式中mb 集料吸水饱和状态下的质量 或kg mg 集料在干燥状态下的质量 或kg 体积吸水率是指集料在吸水饱和时 所吸水的体积占集料自然体积的百分率 体积吸水率通常用来表示孔隙率较大的集料的吸水率 体积吸水率W 的计算公式为 式中mb 集料吸水饱和状态下的质量 或kg mg 集料在干燥状态下的质量 或kg V0 集料在自然状态下的体积 cm3或m3 w 水的密度 g cm3或kg m3 常温下取1 0g cm3 四细集料Fineaggregate 细集料一般为天然岩石长期风化等自然条件下形成的天然砂 根据产源的不同 天然砂可分为河砂 海砂及山砂 也有天然岩石经人工加工得到的机制砂 其定义为由机械破碎 筛分制成的 粒径小于4 75mm的岩石颗粒 但不包括软质岩 风化岩石的颗粒 而混合砂指由机制砂和天然砂混合制成的砂 细集料的技术标准为 普通混凝土用砂质量标准及检验方法 JGJ52 92 砂的粗细程度 是指不同粒径的砂粒 混合在一起后的总体的粗细程度 通常有粗砂 中砂与细砂之分 1级配与粗细程度 颗粒级配是指粒径大小不同的骨料相互搭配的情况 良好的级配应当能使骨料的空隙率和总表面积均较小 从而不仅使所需水泥浆量较少 而且还可以提高混凝土的密实度 强度及其它性能 颗粒级配是指粒径大小不同的骨料相互搭配的情况 良好的级配应当能使骨料的空隙率和总表面积均较小 从而不仅使所需水泥浆量较少 而且还可以提高混凝土的密实度 强度及其它性能 因此 对于集料的级配 无论是商品混凝土生产企业还是施工单位 都应予以重视 在拌制混凝土时 砂的颗粒级配和粗细程度应同时考虑 当砂中含有较多的粗粒径砂 并以适当的中粒径砂及少量细粒径砂填充其空隙 则可达到空隙及总表面积均较小 这样的砂比较理想 不仅水泥浆用量较少 而且还可提高混凝土的密实度与强度 砂的颗粒级配和粗细程度 常用筛分析的方法进行测定 用级配区表示砂的颗粒级配 用细度模数表示砂的粗细 筛分析方法 是用一套孔径为4 75 2 36 1 18 0 6 0 3 0 15 mm 的标准筛 将500g的干砂试样由粗到细依次过筛 然后称得各筛余留在各个筛上的砂的重量 并计算出各筛上的分计筛余百分率ai及累计筛余百分率 i 各个筛和比该筛粗的所有分计筛余百分率之和 式中 i 累计筛余百分率 即该号筛与大于该号筛的各筛分计筛余百分率之和 细度模数计算公式 细度模数 x 愈大 表示砂愈粗 砂的细度模数范围一般为3 7 0 7 x在3 7 3 1为粗砂 x在3 0 2 3为中砂 x在2 2 1 6为细砂 x在1 5 0 7为特细砂 普通混凝土用砂的细度模数一般在2 2 3 2之间较为适宜 国家标准将细度模数为3 7 1 6的普通混凝土用砂 以0 60 筛孔的累计筛余量分成三个级配区 如表4 1所示及图4 1所示 普通混凝土用砂的筛分曲线必须包容在三个级配曲线区域中的任一个区域以内 配制混凝土时宜优先选用 区砂 当采用 区砂时 应提高砂率 并保持足够的水泥用量 以满足混凝土的和易性 当采用 区砂时 宜适当降低砂率 以保证混凝土的强度 砂的细度模数并不能反映其级配的优劣 细度模数相同的砂 级配可以不相同 所以配制混凝土时必须同时考虑砂的颗粒级配和细度模数 为保证混凝土的质量 砂中有害杂质的含量 应符合国家技术规范的规定 如果是海砂 还要考虑氯离子的含量 2砂中有害杂质的含量 3人工砂的应用 目前 国内人工砂生产主要有3种形式 一种是开矿产石的同时专门生产人工砂 这多属于大型企业 即年产砂石100万吨以上 质量较好 数量有几百家 一种是在河道里用卵石生产机制砂 或配以少量天然砂生产混合砂 这多属于中型企业 即年产砂石50万吨左右 质量有好有差 差别较大 数量也在几百家左右 再一种是利用各种尾矿生产的 其中主要是各地生产石灰石碎石后的石屑或石粉 经过简单再加工和筛分 或直接利用 这多属于小型企业 即年产砂石30万吨以下 甚至几万吨 质量有好有差 差别很大 数量达近万家 由于砂石生产的连带性和考虑到人工砂的生产成本 人工砂的产量一般在砂石总产量的20 40 之间浮动 也有部分达50 80 个别达100 的情 