特别策划:关于混凝土中砂石含水率相关问题的探讨
2011-01-13本刊编辑部
特别策划:关于混凝土中砂石含水率相关问题的探讨
1.针对目前混凝土企业应用的砂石现状,从含水率变化上来谈是一个什么情况?需要注意哪些问题?
冯汉峰(深圳市东大洋集团公司,技术总工):
目前混凝土企业使用的砂石来源复杂,含水率变化较大且频次较高,给控制造成很大的难度,含水率的频繁波动必然引起强度、坍落度、和易性、工作性的变化,对混凝土的受控流程是一个很大的挑战。针对含水率的变化情况我们必须注意以下几个主要问题:
(1)砂石来源的稳定性。
(2)砂石的颗粒级配问题,不同的级配、粒形含水率不同。
(3)主要通过加强对混凝土坍落度、和易性的检测来反向的检测对所扣含水率的准确度。
(4)对于一个已知的配合比,如果出机效果与试配情况基本符合,那么砂石含水率也被视为准确,当然前提是其余材料的稳定性问题,否则就会涉及到多扣含水或扣不足,都是对配合比的失控。
(5)目前有些砂是经过加工复掺的,掺入大量石粉,我们要避免使用这种砂,由于涉及掺配的均匀性、级配等问题,这种情况下含水率是无法控制的。
(6)控制人员的专业程度、设备及料仓的堆放情况。
钟佳墙(陕西盛泰混凝土工程有限责任公司,总工):
目前混凝土公司在实际生产中一般都采用调整用水量的方法来控制坍落度,但是采用这种方法一般要求原材料质量稳定,如果公司的采购能力较弱就要加大对进厂原材料质量的检测,然后要结合原材料质量波动的情况来决定是对外加剂还
是用水量进行调整,现在,有的企业也采用将骨料场封闭的方法来稳定骨料的含水率,这个办法还是比较可取的。
需要注意以下几个问题:当发现混凝土坍落度有异常的时候要加大坍落度的测试工作量,而且还应将所取混凝土样品静置数分钟,观察混凝土的变化,根据混凝土坍落度的变化来判断调整的方法是否正确。
戴镇潮(武警水电第二总队退休高级工程师):
砂石含水直接影响混凝土的水灰(含掺合料,下同)比,水灰比是影响混凝土质量的主导因素,所以对砂石含水问题应高度重视。其中主要的是:混凝土配合①设计的砂石应该是面干饱和状态;混凝土生产前和生产过程中必须测定其含水比率②,校正混凝土配合;采取有效措施,尽量减小砂石含水对混凝土的影响。
(1)混凝土配合设计的砂石应该是面干饱和状态
混凝土配合设计的砂石应该是面干饱和状态,即表面干燥、内部饱和。这时,水泥浆不会吸收砂石中的水分,水泥浆的水分也不会被砂石吸收,因而保持设计预定水灰比不变。若砂石是干燥状态的,则水泥浆的部分水分被砂石吸收,水灰比减小,强度增高。砂石吸水率越大,水泥浆被砂石吸收的水分越多,水灰比减小越多,强度增高越多。结果使设计者无法准确掌握要达到的水灰比和强度。
第一次计算得到的混凝土设计配合不可能满足要求,需经试拌、调整才能得到符合要求的设计配合。试拌、调整也不宜使用干燥状态的砂石。虽然可按其吸水率增加用水量,以保持水灰比不变,但因干燥砂石不会很快吸足水分,使刚拌好的混凝土的水泥浆中的水分偏多,流动性偏大,测得的混凝土坍落度偏大,不能准确地调整混凝土设计配合。试拌、调整混凝土设计配合使用的砂石,当然最好是面干饱和状态的,但难以做到;可采用比面干饱和状态含水稍多的砂石,测定含水比率,校正混凝土配合;也不宜使用含水过多的砂石,因含水变化大,影响试拌、调整。
