一种废弃石屑在预拌混凝土中的应用研究

2018-07-03张全贵

江西建材 2018年8期

赵江，张全贵

(北京金隅混凝土有限公司,北京 100165)

前言

随着现代化建设的步伐不断加快,预拌混凝土越来越多的被应用到各个建筑领域。预拌混凝土的一种主要材料是天然砂,而天然砂是一种短期不可再生的地方资源,许多地方因环境保护采取了禁采或限采的措施,尤其在北京,预拌混凝土每年的使用量较大,环保力度逐年加大的情况下,混凝土用砂的矛盾日益突出,天然砂的质量下降, 砂的价格持续走高,在混凝土用量高峰期,甚至无砂可用,影响了工程建设的发展。因此,顺应政府要求和行业需求,急需在本地区寻找一种可以替代或部分替代天然砂的材料,不仅可以节约生产成本,还能就地取材,保护当地环境资源。

在考察北京当地某一家石矿,该矿为石灰石岩,生产碎石时产生堆积了大量废弃的石屑颗粒和石粉(下文姑且称之为石屑砂),一般石屑和石粉仅在夯实基础垫层时用一部分,在混凝土中应用很少,通过对该石矿的石屑石粉(尾矿)进行混凝土试验,探讨其在预拌混凝土的应用的可行性,有效的加以利用,实现“变废为宝”。

1 废弃石屑的物理性能测试

取样对其进行筛分,筛分结果如表1。

表1 废弃石屑筛分结果

计算其细度模数为3.4,属Ⅰ区粗砂,石粉含量6.0%。亚甲蓝值：0.8-1.1,说明其中黏土含量小。表观密度2720kg/m3,堆积密度1580kg/m3,空隙率42%。碱集料反应14d膨胀率判定为无潜在碱— 硅酸反应危害,单级最大压碎指标：18%。

上述结果表明,该废弃石屑砂的颗粒级配不良,2.5mm以上颗粒累计筛余超过 40%,0.315mm以下颗粒低于20%,颗粒分布表现为“两头多,中间少”,且颗粒表面粗糙,棱角尖锐。若在预拌混凝土中单独作为细集料使用,往往易导致新拌混凝土保水性差,易离析泌水,使用效果较差,解决的思路是和其他砂搭配使用,使混合砂颗粒总体粒形、空隙率、比表面积得到改善,才能在混凝土中取得良好效果。

2 废弃石屑与天然砂搭配的混合砂

当地可用天然河砂的颗粒级配如表2。

表2 河沙筛分结果

废弃石屑砂与此天然砂按1∶9、2∶8、3∶7、4∶6、5∶5比例搭配进行筛分,结果见表3。

表3 石屑与天然砂不同搭配比例筛分结果

从上述筛分结果来看,当废弃石屑砂混合比例不超过40%的情况下,混合砂级配基本符合Ⅱ区中砂的要求。

3 混凝土试验

针对该废弃石屑砂及天然砂的特点,将废弃石屑砂与天然砂混合配制成满足混凝土生产要求的Ⅱ区中砂,使用这种混合砂配制混凝土,技术关键是混合砂的混合比例如何确定。其混合比例可按照混凝土工作性、力学性能、混合砂细度模数等技术指标优选出最佳的混合比例,该比例的混合砂应满足混凝土对普通砂的各项技术要求。试验时,外加剂掺量适当调整,保证达到要求的工作性,探讨石屑混合砂的应用技术规律。

3.1 原材料

1、水泥,北京水泥厂生产的P.O42.5,具体指标如下表4。

表4 水泥的物理性能指标

2、粉煤灰,张家口金隅有限公司生产的Ⅱ级粉煤灰,各项指标满足《用于水泥和混凝土中粉煤灰》(GB/T1596-2005)的技术要求。

3、矿粉,张家口金隅有限公司生产的 S95 级矿粉,质量满足《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》(GB/T18046-2008)的技术要求。

4、外加剂,北京金隅科技有限公司生产的聚羧酸类高性能减水剂JY-PS-1,具体指标如下表5。

表5 外加剂的性能指标

3.2 石粉对外加剂的适应性

该废弃石屑砂中含有一定量的石粉,为观察该石粉对外加剂的适应性,本试验采用过0.080mm筛筛选其中石粉(筛下物),选用石粉掺量为0%和20%两种情况,外加剂掺量从1.3%增加到1.7%进行对比试验。水泥净浆配合比见下表6。

表6 水泥净浆试验配合比

水泥净浆流动度试验,随着外加剂一定比例的增加,水泥净浆流动度会随着增大,当外加剂掺量达到使净浆流动度最大,再增加外加剂掺量,水泥净浆流动度不再显著增大,此时,外加剂掺量即是外加剂的饱和掺量。试验表明：当石粉掺量为0%和20%时,外加剂的饱和掺量均为1.6%,即水泥中掺入该石粉,对外加剂的饱和掺量并无影响,且石粉掺量为20%的水泥净浆流动度在外加剂各掺量下均大于石粉掺量为0%时的净浆流动度,说明掺入石粉后,水泥和外加剂的适应性不仅没有降低,反而有所提高。

