石場尾料人工砂配制大塌落度混凝土試驗研究

文/王瑋、張正剛、葛二兵 江蘇建筑職業(yè)技術學院 江蘇徐州 221008

石場尾料人工砂配制大塌落度混凝土試驗研究

文/王瑋、張正剛、葛二兵 江蘇建筑職業(yè)技術學院 江蘇徐州 221008

為了合理利用碎石加工場生產混凝土用碎石剩余的尾料，通過試驗分析尾料的石粉含量、顆粒級配，并采用篩分和水洗處理方法，將石場尾料生產出符合建筑用砂標準的人工砂；分別采用人工砂和河砂配制了C30和C50兩種強度等級的大塌落度混凝土，對比研究了混凝土的物理性能和力學性能。結果表明：配合比相同時，人工砂混凝土的和易性好；人工砂混凝土的力學性能與天然河砂混凝土相近。

石場尾料人工砂；大塌落度混凝土；試驗研究

目前徐州地區(qū)在加工場通過機械破碎和篩分的方法生產出符合要求的不同粒徑的建筑用碎石，之后含較小粒徑碎石顆粒和石粉的尾料大多用作填料，只有部分石粉被預拌混凝土廠與粉煤灰一起被用作拌合物。

研究成果[1][2][3]表明，與天然河砂、海砂、山砂相比，人工砂在幾何特性、物理化學特性以及使用特點方面具有一定的優(yōu)勢。目前市場尾料價格不到30元/m3，而天然河砂價格超過70 元/m3，尾料沒有得到合理的利用，造成自然資源的大量浪費。

本文針對石場尾料在推廣應用方面存在的一些問題，通過工藝處理控制尾料的石粉含量，制作出顆粒級配及細度模數滿足建筑用砂標準人工砂；然后通過對比試驗方法研究石場尾料人工砂混凝土的工作性能和力學性能，為人工砂配制混凝土提供有力的參數。

1、試驗設計

試驗選用強度等級為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、坍落度相當（180～200mm），高效減水劑摻量變化。

1.1 人工砂預處理

徐州地區(qū)采石場在生產建筑混凝土用碎石過程中，經過篩分產生大量含粒徑小于5mm的碎石顆粒、石粉和少量泥土的混合尾料，人工砂的顆粒級配偏向于中、粗砂。巖石主要成分為石灰?guī)r，尾料人工砂顆粒、石粉與母巖的物理化學性質完全一樣，壓碎指標較好，與碎石物理和力學性能一致。

人工砂主要存在的問題是石粉含量較高。為確保尾料人工砂制備混凝土的性能，必須對尾料進行處理，生產出符合建筑用砂標準的人工砂。考慮經濟性和環(huán)保要求，按《建筑用砂》（GB/ T 14684-2011）沖洗標準經自來水沖洗（設置有石粉沉淀池），使石粉含量不大于10%為止。

1.2 原材料性能

人工砂和天然河砂 與人工砂對比組的普通混凝土選用天然河砂。人工砂的表觀密度2705kg?m-3，松散堆積密度1440kg?m-3，石粉含量6.9%，泥塊含量0，云母含量0，細度模數為3.1，級配區(qū)間為1區(qū)，MB值為1.1，粗砂；天然河砂的表觀密度2635kg?m-3，松散堆積密度1426kg?m-3，泥塊含量0，細度模數為2.4，級配區(qū)間為2區(qū)，中砂。

水泥 使用徐州中聯水泥廠生產的P?O 42.5R普通硅酸鹽水泥，膠砂28d抗壓強度46.6MPa，膠砂28d抗折強度7.4MPa。

碎石 選用粒徑5-20mm的碎石，級配良好，表觀密度2740 kg/m3，壓碎指標9.2%。

水 使用普通自來水。

外加劑 外加劑選用高效減水劑。

1.3 混凝土配合比

考慮目前普遍使用泵送混凝土的要求，設計混凝土的坍落度為190mm，C30混 凝 土 配 合 比：m水泥: m砂:m石:m水:m減=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減=1:1.89:2.835:0.40:0.018。