(2)混凝土生产前和生产过程中必须测定砂石含水比率②,校正混凝土配合
混凝土设计配合的砂石重量按面干饱和状态计,而现场的砂石都是潮湿的,含有一定的水分,需测定其含水比率,计算得所需砂石的湿重,同时在加水量中扣除潮湿砂石带入的水量,以保持现场拌制的混凝土成分和设计配合相同。这就是生产前和生产过程中混凝土配合的校正和校正的目的。但是,由于砂石含水不均匀、且随时间变化,测定含水率的砂石样品代表性差,含水率测定存在误差等,特别是遇日晒雨淋,砂石含水变化大,现场的混凝土成分的变化也随之增大,很难做到现场拌制得的混凝土成分和设计配合相同,实际只能是相近,越相近,说明质量控制越好。现场拌制的混凝土成分和设计配合是否相近,主要依据坍落度测定结果来检验。坍落度符合预定要求,说明砂石含水测定、混凝土配合校正是正确的,控制有效,质量有保证;否则应查明原因,消除之。
(3)采取有效措施,尽量减小砂石含水对混凝土的影响
1) 保持砂石含水量均匀稳定
这是最重要的。砂石含水量均匀稳定,测定其含水比率时,取样会有较好的代表性,测定结果较准确;混凝土的生产配合变化较小,质量容易控制。
要使砂石含水量均匀稳定,主要应使含水量尽量小。含水量越小,变化也就越小。所以不要使用刚清洗过的、刚被雨淋的砂石,待其充分脱水后再用。搭棚防日晒雨淋,是保持砂石含水量均匀稳定的简易而有效的措施。另外,在炎热的夏季,棚下不被日晒的砂石温度不致太高,混凝土温度也不致太高,不会过早凝结,利于施工。
2)勤测砂石含水比率、校正混凝土配合
通常每班(8小时)测定、校正一次。可在交接班时进行。若砂石含水不稳定则应缩短为每4小时测定、校正一次;或随时进行。
3)准确、快速测定砂石含水比率
在现场最简易、快速的测定方法是用电炉烘炒。可烘炒至完全干燥,计算得以干燥状态计的含水比率,扣减去吸水率,就得以面干饱和状态计的含水比率(十分相近的近似值)。
按试验操作规程用烘箱烘干,耗时长,不能满足现场砂石含水变化快的要求。
砂子含水比率也有采用在三角烧瓶或量筒中测得湿砂比重计算的。因为水的比重小于砂子,含水越多,湿砂比重越小。此法不需将砂子烘干,测定速度也较快,但用于计算的面干饱和状态砂子的比重必须准确,否则所得含水比率是不准确的。
随着科学技术的进步,砂子含水比率采用电子仪表快速测得,并通过电脑自动校正混凝土配合。但石子的含水比率尚未闻有测定的电子仪表。
注①混凝土的配合目前普遍地被俗称为“配合比”,这是不准确的,也不规范,多了一个“比”字。很早以前,混凝土组成材料以松体积计,以水泥体积为1按比例进行配料时称“配合比”。但因“松体积”的疏松密实程度难以控制,配料误差大;而且难以准确换算得实体积,后来都改按单位体积重量计进行配料。按单位体积重量计进行配料,就不能称为“配合比”,应改称为“配合量”,或“配合成分”、“成分配合”也可简称为“配合”。英语称为“mix”,也就是“配合”,没有“比”的意思。
2.砂石含水率对混凝土配合比的具体影响是什么?
