碎石加工尾料在流动性混凝土中的应用

王 玮,方忠年

1.江苏建筑职业技术学院 建筑建造学院,江苏 徐州221116

2.中国矿业大学 建筑设计咨询研究院有限公司,江苏 徐州221008

随着国家推进落实“创新”、“协调”和“绿色”发展理念，河砂被限制采挖，石场的开采也受到严格管理，建筑用砂受到严重影响。生产混凝土用碎石的母岩一般是石灰岩，在碎石的生产加工过程中余下大量含较小粒径（一般为5 mm以下）颗粒和石粉的尾料，石粉含量高且颗粒级配不均匀，在堆放过程中会造成颗粒、石粉分离[1-3]。因此，碎石加工尾料不能直接用作建筑用砂，造成自然资源的浪费。目前，基于采用不同比例的人工砂代替天然河砂作为混合砂在实际工程中开展了较多的应用研究[4-7]，且研究比较成熟，而完全采用人工砂代替天然河砂配制混凝土的研究仍欠缺，尤其是泵送所需要的流动性混凝土的长期力学性能方面研究成果仍不足，制约了碎石加工尾料的推广应用。

本研究按照建筑用人工砂标准，调整碎石加工尾料的颗粒级配和石粉含量生产人工砂，完全取代天然河砂，配制强度等级为C30和C50的流动性（190±20 mm）混凝土。验证碎石加工尾料人工砂大坍落度混凝土拌合物的工作性能和长期力学性能（立方体抗压强度、轴心抗压强度和劈裂抗拉强度）是否满足相关标准、规范以及工程应用的要求。

1 材料及方法

1.1 原料

水泥采用42.5R 普通硅酸盐水泥，胶砂28 d 抗压强度为46.6 MPa、抗折强度为7.4 MPa；减水剂选用萘系高效减水剂；粗骨料为粒径5～20 mm 的碎石，级配良好，表观密度为2740 kg/m3，压碎指标为9.2%；水为普通自来水；细骨料分别为天然河砂和经过预处理的碎石加工尾料人工砂。

碎石加工尾料来自徐州某建筑混凝土用碎石加工场，母岩的主要成分为石灰岩，颗粒与碎石的物理性能以及力学性能基本一致。但尾料中石粉含量较高并存在少量的泥土，且颗粒级配不均匀并偏向于中粗砂，因此必须对尾料进行处理。采用自来水冲洗至石粉含量不大于10%为止，然后进行筛分处理，使得生产出的尾料人工砂满足GB/T 14684-2011《建筑用砂》关于混凝土用砂的标准。实测细骨料的主要性能参数见表1。

表1 细骨料的主要性能参数Table 1 Performance parameters of fine aggregates

1.2 配合比

考虑泵送混凝土的流动性要求，设计混凝土坍落度为（190±20）mm，按照JGJ 55-2011《普通混凝土配合比设计规程》进行初步配合比设计，经过试配并调整高效减水剂的用量，本试验用C30混凝土的配合比见表2。

表2 混凝土配合比Table 2 Concrete mix proportion

1.3 试验方法

混凝土试件的试验龄期为3、7、14、28、56、90 d和180 d，共计7 个测试阶段。按照GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》，每种混凝土各制作7 组试件，每组试件均包括3 块150 mm×150 mm×150 mm 立方体抗压强度试件、3 块100 mm×100 mm×300 mm 轴心抗压强度试件和3块100 mm×100 mm×100 mm 劈裂抗拉强度试件。

在中国矿业大学建材实验室内完成试件制作，放入标准养护室养护28 d，然后取出并放置于室内大气环境中。养护至相应试验龄期时，取出试件，在电液伺服机YAW-3000 上进行加载试验。

2 试验结果及分析

2.1 混凝土拌合物的物理性能

混凝土拌制完成后，仔细观察拌合物的外观，并按GB/T 50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》测量其制作前的坍落度，C30R、C30T、C50R 和C50T 的坍落度实测值分别为201 mm、198 mm、182 mm 和198 mm。

观察混凝土拌合物外观，受细骨料颜色的影响（尾料人工砂呈青色），碎石加工尾料人工砂混凝土拌合物（C30R、C50R）比天然河砂混凝土（C30T、C50T）外观颜色略深；C30R、C50R 的和易性和稠度较好。C30R 和C30T 的坍落度差别不大，C50R 的坍落度小于C50T，但均能达到设计要求。分析原因，随着水灰比的减小，尾料人工砂的特性反映明显，一方面是尾料人工砂表面粗糙、比表面积较大，与水泥胶体粘结界面较广[2]；另一方面，由于集料表面吸附了一层石粉，石粉的颗粒细，吸水性强，提高了混凝土拌合物的和易性和稠度[7,8]。

表4 力学性能试验结果汇总表Table 4 Summary of mechanical property test results

2.2 力学性能发展规律

对混凝土试件在相应龄期进行加载试验，结果见表4。根据表4中试验数据，分别建立不同试件的力学性能（立方体抗压强度、轴心抗压强度以及劈裂抗拉强度）随龄期的发展规律曲线（图1）。

