石场尾料人工砂配制大塌落度混凝土试验研究

文/王玮、张正刚、葛二兵 江苏建筑职业技术学院 江苏徐州 221008

石场尾料人工砂配制大塌落度混凝土试验研究

文/王玮、张正刚、葛二兵 江苏建筑职业技术学院 江苏徐州 221008

为了合理利用碎石加工场生产混凝土用碎石剩余的尾料，通过试验分析尾料的石粉含量、颗粒级配，并采用筛分和水洗处理方法，将石场尾料生产出符合建筑用砂标准的人工砂；分别采用人工砂和河砂配制了C30和C50两种强度等级的大塌落度混凝土，对比研究了混凝土的物理性能和力学性能。结果表明：配合比相同时，人工砂混凝土的和易性好；人工砂混凝土的力学性能与天然河砂混凝土相近。

石场尾料人工砂；大塌落度混凝土；试验研究

目前徐州地区在加工场通过机械破碎和筛分的方法生产出符合要求的不同粒径的建筑用碎石，之后含较小粒径碎石颗粒和石粉的尾料大多用作填料，只有部分石粉被预拌混凝土厂与粉煤灰一起被用作拌合物。

研究成果[1][2][3]表明，与天然河砂、海砂、山砂相比，人工砂在几何特性、物理化学特性以及使用特点方面具有一定的优势。目前市场尾料价格不到30元/m3，而天然河砂价格超过70 元/m3，尾料没有得到合理的利用，造成自然资源的大量浪费。

本文针对石场尾料在推广应用方面存在的一些问题，通过工艺处理控制尾料的石粉含量，制作出颗粒级配及细度模数满足建筑用砂标准人工砂；然后通过对比试验方法研究石场尾料人工砂混凝土的工作性能和力学性能，为人工砂配制混凝土提供有力的参数。

1、试验设计

试验选用强度等级为C30和C50的普通混凝土。砂率相同（人工砂及天然河砂）、水灰比相同、坍落度相当（180～200mm），高效减水剂掺量变化。

1.1 人工砂预处理

徐州地区采石场在生产建筑混凝土用碎石过程中，经过筛分产生大量含粒径小于5mm的碎石颗粒、石粉和少量泥土的混合尾料，人工砂的颗粒级配偏向于中、粗砂。岩石主要成分为石灰岩，尾料人工砂颗粒、石粉与母岩的物理化学性质完全一样，压碎指标较好，与碎石物理和力学性能一致。

人工砂主要存在的问题是石粉含量较高。为确保尾料人工砂制备混凝土的性能，必须对尾料进行处理，生产出符合建筑用砂标准的人工砂。考虑经济性和环保要求，按《建筑用砂》（GB/ T 14684-2011）冲洗标准经自来水冲洗（设置有石粉沉淀池），使石粉含量不大于10%为止。

1.2 原材料性能

人工砂和天然河砂 与人工砂对比组的普通混凝土选用天然河砂。人工砂的表观密度2705kg•m-3，松散堆积密度1440kg•m-3，石粉含量6.9%，泥块含量0，云母含量0，细度模数为3.1，级配区间为1区，MB值为1.1，粗砂；天然河砂的表观密度2635kg•m-3，松散堆积密度1426kg•m-3，泥块含量0，细度模数为2.4，级配区间为2区，中砂。

水泥 使用徐州中联水泥厂生产的P•O 42.5R普通硅酸盐水泥，胶砂28d抗压强度46.6MPa，胶砂28d抗折强度7.4MPa。

碎石 选用粒径5-20mm的碎石，级配良好，表观密度2740 kg/m3，压碎指标9.2%。

水 使用普通自来水。

外加剂 外加剂选用高效减水剂。

1.3 混凝土配合比

考虑目前普遍使用泵送混凝土的要求，设计混凝土的坍落度为190mm，C30混 凝 土 配 合 比：m水泥: m砂:m石:m水:m减=1:2.743:3.660:0.60:0.016；C50 混 凝 土 配 合 比：m水泥:m砂:m石:m水:m减=1:1.89:2.835:0.40:0.018。