范孟岭(厦门智欣建材有限公司,高工):
砂含水率的非预期变化,将改变混凝土的用水量和用砂量,原有配合比所要实现的性能发生诸多变化,包括和易性、强度及体积稳定性等。具体表现为:
一、砂含水率被低估时,砂实际含水大于计算值,那么每方混凝土的用水量相应增加,实际用砂量相应减少。
1)用水量增加会提高混凝土流动性,并可能导致离析、泌水;
2)用水量增加使得减水剂掺量和水胶比的关系遭到破坏,可能引起混凝土离析;
3)用水量增加使得水胶比增大,混凝土强度随之降低;
4)用水量增加使得混凝土硬化后气孔增多,密实性降低,抗渗性能下降;
5)用砂量减少,使得混凝土表观密度降低,对强度也有一定影响;
6)用砂量减少,使得混凝土砂率降低,引起砂石空隙率变化,进一步影响到混凝土密实度,还可能会引起混凝土离析、泌水;
7)用水量增加,用砂量减少,会加大混凝土的收缩,影响体积稳定性。
二、砂含水率被高估,砂实际含水小于计算值,每方混凝土的用水量减少,实际用砂量增加。
1)用水量减少将降低混凝土流动性,后期调整又难以保证混凝土的均匀性,而且容易招致施工人员胡乱加水,导致混凝土离析、强度下降;
2)用砂量增加使得混凝土流动性进一步降低;
3)用砂量增加将改变混凝土原有砂率,砂石空隙率改变,将影响混凝土的流动性、密实度及强度;
4)用砂量增加将改变混凝土表观密度,甚至会影响交货数量;
朋改非(北京交通大学土建学院,教授):
关于这个问题,我看包含了2个问题,一是混凝土配合比设计中砂、石的含水状态问题;二是如何测定砂石含水率的试验方法问题。
后者试验方法问题,是比较容易解决的。现行的方法基本是科学的,但试验速度稍嫌慢了些,还可以改进。我提出改进的、更好的方法可以是:如果砂或石子的来源在一定时期内是基本固定的,我们可以假定其岩石种类、岩石组成、结构特征是基本不变的,那么,就可以通过干表观密度、含水时的表观密度、含水率等参数的相互关系,可以快速测定、计
5)砂率增加将占用更多的胶凝材料进行包裹,引起强度下降、拌合物干涩。
三、碎石通常为干燥状态,生产时含水率可设为零。在下雨天气或进料时带水,应检测碎石含水率。碎石含水率被错估对配合比的影响,和砂相类似,也会影响到混凝土的流动性、砂率、保水性、抗离析性、强度、密实性(抗渗性能)。算得到含水率的。
前者的配合比设计中的砂石含水状态问题,才是更为重要的、更为基础的问题。我国现行标准及传统的标准都是干基的,这决定了目前在我国必须测定砂石含水率的现状。如果更改为饱和面干或者饱水为配合比设计的砂石含水状态,相信可以带来混凝土技术的一个进步,但前提是要先行进行这两种不同含水状态带来的配合比设计、原材料用量、混凝土强度、耐久性、和易性等方面的系统误差的专门研究,在研究结果的基础上,方可进行配合比设计方法的更改。这些工作,是有一定难度的,没有4年、6年是完不成的。
3.影响砂石含水率测量的波动因素比较大,目前是否存在除实验室测量方法之外更加方便准确的测量方法?
王爱勤(中原工学院土木建筑系,教授):
确定混凝土配合比时,按混凝土的不同用途及相应的标准,采用不同的砂石含水率基准。如建工用混凝土采用干基含水率,即用烘箱烘(或铁锅炒)将原料库内砂石处理至绝干状态,其前后的质量差(即含水量)与干砂石的质量做比值,即为干基含水率,而水工混凝土因其长期在饱水状态下工作,故配制混凝土时砂石采用饱和面干基含水率,即将砂石在水中浸泡,吸水达到饱和时(即继续浸泡表观密度不变时)取出,用湿布将表面水吸干,称重,再将其烘干(或炒干)后称重,将其前后的质量差(即含水量)与干砂石的质量做比值,即为饱和面干基含水率。
依标准建工用混凝土应采用干基,本人认为不是砂石含水率的测量存在偏差,而是在砂石投入混凝土搅拌机时砂石含水率会不断变化,以至于偏离了实验室给出的混凝土配合比,影响混凝土质量。我认为通常有几种解决办法。
