不同摻量石屑替代機制砂的混凝土性能試驗研究

湯聰輝

（廈門天潤錦龍建材有限公司，福建 廈門 361027）

0 引言

混凝土中的骨料主要起骨架支撐的作用，骨料的質(zhì)量對混凝土的各項性能均具有重要的影響[1]。隨著天然骨料的過度開采，各地區(qū)天然砂石的可用量日益減少[2]，進(jìn)而出現(xiàn)多種新型骨料，例如機制砂石、再生骨料、人造骨料等。在各個采石場中，大量的石屑被作為廢棄物堆積在一旁，既占用場地又污染環(huán)境[3]。石屑一般只作為基礎(chǔ)的夯實墊層或配制水穩(wěn)層的細(xì)集料使用，在混凝土中使用很少。石屑價格比較低廉，具有很好的經(jīng)濟性，因此探索石屑在混凝土中的應(yīng)用具有較高的經(jīng)濟價值和環(huán)保價值[4]?；诖耍疚尼槍Σ煌瑩搅渴继娲鷻C制砂的混凝土性能進(jìn)行試驗研究，以促進(jìn)石屑在混凝土制備時的合理利用。

1 試驗混凝土制備的原材料選擇

（1）水泥：采用福建春馳集團新豐水泥有限公司生產(chǎn)的P·O42.5R水泥，其性能見表1所示。

表1 水泥性能指標(biāo)

（2）粉煤灰F：采用福建省漳州市后石電廠生產(chǎn)的F 類Ⅱ級粉煤灰，細(xì)度18.4%，需水量比98%，活性指數(shù)76%。

（3）礦粉K：采用唐山曹妃甸盾石新型建材有限公司生產(chǎn)的“盾石牌”高爐礦渣粉，產(chǎn)品級別S95，比表面積419m2/kg，流動度比99%，活性指數(shù)99%。

（4）減水劑Ad：采用科之杰新材料集團福建有限公司生產(chǎn)的高效減水劑（緩凝型），產(chǎn)品型號Point-420HS，含固量9.62%，摻量2.0%，減水率19%。

（5）碎石：采用長泰縣半嶺建材有限公司生產(chǎn)的碎石，規(guī)格型號為G1：16～31.5mm 單粒級，堆積密度1390kg/m3，含泥量0.2%，針片狀顆粒含量3%，壓碎值指標(biāo)4.7%；G2：5～20mm 連續(xù)粒級，堆積密度1390kg/m3，含泥量0.4%，針片狀顆粒含量4%，壓碎值指標(biāo)9.2%。

（6）機制砂：采用漳州臺商投資區(qū)豪運達(dá)建材有限公司生產(chǎn)的機制砂，規(guī)格型號為中砂，細(xì)度模數(shù)2.8，堆積密度1450kg/m3，壓碎值指標(biāo)17.2%，亞甲藍(lán)值0.75g/kg，石粉含量4.6%。

（7）石屑：采用長泰縣半嶺建材有限公司、漳州臺商投資區(qū)豪運達(dá)建材有限公司及莆田順磊建材有限公司生產(chǎn)的石屑，石屑材質(zhì)主要為花崗巖，帶有風(fēng)化石，顏色為灰白色，材料代碼分別為：SxA、SxB、SxC，其性能見表2所示。

表2 石屑性能指標(biāo)

2 不同摻量石屑替代機制砂的混凝土性能試驗設(shè)計

使用石屑取代機制砂進(jìn)行混凝土試拌試驗，研究不同石屑替代比例（0、15%、30%、45%、60%、75%）對不同強度等級（C15、C20、C25、C30、C35、C40）混凝土工作性能（坍落度、擴展度、含氣量、泌水率）和強度（7d、28d）的影響，確定石屑在不同強度等級混凝土中的最大摻量，使混凝土工作性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，以此得到摻石屑混凝土最優(yōu)配合比。各強度等級混凝土配合比見表3所示。

表3 試驗混凝土配合比（單位：kg/m3）

從表3可以看出，為使混凝土拌合物初始工作性保持基本一致，減水劑摻量隨著石屑比例提高而增加，且在石屑比例達(dá)到45%以上時，減水劑摻量呈現(xiàn)較明顯的增加趨勢。

3 不同摻量石屑替代機制砂的混凝土性能試驗結(jié)果分析

3.1 工作性能分析

按照表3中的混凝土配合比進(jìn)行混凝土試拌試驗，對混凝土拌合物進(jìn)行坍落度、擴展度、含氣量、泌水率等相關(guān)性能指標(biāo)進(jìn)行測試，試驗結(jié)果如圖1～圖5所示。

圖1 拌合物含氣量

圖2 拌合物表觀密度

圖3 拌合物泌水率

圖4 拌合物坍落度1h損失

圖5 拌合物擴展度1h損失

圖6 混凝土7d抗壓強度

從圖3～圖7可以看出，拌合物含氣量因減水劑摻量增加而變大，相應(yīng)的表觀密度跟著降低，當(dāng)石屑比例60%以上時，含氣量變化較大，與基準(zhǔn)值相差20%以上；拌合物泌水率隨著石屑比例提高而減??；拌合物坍落度及擴展度1h經(jīng)時損失隨著石屑比例提高而增大，C15～C25在石屑比例達(dá)45%以上時損失明顯變大，C30～C40在石屑比例達(dá)30%以上時損失明顯變大。

