C55 石屑混凝土配合比設計的探討

陳祥榮，秦勤，陽岸波

（1.桂林信強混凝土有限公司，廣西 桂林 541004；2.桂林銳龍混凝土有限公司，廣西 桂林 530000）

0 前言

混凝土是現代土木工程用量最大的建筑材料，其中砂是混凝土的重要組成部分。目前我國處于工程建設的高峰期，建筑用砂需求十分巨大。由于連年超量開采，使得天然河砂資源日漸枯竭而且天然河砂的質量也越來越差。采用機制砂代替天然砂配制混凝土是擺在我們面前的一項重要任務。桂林地區擁有非常豐富的石灰石巖資源。石屑是生產碎石過程中篩出的副產品，每加工100t 的碎石，就會產生20～30t 的石屑，它作為石場的廢棄物，既占用場地又污染環境，目前多用于道路填方。若將石屑用于混凝土中取代河砂、機制砂將會產生較高的經濟和社會價值。而對于石屑代砂制備混凝土，我國已有較多研究，但在高強混凝土中的應用還很少，一個很重要的原因是對石屑性能的系統性研究不足, 對石屑的質量以及其對混凝土性能影響的規律掌握不足。因此合理使用機制砂配制高強度等級混凝土具有重要的技術和經濟意義。本文主要闡述石屑在C55 混凝土配合比設計中的研究以期能推進石屑在混凝土中的應用。

1 原材料

1.1 水泥

廣西興安海螺水泥有限責任公司生產的P·O42.5，其物理性能指標如表1。

表1 水泥物理性能指標

1.2 粒化高爐礦渣粉

廣西柳州臺泥S95 級礦粉，性能指標見表2。

表2 S95 礦粉物理性能指標

1.3 粉煤灰

廣西桂林國電永福發電有限公司生產的II 級粉煤灰。性能指標見表3。

表3 II 級粉煤灰無力性能指標 %

1.4 減水劑

天津同祥科技發展有限公司生產的TX-B 泵送劑，其物理性能見表4。

表4 TX-B 泵送劑性能指標

1.5 機制砂

河卵石機械破碎篩洗生產的II 類機制砂，針片狀顆粒稍多，壓碎指標值4.0%，細度模數2.9，表觀密度2630kg/m3，石粉含量4.0%，泥塊含量0.5%，亞甲藍MB 值1.0，空隙率40%，顆粒級配見表5。

表5 機制砂與石屑顆粒級配 %

1.6 石屑

由5～10mm 石機械破碎加工而成，顆粒形狀基本成球形，針片狀顆粒極少，壓碎指標值4.0%，細度模數3.4，表觀密度2740kg/m3，石粉含量7.4%，泥塊含量0.6%，亞甲藍MB 值0.9，空隙率40%，屑顆粒級配見表5。

1.7 石子

石灰石質巖，5～25mm 碎石，表觀密度2735 kg/m3，含泥量0.4%，泥塊含量0.3%，針片狀顆粒含量3%，壓碎指標值10%。

2 試驗方法及混凝土配合比設計指標

根據JGJ55-2011《普通混凝土配合比設計規范》進行機制砂原始配方設計，參考朱效榮等《現代多組分混凝土理論》在原始配合比的基礎逐漸摻礦粉替代部分水泥，確定礦粉的最佳摻量，然后石屑逐步增加，石屑取代機制砂的比例，甚至全部使用石屑配制C55 混凝土，通過對比石屑摻量與28 天抗壓強度的關系，最后確認石屑在C55 混凝土中應用的可行性。C55混凝土設計要求坍落度大于220mm,擴展度大于600mm，倒坍落度筒流出時間小于15 秒且1 小時坍落度損失小于10%。

3 試驗數據

3.1 機制砂C55混凝土配合比的確認

由于高強混凝土膠凝材料比較富足，粘性偏大，為了能達到良好的工作性，必須保證大流動性，抗離析性和良好的保水性，同時機制砂粒形多呈三角體或方矩體(有些片狀顆粒較多)，表面粗糙顆粒尖銳有棱角，影響混凝土的流動性，所以在設計的同時要經過試拌確定好減水劑的最佳摻量。機制砂的雙摻配合比及拌合物性能見表6。

根據表6 我們看出，在保證其他材料用量不變的情況下，礦粉摻量（取代水泥的量）為15%和30%時，無論7d 還是28d 混凝土強度都比沒摻礦粉的混凝土（試驗編號1）強度高，但當礦粉摻量提高到50%，混凝土的強度降低。礦粉在一定范圍內取代水泥，混凝土強度增大可能是由于：礦粉取代水泥，在礦渣微粉吸收水泥水化時形成的 Ca(OH)2，并進一步水化生產更多有利的 C-S-H 凝膠，使界面區的Ca(OH)2晶粒變小，改善了混凝土的微觀結構，使水泥漿體的空隙率明顯下降，強化了集料界面粘結力。摻入15%和30%礦粉的混凝土，其粘性比不摻礦粉的低、坍落度和擴展度大、倒坍落度筒流出時間短，當達到50%摻量的時候，混凝土拌合物出現輕微泌水板結，這些現象和數據說明，在一定范圍內，礦粉的摻入能夠改善混凝土的施工性能，1 小時的坍落度損失也滿足我們初定要求。本實驗最終確定試驗編號3（礦粉摻量為30%的配方）為最佳配比。