1.4 试块制作及分组

分别采用石场尾料人工砂和天然河砂制备C30和C50两种强度等级混凝土，砂率相同（人工砂及天然河砂）、水灰比相同、坍落度相当，观测混凝土的和易性及坍落度。 制 作150mm×150mm×150mm、100mm×100mm×300mm 和100mm×100mm×100mmmm试块分别用于测试3d、7d、14d、28d的混凝土立方体抗压强度、轴心抗压强度和劈裂抗拉强度，对比分析人工砂和天然河砂混凝土力学性能。

2、试验结果及分析

试验在1000 kN的电液伺服机上进行，测试结果见表1。

表1 加载试验数据

2.1 混凝土拌合物的物理性能

观察混凝土拌合物的外观，并测量其浇筑 前 的 坍 落 度：C30R为201mm，C30T 为198mm，C50R为182mm，C50T为198mm，表明石场尾料人工砂混凝土的坍落度比天然河砂混凝土略低，原因是由于石场尾料人工砂表面粗糙，吸水性较大；人工砂混凝土的和易性和稠度较好，分析原因是尾料人工砂的比表面积较大，与水泥胶体粘结界面较广，石粉的存在提高了混凝土拌合物的和易性和稠度0。

2.2 混凝土力学性能

根据表1中的试验数据，建立混凝土的立方体抗压强度时变规律曲线，见图1；混凝土的轴心抗压强度时变规律曲线，见图2；混凝土的劈裂抗拉强度时变规律曲线，见图3。

图1 立方体抗压强度时变规律

图2 轴心抗压强度时变规律

图3 劈裂抗拉强度时变规律

图1～3显示，在28d内的四个测试时间点，各混凝土试块的标准立方体抗压强度、轴心抗压强度和劈裂抗拉强度均随养护时间增长；尾料人工砂混凝土的立方体抗压强度与天然河砂混凝土相近，较天然河砂混凝土强度略高。分析原因包括：人工砂中适量石粉可以起到填充作用，有助于降低混凝土的孔隙率；人工砂的质地接近碎石，且比表面积大，与水泥胶体有较强的机械咬合力[4]。

尾料人工砂混凝土的轴心抗压强度与天然河砂混凝土相近；加载过程中，C50R试块在接近极限强度时，“嘣”的一声，出现较严重的劈裂脆性破坏。分析原因，人工砂中石粉填充了混凝土的孔隙率，增强了混凝土骨架，并随着强度等级的提高，增强作用越明显。

尾料人工砂混凝土的劈裂抗拉强度与天然河砂相近。

结论：

（1）采用筛分和水洗处理方法，通过试验分析尾料的石粉含量、颗粒级配，可以利用碎石场尾料生产出符合建筑用砂标准的人工砂；

（2）对比分析混凝土拌合物的外观特征和坍落度检测结果表明，石场尾料人工砂的外观特征和石粉可以改善混凝土的物理性能，增加混凝土的和易性；

（3）根据加载试验结果和加载破坏后的试块断面特征分析表明，适量石粉可以起到填充作用，有助于降低混凝土的孔隙率；人工砂的质地接近碎石，且比表面积大，与水泥胶体有较强的机械咬合力，使得人工砂混凝土的立方体抗压强度、轴心抗压强度和劈裂抗拉强度较天然河砂混凝土略高。

［1］董瑞.陈晓芳.钟建锋.沈卫国.石灰岩性机制砂特性研究[J].混凝土，2013，281(3)：84-89.

［2］赵炎龙.人工砂含泥当量和石粉当量测算方法研究及应用.混凝土[J].2013，289(11)：146-149.

［3］刘波.浅谈人工砂细度模数对混凝土性能的影响.四川建材[J].2015，41(1)：6-8.

［4］张蔚.人工砂对混凝土长期耐久性能的影响.福建建设科技[J].2012(6)：41，44-46.

王玮，女，1971-，副教授，硕士，江苏建筑职业技术学院。

论文来源：

2014年度江苏省高等学校大学生实践创新训练计划项目：人工砂混凝土长期力学性能发展规律研究（201410849019X）