圖7 混凝土7d抗壓強度變化率

圖8 混凝土28d抗壓強度

3.2 抗壓強度分析

對混凝土成型試塊測試其7d和28d強度，試驗結(jié)果見圖6～圖9。

圖9 混凝土28d抗壓強度變化率

從圖6～圖9可知，摻石屑混凝土28d抗壓強度均可滿足設(shè)計強度要求，抗壓強度隨著石屑比例提高呈現(xiàn)先增長后降低的趨勢；當(dāng)石屑比例不超過45%時，對混凝土強度影響較小，石屑比例提高到60%以上時，抗壓強度與基準(zhǔn)配比強度值對比降低較多；C15～C25在石屑比例為30%時強度最高，而C30～C40在石屑比例為15%時強度最高。其原因是：

（1）摻部分石屑的混凝土，其工作性能與力學(xué)性能均得到一定程度提高，這可能是由于二者的級配互補使得細(xì)集料的整體級配得到了優(yōu)化，從而提高了混凝土的性能。

（2）石屑中含有大量的石粉，石粉粒徑比膠凝材料還要細(xì)，石粉能夠填充膠凝體之間的空隙，提高了混凝土的密實度；另外，石粉還可以與水泥中的礦物成分發(fā)生水化反應(yīng)，生成水化碳鋁酸鈣，提高了混凝土的強度。

（3）石屑中大量的石粉，在混凝土中吸附部分拌合水，使得混凝土保水性提高，減少自由水在過渡區(qū)界面的聚集，從而有利于界面的改善，提高了過渡區(qū)的強度，進(jìn)而提高了混凝土的強度。

（4）當(dāng)石屑比例超過一定范圍時，過多的石粉聚集于界面處妨礙水泥漿體與集料的黏結(jié)，造成混凝土抗壓強度降低。

3.3 收縮性能分析

依據(jù)表3 中C20、C30、C40 相應(yīng)的配合比數(shù)據(jù)進(jìn)行試拌試驗，制作成型收縮試件，按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行養(yǎng)護，并測試混凝土28d收縮率，試驗結(jié)果見圖10所示。

圖10 混凝土28d收縮率

從圖10 可知，隨著石屑比例提高，骨料體系中石粉含量逐漸增加，混凝土試塊的28d 收縮率逐漸增加；當(dāng)石屑比例不超過30%時，石屑混凝土收縮率與普通混凝土相差不大，兩者收縮率比相差最大不超過14%；石屑比例超過30%時，石屑混凝土收縮率明顯大于普通混凝土，收縮率比最大相差53%；石屑比例相同時，隨著混凝土強度提高，混凝土的收縮率也是逐漸增加的。其原因為：

（1）隨著石屑比例提高，骨料體系中石粉含量逐漸增加，混凝土試塊的28d 收縮率逐漸增加。這是因為石屑中含有的石粉顆粒比較細(xì)而且本身具有一定的活性，在加速水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣形成的同時，自身與氫氧化鈣和水化鋁酸鈣反應(yīng)生成水化碳鋁酸鈣晶體，由于生成水化物的體積比反應(yīng)物要小，因此石屑比例越大，骨料體系中石粉含量越高，混凝土試塊收縮率也就越大。

（2）石屑比例相同時，隨著混凝土強度提高，混凝土的收縮率也是逐漸增加的。這主要是因為強度越高水膠比越小，膠凝材料體系占比越大，收縮率越大。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文主要對不同摻量石屑替代機制砂的混凝土性能進(jìn)行試驗研究，通過研究得到以下結(jié)論：

（1）隨著石屑比例提高，混凝土拌合物含氣量變大，表觀密度降低，泌水率減小，坍落度及擴展度1h經(jīng)時損失增大；

（2）摻石屑混凝土28d抗壓強度均可滿足設(shè)計強度要求，抗壓強度隨著石屑比例提高呈現(xiàn)先增長后降低的趨勢，C15～C25 在石屑比例為30%時強度最高，而C30～C40在石屑比例為15%時強度最高；

（3）混凝土收縮率隨著石屑比例提高而增加；石屑比例相同時，混凝土收縮率隨著強度提高而增加；

（4）為了保證混凝土拌合物具有良好的工作性，強度滿足設(shè)計要求同時具備良好的長期性能，C15～C25混凝土石屑最大摻量宜控制在30%以內(nèi)，而C30～C40混凝土石屑最大摻量宜控制在15%以內(nèi)；

（5）C15～C40石屑取代機制砂的平均摻量為181kg/m3，相比普通混凝土，依據(jù)本公司原材料均價計算，使用石屑取代機制砂生產(chǎn)混凝土可節(jié)約成本5.37元/m3。