目前建筑业在人工砂的使用上又分以下几种情况 国标允许使用人工砂了 但大多数的人还是容易接受由鹅卵石破碎的机制砂或与天然砂混用的人工砂 即混合 这是因为这样的人工砂外观与天然砂无明显差别 多数人还认为就是天然砂 使用上按天然砂控制 推广较容易 但由于在配制混凝土时还按天然砂的方法设计 没有抓住人工砂的特点 多数混凝土搅拌站也未能感到人工砂的优点 针对这种人工砂混凝土和易性差的问题 有些企业掺入一些天然细砂混用 如果掺入的比例合适 混后的砂级配合理 配制出的混凝土比天然砂要强一些 但实际上在低强度等级混凝土和砂浆的配制上 仍不如用不洗的人工砂 即成本低 又效果好 在这方面 各地都有一些成熟的经验和应用 只是尚不普遍 这里 洗走石粉还有一个标准不协调的原因 因为 建筑业执行的是行业标准JGJ52 92 普通混凝土用砂质量标准及检验方法 该标准目前尚在修订中 还没有人工砂的类别 含泥量 即小于75 m特细颗粒 石粉也是小于75 m的颗粒 只能按5 以下控制 为了达到这个要求 企业不得已而为之 而有些自己有混凝土搅拌站的人工砂生产企业 积极探索人工砂的使用 就取得了很好的效果 例如 北京恒坤混凝土有限公司和北京恒坤拓峰采石有限公司采用干法生产石灰石机制人工砂在一年多的时间里累计生产商品混凝土70多万方 多数使用纯人工砂 石粉含量应用范围达8 15 应用于各种工程 取得了很好的效益 人工砂对混凝土性能的影响 五粗集料Coarseaggregate 1 石子最大粒径 Dmax 石子各粒级的公称上限粒径称为这种石子的最大粒径 石子的最大粒径增大 则相同质量石子的总表面积减小 混凝土中包裹石子所需水泥浆体积减少 即混凝土用水量和水泥用量都可减少 在一定的范围内 石子最大粒径增大 可因用水量的减少提高混凝土的强度 1最大粒径 颗粒级配 然而石子最大粒径 Dmax 过大时 则由于骨料与水泥砂浆粘结面积下降等原因造成混凝土的强度下降 同时 最大粒径的选用 要受结构上诸因素和施工条件等方面的限制 根据我国钢筋混凝土施工规范规定 混凝土用粗骨料的最大粒径不得大于结构物最小断面的短边长度的1 4 不得大于钢筋最小净距的3 4 另外还受搅拌机以及输送管道等条件的限制 粗骨料的级配原理和要求与细骨料基本相同 级配试验采用筛分法测定 即用2 5 5 00 10 0 16 0 20 0 25 0 31 5 40 0 50 0 63 0 80 0 100 等十二种孔径的圆孔筛进行筛分 石子的颗粒级配可分为连续级配和间断级配 连续级配是石子粒级呈连续性 即颗粒由小到大 每级石子占一定比例 用连续级配的骨料配制的混凝土混合料 和易性较好 不易发生离析现象 连续级配是工程上最常用的级配 2 颗粒级配 国外 粗骨料的级配也是采用筛分法确定 国家标准规定采用方孔筛 筛孔尺寸分别为2 36mm 4 75mm 9 5mm 16mm 19mm 26 5mm 31 5mm等12个等级 间断级配也称单粒级级配 间断级配是人为地剔除骨料中某些粒级颗粒 从而使骨料级配不连续 大骨料空隙由小几倍的小粒径颗粒填充 以降低石子的空隙率 由间断级配制成的混凝土 可以节约水泥 由于其颗粒粒径相差较大 混凝土混合物容易产生离析现象 导致施工困难 石子颗粒级配范围应符合规范要求 碎石 卵石的颗粒级配规格见表4 6 土木工程集料P32 表4 6卵石或碎石的颗粒级配范围 1 强度粗骨料的强度采用岩石立方体强度或粒状石子的压碎指标来表示 岩石立方强度试验 是用母岩制成5 5 5 立方体 或直径与高度均为5 的圆柱体试样 浸泡水中 待吸水饱和后进行抗压试验 石子抗压强度与设计要求的混凝土强度等级之比 不应低于1 5 2 强度及坚固性 压碎指标是将一定重量气干状态下10 20 的石子装入一定规格的金属圆桶内 在试验机上施加荷载到200 卸荷后称取试样质量 0 再用孔径为2 36 的筛子筛除被压碎的细粒 称取试样的筛余量 m1 用下式计算压碎指标 式中 a 压碎指标值 0 试样质量 g m1 压碎试验后试样的筛余量 g 压碎指标值越小 骨料的强度越高 骨料的压碎指标应满足相关规定 2 