表6 機制砂C55 混凝土配合比及拌合物性能

表7 石屑C55 混凝土配合比及拌合物性能

3.2 石屑C55混凝土配合比的確認

在原機制砂C55 混凝土最佳礦粉摻量配合比的基礎上，本試驗分別以石屑分別取代機制砂30%、50%、75%、100%做混凝土試驗，得出混凝土相關性能數據如表7。

從表7 可以看出，用石屑取代機制砂，混凝土的坍落度和擴展度變化不大；倒坍落度流出時間比全機制砂的C55 混凝土要低一些，且倒坍落度流出時間變化不大，均能保持在12 秒上下；1 小時坍落度損失小于10%，都滿足試驗前對C55 混凝土設計的要求。使用石屑的混凝土7d 和28d 的抗壓強度都比全部使用機制砂配制的混凝土強度要高些，當石屑全部取代機制砂時混凝土抗壓強度最大。原因可能是：（1）石屑代替機制砂作為細骨料，由于石屑質地堅硬、表面粗糙、有棱角、且針片狀少，與水泥的粘結性能好，石屑的顆粒級配好于砂，表觀密度也大于砂，使摻入石屑的混凝土強度高于普通混凝土；（2）石粉中含有大量的 SiO2、CaO、Al2O3等化學成分，在水泥水化過程中，易形成堅硬的鋁硅酸鈣和碳酸氫鈣，從而進一步提高混凝土的強度；（3）由于石屑所含石粉較多，石粉改善了骨料的顆粒級配，石粉的填充效應使得水泥石變得密實，減少了空隙率從而提高了強度。單純考慮抗壓強度數據方面，試驗編號8（石屑取代機制砂100%）是最佳配合比。

4 總結

（1）本實驗得出的礦粉的適宜摻量在30%～45%之間，可根據不同的技術、經濟要求進行選擇。礦粉的摻入大大改善了C55 混凝土的粘性，改善了混凝土的流動性，因為水泥、礦粉、粉煤灰三種顆粒直徑大小不一。從膠凝材料顆粒級配來說，正因為三種材料顆粒粒徑不同，更有利于增加混凝土的密實度，有利于強度的增加。一定程度來說，也起到減少用水量的作用。在用水量不變的情況下，流動性自然會改善不少，粘性也會降低。

（2）由于石屑的顆粒形狀為球狀，相對于機制砂比較圓滑，所以其流動性要優于機制砂，倒坍落度流出時間小。石粉中含有大量的 SiO2、CaO、 Al2O3等化學成分，在水泥水化過程中，易形成堅硬的鋁硅酸鈣和碳酸氫鈣，從而進一步提高混凝土的強度；同時由于石屑所含石粉較多，石粉改善了骨料的顆粒級配，石粉的填充效應使得水泥石變得密實，減少了空隙率，提高了強度。

（3）通過試驗研究可知，石屑配制C55 混凝土滿足強度和各項工作性能要求，且優于機制砂配制的C55 混凝土的性能。無論從環保還是經濟方面考慮，都值得繼續研究和推廣應用。

（4）滿足JGJ/T241-2011《人工砂混凝土應用技術規程》中細集料要求的石屑均可以配制C55 混凝土，有條件的情況下，盡量選擇石粉含量低的石屑或者再加工為低石粉含量的人工砂。部分學者指出，由于石粉的存在石屑混凝土在相同條件下比普通混凝土的收縮大，更容易產生早期裂縫，因此施工過程中應對石屑混凝土加強早期養護。

[1]許廣森，王遠，楊根民，等.混凝土復摻粉煤灰礦渣粉與石屑混凝土試驗研究[J].廣東建材，2011（4）：9-11.

[2]朱效榮，李遷，孫輝.現代多組分混凝土理論[M].沈陽：遼寧出版社.2007

[3]華衛兵.石屑混凝土耐久性研究[J].現代交通技術，2005（5）：4-6.

[4]鄭麗丹.石屑代砂在混凝土工程中的應用[J].路基工程，2005（4）：46-48.

[5]戚勇軍，蔡建.石屑在預拌混凝土中的應用研究[J].商品混凝土.2011（6）：47-50.

[6]JGJ/T241-2011.人工砂混凝土應用技術規程[S].

[7]JGJ55-2011.普通混凝土配合比設計規程[S].