图1 力学性能发展规律曲线Fig.1 Development curves of mechanical properties

观察试件加载现象和破坏形态发现，同一龄期的C30R、C50R分别与C30T、C50T的加载破坏形态基本相似。轴心抗压强度其破坏形态既有纵向裂缝破坏，也有主斜裂缝破坏，主斜裂缝破坏后的开裂面穿过了水泥石，并有较多粗骨料（碎石）被贯穿劈开；另外，在加载过程中，龄期为28 d以上的C50R轴心抗压强度试件在接近极限强度时，常常会出现较严重的脆性劈裂破坏，并随着龄期的增长愈加明显。分析原因是，由于尾料人工砂中石粉填充了混凝土内部孔隙，增强了混凝土骨架，并随着强度的增长，增强作用越明显[8]。

图1显示，在龄期为180 d内，各混凝土试件的力学性能（立方体抗压强度、轴心抗压强度和劈裂抗拉强度）均随养护龄期的增长而增大；在龄期28 d内，试件C30R和C50R的力学性能分别与C30T、C50T相近；龄期28 d以后，C30R和C50R的强度分别较C30T、C50T强度略高，并随混凝土强度等级的提高，C50R的实测值明显高于C50T。分析原因主要有，尾料人工砂中适量石粉有助于降低混凝土的孔隙率，又由于强度等级越高水灰比越小，石粉对混凝土孔隙的填充作用越明显[9,10]。

2.3 强度指标间换算关系

2.3.1 轴心抗压强度与立方体抗压强度关系 根据GB50010-2010《混凝土结构设计规范》，轴心抗压强度与立方体抗压强度换算关系用线性关系表达为：

式中，fc—混凝土轴心抗压强度，MPa；fcu—混凝土立方体抗压强度，MPa；α2—混凝土脆性折减系数，当混凝土强度等级小于或等于C30 时，取值为1.0；对于C40 以下混凝土fc/fcu取0.76，对C40以上混凝土考虑脆性折减系数α2（对高强混凝土C80 取0.87，中间按线性插入）。

由表4 中的数据，建立混凝土轴心抗压强度—立方体抗压强度的关系曲线，见图2。

图2 轴心抗压强度—立方体抗压强度关系曲线Fig.2 Relation curve between axial compressive strength and cube compressive strength

图2 显示，C30R、C30T、C50R 以及C50T 试件的轴心抗压强度与立方体抗压强度均符合线性关系，并得到fc/fcu值分别为0.77、0.80、0.89 和0.85。其中，C30R 和C30T 的fc/fcu值相近，较式（1）给出的比值0.76 分别提高1.4%和5.3%，符合性较好且偏于安全。C50R 和C50T 的fc/fcu值较C30R、C30T 大很多，说明C50R 和C50T 的脆性较大；结合加载过程中出现的脆性崩裂现象，C50R 混凝土比C50T 混凝土的刚度大，分析原因是石粉的存在增加了混凝土的密实性，但受砂石骨料压碎指标的限制，混凝土的刚度虽然提高但强度增大有限。因此，用式（1）表达C50R 的轴心抗压强度与立方体抗压强度关系时，同C50T 一样需要考虑脆性折减系数α2，C50R 和C50T 的fc/fcu实测值比式（1）计算值0.74 分别高出20.0%和14.9%。

因此，用式（1）描述尾料人工砂混凝土的轴心抗压强度与立方体抗压强度关系偏于安全。

2.3.2 劈裂抗拉强度与立方体抗压强度关系 据GB50010-2002《混凝土结构设计规范》，普通混凝土的劈裂抗拉强度与立方体抗压强度换算关系为：

式中，fsp—混凝土劈裂抗拉强度，MPa。

考虑早期混凝土未完全硬化，弹塑性变形较大，不能将试件简化为弹性体，因此将表4 中的龄期为28 d 以后的试验结果与式（2）的计算结果进行对比，见图3。

图3 劈裂抗拉强度—立方体抗压强度关系曲线Fig.3 Relation curve between splitting tensile strength and cube compressive strength

图3 显示，无论是尾料人工砂混凝土还是天然河砂混凝土，除龄期为28 d 时的劈裂抗拉强度值略低于计算值外，随着龄期的增长，实测值也逐渐增大，采用式（2）描述尾料人工砂混凝土（C30R、C50R）的劈裂抗拉强度与立方体抗压强度换算关系越偏向安全。

3 结论

（1）分析混凝土拌合物物理性能表明，尾料人工砂几何尺寸的粗糙和石粉的吸水性而稍微降低了混凝土拌合物的坍落度，随着混凝土强度等级的提高影响越显著，适量石粉能够提高混凝土拌合物的和易性和稠度；

（2）根据加载试验结果，在龄期为180 d 内的尾料人工砂流动性混凝土的力学性能（立方体抗压强度、轴心抗压强度和劈裂抗拉强度）发展规律与天然河砂混凝土基本一致；在龄期28 d 内，尾料人工砂流动性混凝土的力学性能分别与天然河砂混凝土相近，后期的力学性能分别较天然河砂混凝土略高，并随混凝土强度等级的提高，提高更明显；

（3）基于试验结果，分别建立和讨论了尾料人工砂流动性的混凝土轴心抗压强度、劈裂抗拉强度与立方体抗压强度的换算关系模型，并与河砂混凝土的试验模型对比，安全性满足相关规范要求。