石屑在混凝土中的应用研究

2020-11-30石鑫唐永鹏姚宇飞黄臣

商品混凝土 2020年10期

石鑫，唐永鹏，姚宇飞，黄臣

（武汉源锦商品混凝土有限公司，湖北武汉 430000）

0 前言

随着现代化建设的步伐不断加快，混凝土用量不断攀升。天然砂是预拌混凝土的一种主要材料，而天然砂是一种短期不可再生的资源，许多地方因环境保护采取了禁采或限采的措施。尤其在武汉周边，预拌混凝土每年的使用量较大，在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。与此同时，采石场中石屑却堆积如山。石屑是生产碎石过程中产生的，采石场通过筛分机将其中较大颗粒筛出作为建筑用碎石出售，破碎过程中产生的小颗粒及石粉，由于技术水平、经济成本等因素的制约，石屑通常无法得到充分的利用，往往都随意进行堆放，不仅占用大量土地资源，又污染环境[1]。

在当前天然砂奇缺价高的背景下，大多数搅拌站在以“杂烩砂”的形式进行混凝土生产，而“杂烩砂”的组成相当混乱，通常由各种形态的砂状物所组成[2]。石屑是碎石加工过程中的副产品，化学成分与母岩一致。其粒径一般小于 5mm。由于制备工艺不同使得石屑的各项物理性能指标变化范围较大，细度模数在 1.7～4.6之间，表观密度在 2.64～2.84g/cm3之间，堆积密度在1.38～1.59g/cm3之间，孔隙率在 42%～48% 之间。由此可知，石屑的物理性能与机制砂相似，是比较适宜的代砂材料[3]。此外，石屑中的大量细粉，使拌和物总浆体量增加，保水性和粘聚性增强，可改善混凝土的和易性[4]。

石屑具有质地坚硬、表面粗糙、多孔多棱角、粘结性能良好等特性。天然砂中的泥对混凝土是有害的[5]，必须严格控制其含量，石屑中含有大量细粉，石屑中的石粉对混凝土是有益的。石屑由于是机械破碎制成，其颗粒尖锐有棱角，这对骨料和水泥之间的粘结是有利的，但对混凝土的和易性是不利的，特别是配制低强度等级的混凝土和易性很差，而有适量石粉的存在，则可以弥补这一缺陷[6]。石粉中 0.04～0.075mm 的微粒部分对改善混凝土的细骨料级配，提高混凝土的密实性都有帮助，可起到提高混凝土综合性能的作用[7]。

本文研究石屑替代混凝土中的细骨料的可行性和石屑亚甲蓝测定值指标对强度的影响，找到最适宜的掺用比例。

1 试验原材料与试验方法

1.1 试验原材料

（1）水泥：海螺 P·O42.5。

（2）矿粉：武新 S95 级矿粉。

（3）粉煤灰：青山电厂 Ⅱ 级粉煤灰。

（4）减水剂：源锦聚羧酸系高性能减水剂，含固量 14%，减水率 28%。

（5）粗骨料：湖北阳新碎石，级配 5～25mm。

（6）细骨料：机制砂，产地为湖北宜昌；石屑，收集我公司各站使用的各种石屑。各项性能指标见表1，筛分结果见表2。

表1 细骨料主要性能指标

表2 细骨料颗粒级配

1.2 试验方案及方法

试验方案：选取搅拌站日常生产配合比和原材料，采用强度等级为 C40 的配合比进行试配，原材料性能指标如上所示。根据石屑和机制砂的细度和颗粒级配情况进行掺配使用，研究其使用时最适宜选用的砂率，及对减水剂的吸附情况、工作性能和强度的影响。

试验方法：混凝土试件尺寸为 100mm×100mm×100mm，按照 GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》相关规定进行养护和试验。试件采取标准养护，测试 7d 和 28d 龄期抗压强度。

2 试验及结果

2.1 试验配合比

采用实际生产所使用的 C40 配合比进行试验，由于机制砂和石屑中 4.75mm 以上颗粒的含量较多，因此试验时砂率取 53%，提高砂率以保证混凝土的粘聚性、包裹性。此次试验配合比见表3。

2.2 砂率对混凝土工作性的影响

砂率作为控制混凝土拌合物工作性能的重要影响因素，砂率的取值大小直接影响骨料的总比表面积及空隙率，从而影响拌合物的和易性。混凝土粗骨料石子的空隙靠砂子来填充，砂子间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润滑作用，砂浆填充粗骨料的空隙要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，由表2 可知，纯机制砂粗颗粒较多、细颗粒不足，易使混凝土产生离析、泌水等现象，故应根据细骨料情况掺用部分石屑以补充部分细颗粒。

石屑与较粗机制砂混合使用能解决机制砂细颗粒不足的问题，另外石屑中小于 0.075mm 的石粉颗粒，可以与水泥熟料生成水化碳铝酸钙，从而使得混凝土的孔隙率减少，孔隙结构得到改善。提高总浆体量，浆体稠度及水灰比，对强度提高具有一定作用。

在用水量和胶材总量一定的前提下，进行了不同砂率的可行性对比试验，在砂率小于 53% 时，混凝土和易性很差，无法进行泵送，故砂率应不宜小于 53%。

2.3 石屑亚甲蓝值高低对强度的影响

石屑是生产碎石和机制砂所产生的废料，含有较多小于 0.075mm 的细颗粒，运用常规的机制砂的含泥量和亚甲蓝值检测方法，所测得数值均高于 GB/T 14684—2011《建设用砂》要求的数倍。但小于0.075mm 的细颗粒中含有较多的石粉，适量石粉对于混凝土具有一定的益处，能够改善混凝土的和易性，提高密实度，从而适量提高强度。

此次试验目的是对于超过标准范围指标值的石屑可行性研究，通过对各种石屑的相关值检测和对比试验，试验结果见表4。

表3 混凝土试验配合比 kg/m3

表4 不同石屑混凝土的抗压强度

由表2 和表4 可以看出，不同品种的石屑的含泥量、细度模数、亚甲蓝值都相差较大。从表4 可以看出，石屑混凝土强度并没有随含泥量的递增而递减，而是随亚甲蓝测定值的增大而逐渐降低，充分证明了我们之前的猜想，小于 0.075mm 的细颗粒中含有较多的石粉而不是泥，石粉具有一定的活性，适量的石粉对于强度有益。由试配结果可以看出，石屑在亚甲蓝测定值小于 6.0 时，所生产的混凝土力学性能优良，满足设计要求，对减水剂吸附能力较低，90min 钟的坍落度损失也较小，有利于主材成本的控制。

3 工程应用分析

自 2019 年年初我公司已将石屑应用于混凝土生产，出机坍落度 220～230mm，扩展度为 570～650mm，工地现场实测坍落度为 200～210mm，和易性良好，工作性能优良，混凝土泵送正常，拆模后表面无蜂窝麻面等外观缺陷，试件强度评定合格，结构现场回弹合格，符合设计强度等级，并且成本具有一定优势。如今武汉天然砂供应紧张，石屑与天然砂的市场差价为40 多元/吨，单方可以节约成本 10 元，以我司年产 120万方石屑混凝土计，每年可节省 1200 万元。