(1)一般混凝土实验室,24小时有实验员值班,随时测定欲拌混凝土砂石的含水率,给出依实际砂石含水率调整的配合比。一般情况因砂的比表面积比较大,因此砂的含水率变化也很大,而石子的含水率变化不太大。以砂为例,假如每1m3C30混凝土,需胶凝材料用量350kg,用水量180kg,砂用量550kg(干基),石子用量1250kg(干基)。我们在砂库内取砂样,测得其干基含水率为10%,则给搅拌楼的实际混凝土配合比:应在加水时扣除砂、石带入的水,同时砂子实际加入量也应考虑所含水分而相应增加,增加到保证干砂为550kg。如此调整后的配合比应为:胶凝材料用量350kg,实际砂为550÷0.9=611kg,而实际加水量则为(180-611×0.1)=119kg,石子按此法也做相应调整。
(2)砂、石库总是保持其含水饱和状态,这样只要计算出砂石的含水饱和基含水率,给出在这种状态下的实际混凝土配合比即可。当然应考虑若进来的砂样不同,其饱和含水率会有所变化。实验室应随时跟踪测试。
(3)试验室测试砂石实际含水率时,注意取样要布点均匀,考虑不同部位,保证其实际含水的真实性。只从边上取样,或只从一处取样都是不正确的。
(4)集料堆放的环境对集料含水率的分布有较显著的影响。特别是在十分炎热的夏天,如果集料露天堆放,集料的含水率将随时间而发生较大的变化。因此,准备使用的集料应提前一天放入库房,避免使用时太阳暴晒引起集料含水率的变化。
(5)即便没有太阳暴晒,料堆各部位的含水率通常也是不同的。一般地说,料堆顶部的集料含水率较低,而底部集料的含水率较大。使用时应避免使用底部集料。对于底部的集料,应在下班前将其码堆,第二天使用。
4.砂石含水率的测量都存在一个偏差的问题,针对这个问题,目前一般都是采取怎样的措施来解决的?
冯庆革(广西大学环境学院,教授):
(1)砂石含水状态
一般情况下,砂石的含水状态如图1所示,有4种;。砂石中所含的水分,不仅会增加混凝土中水的重量,改变水灰比,同时减少了砂石的重量,使混凝土的配合比发生变化。在施工中,砂石含水率增加或减少一个百分点,都会增加或减少很大重量的水,因此,砂石含水率的测定准确与否,将直接影响到混凝土的质量。在配合比计算中单位水量以面干饱和为标准,现场配合比中的搅拌用水量和砂石量根据表面含水率进行补正而得出实际配合比。
(2)砂石含水率的测定方法
1)直接测量法是通过比较前后被测样品的质量差来确定含水率。直接测量法采用离线测量,耗时长,只用于取样测量,通常它是作为检验其它测量方法的检测标准。定义测量法所采用的方法主要有:直接干燥法、红外干燥法、燃烧酒精蒸发水分法;
2)间接测量法是通过测定相应参数来间接反映砂石含水率的方法,该方法主要用于在线测量砂石含水率,它克服直接测量法测量时间滞后的缺点,能及时的反映生产的瞬间状态值,使得生产操作工要精确调节给水量,保障混凝土的生产质量和效率。间接测量法的主要手段有:电阻(电导)法、电容法、中子法、红外法和微波法;
(3)砂石含水率测量问题点和注意事项
1)直接测量法的滞后性,它采用离线测量,耗时长。这种方法造成检测出来的含水率与混凝土实际生产状态存在一种时间滞后现象(一般为6小时),故这种检测手段不能及时反映生产的瞬间状态值,使得生产操作工要通过人工估计调节给水量,不能保障混凝土的生产质量和效率。这种方法对稳定的砂石来源和均匀性较好的情况下比较合适,但是,为了减少偏差,可以增加检测的频次和加强取样的代表性;
2)考虑到砂石的含水率随粒度、堆放的深度、气候的不同等因素的变化而有很大的波动,导致事先测定的含水率与实际的含水率相差较大,因此,对砂石的含水率进行检测,即要进行连续在线测定,以确保混凝土实际配合比准确。这种技术在大型水泥混凝土拌合站已采用;采用这种方式时候要注意对仪器正确维护,需要用含水量烘干测定法经常进行检查校正,以确保其能达到精度要求;
3)对于中、小型水泥混凝土搅拌站,如果有自动控制系统的,可安装砂石含水率检测仪,并将测定仪与微机控制程序接通,自动完成对检测的砂石含水率进行配合比的调整;对没有自动控制系统的,只安装砂石含水率检测仪,在搅拌混凝土的过程中,观察砂石含水率,人工进行配合比的校正。
5.如何看待目前市场上新出现的新型砂石测水仪?在应用当中有何利弊?是否存在很大潜在的风险?