1.4 試塊制作及分組

分別采用石場尾料人工砂和天然河砂制備C30和C50兩種強度等級混凝土，砂率相同（人工砂及天然河砂）、水灰比相同、坍落度相當，觀測混凝土的和易性及坍落度。 制 作150mm×150mm×150mm、100mm×100mm×300mm 和100mm×100mm×100mmmm試塊分別用于測試3d、7d、14d、28d的混凝土立方體抗壓強度、軸心抗壓強度和劈裂抗拉強度，對比分析人工砂和天然河砂混凝土力學性能。

2、試驗結果及分析

試驗在1000 kN的電液伺服機上進行，測試結果見表1。

表1 加載試驗數據

2.1 混凝土拌合物的物理性能

觀察混凝土拌合物的外觀，并測量其澆筑 前 的 坍 落 度：C30R為201mm，C30T 為198mm，C50R為182mm，C50T為198mm，表明石場尾料人工砂混凝土的坍落度比天然河砂混凝土略低，原因是由于石場尾料人工砂表面粗糙，吸水性較大；人工砂混凝土的和易性和稠度較好，分析原因是尾料人工砂的比表面積較大，與水泥膠體粘結界面較廣，石粉的存在提高了混凝土拌合物的和易性和稠度0。

2.2 混凝土力學性能

根據表1中的試驗數據，建立混凝土的立方體抗壓強度時變規(guī)律曲線，見圖1；混凝土的軸心抗壓強度時變規(guī)律曲線，見圖2；混凝土的劈裂抗拉強度時變規(guī)律曲線，見圖3。

圖1 立方體抗壓強度時變規(guī)律

圖2 軸心抗壓強度時變規(guī)律

圖3 劈裂抗拉強度時變規(guī)律

圖1～3顯示，在28d內的四個測試時間點，各混凝土試塊的標準立方體抗壓強度、軸心抗壓強度和劈裂抗拉強度均隨養(yǎng)護時間增長；尾料人工砂混凝土的立方體抗壓強度與天然河砂混凝土相近，較天然河砂混凝土強度略高。分析原因包括：人工砂中適量石粉可以起到填充作用，有助于降低混凝土的孔隙率；人工砂的質地接近碎石，且比表面積大，與水泥膠體有較強的機械咬合力[4]。

尾料人工砂混凝土的軸心抗壓強度與天然河砂混凝土相近；加載過程中，C50R試塊在接近極限強度時，“嘣”的一聲，出現較嚴重的劈裂脆性破壞。分析原因，人工砂中石粉填充了混凝土的孔隙率，增強了混凝土骨架，并隨著強度等級的提高，增強作用越明顯。

尾料人工砂混凝土的劈裂抗拉強度與天然河砂相近。

結論：

（1）采用篩分和水洗處理方法，通過試驗分析尾料的石粉含量、顆粒級配，可以利用碎石場尾料生產出符合建筑用砂標準的人工砂；

（2）對比分析混凝土拌合物的外觀特征和坍落度檢測結果表明，石場尾料人工砂的外觀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）根據加載試驗結果和加載破壞后的試塊斷面特征分析表明，適量石粉可以起到填充作用，有助于降低混凝土的孔隙率；人工砂的質地接近碎石，且比表面積大，與水泥膠體有較強的機械咬合力，使得人工砂混凝土的立方體抗壓強度、軸心抗壓強度和劈裂抗拉強度較天然河砂混凝土略高。

［1］董瑞.陳曉芳.鐘建鋒.沈衛(wèi)國.石灰?guī)r性機制砂特性研究[J].混凝土，2013，281(3)：84-89.

［2］趙炎龍.人工砂含泥當量和石粉當量測算方法研究及應用.混凝土[J].2013，289(11)：146-149.

［3］劉波.淺談人工砂細度模數對混凝土性能的影響.四川建材[J].2015，41(1)：6-8.

［4］張蔚.人工砂對混凝土長期耐久性能的影響.福建建設科技[J].2012(6)：41，44-46.

王瑋，女，1971-，副教授，碩士，江蘇建筑職業(yè)技術學院。

論文來源：

2014年度江蘇省高等學校大學生實踐創(chuàng)新訓練計劃項目：人工砂混凝土長期力學性能發(fā)展規(guī)律研究（201410849019X）