骨料的坚固性骨料的坚固性是指在气候 外力和其他物理力学因素作用 如冻融循环作用 下骨料抗碎裂的能力 坚固性试验是用硫酸钠溶液法检验 试样经五次干湿循环后 其质量损失应不超过规范的规定 粗骨料中的有害杂质主要有 粘土 淤泥及细屑 硫酸盐及硫化物 有机物质 蛋白石及其他含有活性氧化硅的岩石颗粒等 它们的危害作用与在细骨料中相同 各种有害杂质的含量都不应超出规范的规定 土木工程集料p29 30表4 1 4 2 3 有害杂质 粗骨料中的针状 颗粒长轴长度大于平均粒径的2 4倍 和片状 厚度小于平均粒径的0 4倍 颗粒 不仅影响混凝土的和易性 而且会使混凝土的强度降低 骨料中针状颗粒含量 应符合规范中的规定 4 形状及表面特征 骨料中不应含有活性氧化硅 活性的氧化硅会与水泥中的碱分 2 及 2 起作用 产生碱骨料反应 使混凝土发生膨胀开裂 5 碱活性 六集料的热学性质 集料的热性质主要包括热膨胀系数 热导率 比热容等 其中热膨胀系数是较重要的指标 对混凝土性能有较大的影响 一方面影响混凝土在温度变化时的体积稳定性 另一方面集料与混凝土其他组分热膨胀系数若存在差异 在温度变化时有可能产生较大的热应力而引发微裂缝的形成和扩展 进而影响混凝土的耐久性能 常见集料热膨胀系数 七集料的化学性质 集料的化学性质主要是指集料本身的化学组成及其与混凝土其他组分 侵蚀性介质的化学反应活性 有的集料当中含有活性的含硅矿物 如蛋白石 玉髓和鳞石英等 这些物质在特定条件下有可能与碱发生碱硅酸盐反应 生成碱的硅酸盐凝胶吸水而产生膨胀 使混凝土发生破坏 而碱与集料当中的碳酸盐在一定条件下也有可能发生碱碳酸盐反应 产生的凝胶吸水膨胀 也有可能导致混凝土的破坏 集料化学反应导致的破坏 由于碱集料反应的潜伏期较长 当集料中含有的的活性硅等物质含量较高时应当进行集料的碱活性检验 检验方法包括岩相法 砂浆棒法 化学法 快速砂浆棒法和混凝土棱柱体法 以及压蒸法等方法 岩相法通过分析集料岩石矿物种类 组成及比例来判断其碱活性 砂浆棒法通过将集料与高碱水泥成型砂浆棒 检测其由碱集料反应产生的膨胀率大小来判断其碱活性 化学法是通过测定经粉碎至一定粒度的集料与NaOH溶液在一定条件下的反应量来判断其碱活性 快速砂浆棒法是在高温高碱环境下加速碱集料反应 检测砂浆棒膨胀率大小 混凝土棱柱体法是通过检测混凝土棱柱体由碱集料反应的膨胀率大小判断集料的碱活性 而压蒸法则是通过在高温高压条件下加速碱集料反应 检测砂浆棒膨胀率或混凝土试件表面有无裂纹 超声脉冲速度和动弹模的变化来判断集料的碱活性 上述各种方法单独使用难以准确判断集料的碱活性 往往需要几种方法结合使用 堆积密度不大于1100kg m 的轻粗集料和堆积密度不大于1200kg m 的轻细集料的总称 粘土陶粒页岩陶粒粉煤灰陶粒浮石火山渣煤渣自燃煤砰石膨胀矿渣珠 超轻集料堆积密度不大于500kg m 的保温用或结构保温用的轻粗集料 普通轻集料堆积密度大于510kg m 的轻粗集料 高强轻集料强度标号不小于25MPa的结构用轻粗集料 八其他集料 轻集料 轻集料的吸水率是一项非常重要的指标 其大小直接影响到混凝土的拌和方式 工作性能和强度大小 甚至影响其耐久性能 表征轻集料吸水率的指标有1h吸水率 压力吸水率 真空吸水率等 通常所指的吸水率是1h吸水率 根据吸水率大小可将轻集料分为低吸水率陶粒 吸水率5 低吸水率是高性能轻集料的主要特征 国内仅有宜昌宝珠陶粒公司 上海申威等少数几家陶粒厂能够生产出这种类型的轻集料 轻集料的粒径和级配对新拌混凝土和硬化混凝土的性能都有重要影响 尤其是在采用泵送施工时不宜采用粒径大于20mm的轻集料 为此许多标准都设定了轻集料最大粒径的控制范围 国外陶粒生产厂家都十分强调对轻集料最大粒径的控制 基本上要求轻集料的最大粒径应小于16mm 如Leca的最大粒径要求不大于12mm 而在我国 陶粒生产厂家对粒径过大给混凝土性能造成的危害认识显得不够 对粒径控制不严格 很多厂家生产的轻集料最大粒径甚至超过30mm 轻集料的多孔性使得轻集料在混凝土拌和与运输过程中将吸收水泥浆体中的水分 进而造成混凝土坍落