王宪新,张萍(混凝土生产中砂石含水在线检测):
当前预搅拌和预制件行业都已认识到商品混凝土在配料时进行砂石含水量测量的重要性和必要性。这是因为材料具有自然排水性质,当砂子和骨料拌成混凝土时,其每次的含水量都不相同。混凝土质量是影响混凝土工程和预制混凝土构件质量的一个重要因素,强度和耐久性是衡量混凝土质量的主要指标。通过实践证明配制混凝土时的实际用水量直接影响到混凝土的强度和耐久性。
含水量的变化将产生以下结果:骨料的重量不准确。混合料产量不稳定,引起骨料与水泥比例的变化,“混凝土工作性能和颜色”。混凝土强度与所含的水分和水泥量的对比有直接联系(即水灰比),对于任何给定的配合比,水量的变化将直接反映到混凝土强度及耐久性。砂子的含水量变化一般4%~8%,它会导致:干砂减少3%的重量。如果希望保持固定的骨料与水泥比例就没有必要使用更多的水泥。当预拌要求拌合定量的混凝土,就需要多拌 3% 的水泥,这显然在成本上是不利的,从混凝土最终强度上减少大约 20%(混合料的配合比)。影响建筑物及公路的长期耐久性,增大了维护费用。
混凝土中的单方用水量决定了混凝土中孔隙的多少,混凝土中的孔隙对混凝土力学性能和耐久性的影响至为重要。混凝土的物理力学性能受其结构的密实性与均匀性所支配。若水分较少混凝土和易性不好,无法振捣密实,混凝土强度也无法提高。同样,若水分较多,拌合物的流动性就大,混凝土不但容易离析、泌水,而且使混凝土孔隙率增大,强度降低。根据有关规范规定,单方用水量在 185~175kg/m3之间的混凝土,属于耐久性混凝土;单方混凝土用水量≤175kg/m3的混凝土属于高耐久性的混凝土,由此可见控制混凝土单方用水量不论是对混凝土的强度还是耐久性能都是至关重要的。而在所用原材料中砂含水量最难控制,这是由于砂子产地、种类不一,以及露天存放时受风吹日晒及雨雪等气候环境的影响。
因此,在高质量混凝土生产过程中通过补偿不断变化含水量精确称量材料的重量和调整搅拌机中的水量,从而保证混合料始终一致的工作性能。使用湿度传感器对砂子的含水率进行在线检测,是非常有效的方法。而且湿度传感器的使用寿命很长,整个构造坚固且容易安装,放置在料仓的底部和微处理装置(电子数据分析仪)一起工作。由传感器测出的瞬时和连续的平均含水量能同时被显示出来。这些信息传给配料调节器或计算机控制系统提供了骨料在线的重量校正信息,由此保证了骨料水泥比和产量准确,并校正加水量以保持稳定的塌落度。
2000年8月三建混凝土分公司购置了两套由德国进口的阿诺尔在线砂含水率检测装置,分别安装在现代站、三星站两个搅拌站上,这套系统准确耐用、使用简便。它主要由电容式测试传感器,分析仪和电子显示装置组成,技术人员可通过显示装置直接观察到砂仓出口的砂子含水率的变化,可以及时对混凝土配合比进行调整,使混凝土质量有了进一步的保证和提高。
检测装置安装和调试也非常简单。首先进行静态调整,取低湿的砂样和高湿的砂样各一份。将探头放入砂样中,调整零点旋钮和百分点旋钮,得到一条湿度与电压的关系曲线。然后进行动态调整,将探头安装在砂仓内,在生产过程中从砂仓出料口分别取三到五次砂样。求出它们的平均值,通过调整零点旋钮,使其修正为实际值。至此调试完毕。