3.3 废弃石屑砂掺量对砂率的影响

砂率是控制混凝土拌合物工作性的重要参数。砂率大小直接影响骨料的总比表面积及空隙率,进而影响拌合物的和易性。在混凝土中粗骨料石子的空隙靠砂子来填充,砂子的空隙又要靠胶凝材料和水组成的浆体来填充。砂子和胶凝材料浆体组成的砂浆包裹在骨料表面起到润滑作用,砂浆填充粗骨料的空隙并有一定的富余才能使混凝土具有良好的工作性和易振捣密实性。砂率不宜过大,也不宜过小,单独使用石屑砂配制混凝土,粗颗粒较多,细颗粒不足,易造成离析、泌水、流浆等现象。

废弃石屑砂与河砂混合使用可以解决石屑砂细颗粒不足的弊端,另外石粉砂中小于0.080mm的石粉颗粒,也可以使混凝土粉体材料增加,改变总浆体量,浆体稠度及水粉比(用水量与细粉量的比值)。为研究石粉砂混合比例的变化对混凝土砂率的影响,石粉砂掺量分别为0%,20%,40%进行试验,考虑到石粉砂掺量的增加改变了原有粉体的数量及浆体的稠度,适当提高外加剂的掺量,保证混凝土拌合物具有良好的工作性。试验结果如下表7：

表7 废弃石屑砂掺量对砂率的影响

在用水量和胶凝材料相同的情况下,随着废弃石屑砂掺量的增加(废弃石屑砂掺量小于40%),通过砂率的调整均可获得满意的工作性,当废弃石屑砂掺量为0%,混凝土砂率为44%时,工作性较好,当石粉砂掺量为20%,混凝土砂率为42%时,工作性较好,当废弃石屑砂掺量为40%, 混凝土砂率为40%时,工作性较好。随着废弃石屑砂掺量的增加,混凝土砂率随着降低。从外加剂的用量来看,随着废弃石屑砂用量的增加,外加剂掺量相应增加才能获得良好的工作性。

3.4 废弃石屑砂掺量对混凝土抗压强度的影响

废弃石屑与天然砂的混合使用,增加了混凝土配合比设计调整的空间,通过不同的混合比例,优化混合砂的颗粒级配,降低空隙率,提高混凝土整体性能。对石屑砂掺量为 0%、20%、40%,进行混凝土抗压强度试验。试验配合比见下表8。

表8 试验配合比

试验结果见下表9。

表9 废弃石屑砂掺量对混凝土工作性及抗压强度的影响

图1 石屑砂对坍落度的影响

图2 石屑砂对28d抗压强度的影响

从以上可以看出,在C20等级混凝土中掺入40%以内的石屑砂,坍落度随着石屑砂掺量的增加而随着增大,当掺量为40%时达到最大。在C30/C40等级混凝土掺入20%的石屑砂,坍落度达到最大,当石屑砂掺量进一步增加时,坍落度略有降低。在C50混凝土中掺入石屑砂,工作性随着降低。

在强度等级低于C40的混凝土中,适当掺加废弃石屑砂能够改善混凝土的和易性,提高混凝土的保水性、抗离析性,增加粘聚性。随着石屑砂掺量的增加,混凝土的粘聚性增加,坍落度先增大后减小,混凝土浆体在一定范围内可以有效填充到骨料的空隙,润滑骨料颗粒,减小表面摩擦力。当浆体粉体量增大超过一定范围时,造成浆体稠度过大,流动性变差。

各龄期强度发展规律来看,不同强度等级的混凝土,废弃石屑砂掺入比例不同,只要混凝土工作性良好,各龄期强度虽然有差异,但波动幅度不大。

3.5废弃石屑砂对混凝土抗渗性能的影响

以C30混凝土为例,配合比中废弃石屑砂掺量分别为0%和20%,配合比参见表8。试验参照GB/50082-2009(普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准)采用逐级加压法进行抗水渗透试验。

表10 抗渗试验结果

试验结果表明两者均可达到P10抗渗等级。这一结果表明,适量掺加废弃石屑砂,经充分的湿养护,不会降低混凝土的密实性,能够获得满意的抗渗性。

4 实际工程应用

公司自2016年已将此废弃石屑砂应用于混凝土生产,在一些项目应用此石屑砂配制的混凝土,出机坍落度220-240mm,扩展度550-650mm,经搅拌运输车运输到施工现场,坍落度保留值为210-230mm,工作性能优良,和易性良好,混凝土泵送正常,不离析,不泌水,拆模后构件表面光滑无蜂窝麻面等影响结构质量的缺陷,试件强度评定合格,符合设计强度等级,在同一项目与同期全部用河砂生产的混凝土相比,硬化后混凝土的碳化值无差异,结构回弹合格。且成本有较大优势,石屑砂与普通河砂的市场差价为30多元/吨,以每方混凝土加入石屑砂200kg计算,可节约成本6元/方,若搅拌站年产20万方此类混凝土计,可年增加效益120万元。