检验数据及结果,试验室检验人员定期取砂样检测含水率,与检测装置显示器的数据作出对比。技术人员可以通过这套系统随时掌握砂含水的动态信息,从而控制整个生产过程的用水量,及时改进与提高混凝土质量。此外,在冬季施工中,为保证混凝土的质量需要对原材料进行加热,而间歇性的生产造成了蒸汽聚集,技术人员很难控制实际用水量的多少。用砂含水测定仪就可以直观、及时的掌握用水量。在夏季施工中,由于季节性降雨量较大,通过湿度检测系统就可以随时掌握砂含水的变化。这套系统不仅使混凝土拌合物拌合均匀,还防止了有离析和泌水现象的发生。同时节约了大量的人力物力,还进一步提高了混凝土的质量,并为企业创造了巨大的经济利益。在完善了质量控制过程的同时,使混凝土质量也稳定的提高;同时还配备了相应的技术人员,由此更建立和健全了必要的技术管理与质量控制。
总之,在保证混凝土质量一致的生产过程中,利用电容式湿度传感器技术,进行在线含水量测量,保证混凝土具有最佳的耐久性,不仅在经济成本上对生产者有利,最终对使用者更有利。劣质混凝土会产生资金的大量浪费,随着中国大规模的建设规划的制定,对生产稳定的高质量混凝土提出了更高的要求,安装湿度传感器对混凝土行业连续生产配料中的砂石骨料含水率和搅拌中的混凝土湿度测定,都是必要的手段。
S.Nagataki(日本预拌混凝土的质量控制):
测量和校正集料的表面湿度
在生产预拌混凝土时,集料表面的水分会带入混凝土中。例如,表面湿度为1% 的细集料将会把6~7kg水带入每立方米混凝土中。因此,在生产混凝土的过程中,测量和校正集料的表面湿度是非常重要的,它对混凝土的质量有很大的影响。
为了能在批量称重设备中精确迅速地测量集料的表面湿度,一些微波湿度传感器在日本得到了应用。
湿度传感器安装在存放集料的容器和称重设备之间,如图2。
称量集料的时候,表面的湿度就会很快地得到测定。集料表面湿度的测量结果会传到设备控制面板的计算机中,配制混凝土的用水量也同时得到校正。
一些其他的控制集料湿度的方法也得到了发展,一种方法是使用大型气旋分离器作为砂子稳定器来控制砂的表面湿度。另一种方法是在批量称重车间中使用特殊称量器,在这里细集料被浸入水中称之。
李亚铃(砂含水率快速适时检测系统):
(1)当今砂石含水率检测存在的问题
砂石含水率是直接影响混凝土坍落度与强度的主要因素,多年来各地试验室大多是靠炒砂子来检定砂子的水分,其结果是:
砂子的含水率测不准,由于是小样本抽取,炒砂子称重时间长而且滞后,而实际配制混凝土时砂子的含水率会有所不同,如果砂子的含水率检定值大于实际值,实际加入的水少了,混凝土的坍落度就会减少,反之,实际加的水多了,可能混凝土会泌水和离析,混凝土的孔隙度加大,抗渗性削弱,强度下降。
据北京一个混凝土站2002年实际生产统计显示:混凝土原强度波动值(均方差)一直在8~10MPa,极差在0~15 MPa,而初机坍落度忽大忽小,生产调度十分波动。
(2)砂含水率快速适时检测系统
适用于所有混凝土站,本项目采用了德国阿诺尔特公司的湿度测量探头,含水率动态检测精度可达到0.5%,本系统输出信号范围:标准输出电压:0~10V(最大13V,最小-0.7V)。
(3)实际生产作业
依据混凝土站实际情况可以做两种选择:
混凝土搅拌为手动控制:砂含水率快速适时测定值超过限定区间时,就会发出警告指示,在岗人员手动调整积水量。
混凝土站位计算机自动控制:砂石含水率值通过相应的程序自动计算控制给水量,确保实际给水量尽可能符合设计的目标值。
(4)经济效益
由于给水量尽量做到准确,保持了混凝土预期的坍落度和强度,缩小了混凝土的强度极差和波动值,从而确切把握逐步并减少了水泥用量。据安装了砂石含水率快速适时监测系统的混凝土站2002年的生产统计显示:1m3混凝土减少水泥用量平均达到10kg,按全年生产混凝土35万m3计,总计减少水泥用量约3500t,效益良好。