一種廢棄石屑在預拌混凝土中的應用研究

趙 江，張全貴

(北京金隅混凝土有限公司,北京 100165)

前言

隨著現代化建設的步伐不斷加快,預拌混凝土越來越多的被應用到各個建筑領域。預拌混凝土的一種主要材料是天然砂,而天然砂是一種短期不可再生的地方資源,許多地方因環境保護采取了禁采或限采的措施,尤其在北京,預拌混凝土每年的使用量較大,環保力度逐年加大的情況下,混凝土用砂的矛盾日益突出,天然砂的質量下降, 砂的價格持續走高,在混凝土用量高峰期,甚至無砂可用,影響了工程建設的發展。因此,順應政府要求和行業需求,急需在本地區尋找一種可以替代或部分替代天然砂的材料,不僅可以節約生產成本,還能就地取材,保護當地環境資源。

在考察北京當地某一家石礦,該礦為石灰石巖,生產碎石時產生堆積了大量廢棄的石屑顆粒和石粉(下文姑且稱之為石屑砂),一般石屑和石粉僅在夯實基礎墊層時用一部分,在混凝土中應用很少,通過對該石礦的石屑石粉(尾礦)進行混凝土試驗,探討其在預拌混凝土的應用的可行性,有效的加以利用,實現“變廢為寶”。

1 廢棄石屑的物理性能測試

取樣對其進行篩分,篩分結果如表1。

表1 廢棄石屑篩分結果

計算其細度模數為3.4,屬Ⅰ區粗砂,石粉含量6.0%。亞甲藍值：0.8-1.1,說明其中黏土含量小。表觀密度2720kg/m3,堆積密度1580kg/m3,空隙率42%。堿集料反應14d膨脹率判定為無潛在堿— 硅酸反應危害,單級最大壓碎指標：18%。

上述結果表明,該廢棄石屑砂的顆粒級配不良,2.5mm以上顆粒累計篩余超過 40%,0.315mm以下顆粒低于20%,顆粒分布表現為“兩頭多,中間少”,且顆粒表面粗糙,棱角尖銳。若在預拌混凝土中單獨作為細集料使用,往往易導致新拌混凝土保水性差,易離析泌水,使用效果較差,解決的思路是和其他砂搭配使用,使混合砂顆粒總體粒形、空隙率、比表面積得到改善,才能在混凝土中取得良好效果。

2 廢棄石屑與天然砂搭配的混合砂

當地可用天然河砂的顆粒級配如表2。

表2 河沙篩分結果

廢棄石屑砂與此天然砂按1∶9、2∶8、3∶7、4∶6、5∶5比例搭配進行篩分,結果見表3。

表3 石屑與天然砂不同搭配比例篩分結果

從上述篩分結果來看,當廢棄石屑砂混合比例不超過40%的情況下,混合砂級配基本符合Ⅱ區中砂的要求。

3 混凝土試驗

針對該廢棄石屑砂及天然砂的特點,將廢棄石屑砂與天然砂混合配制成滿足混凝土生產要求的Ⅱ區中砂,使用這種混合砂配制混凝土,技術關鍵是混合砂的混合比例如何確定。其混合比例可按照混凝土工作性、力學性能、混合砂細度模數等技術指標優選出最佳的混合比例,該比例的混合砂應滿足混凝土對普通砂的各項技術要求。試驗時,外加劑摻量適當調整,保證達到要求的工作性,探討石屑混合砂的應用技術規律。

3.1 原材料

1、水泥,北京水泥廠生產的P.O42.5,具體指標如下表4。

表4 水泥的物理性能指標

2、粉煤灰,張家口金隅有限公司生產的Ⅱ級粉煤灰,各項指標滿足《用于水泥和混凝土中粉煤灰》(GB/T1596-2005)的技術要求。

3、礦粉,張家口金隅有限公司生產的 S95 級礦粉,質量滿足《用于水泥和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》(GB/T18046-2008)的技術要求。

4、外加劑,北京金隅科技有限公司生產的聚羧酸類高性能減水劑JY-PS-1,具體指標如下表5。

表5 外加劑的性能指標

3.2 石粉對外加劑的適應性

該廢棄石屑砂中含有一定量的石粉,為觀察該石粉對外加劑的適應性,本試驗采用過0.080mm篩篩選其中石粉(篩下物),選用石粉摻量為0%和20%兩種情況,外加劑摻量從1.3%增加到1.7%進行對比試驗。水泥凈漿配合比見下表6。

表6 水泥凈漿試驗配合比

水泥凈漿流動度試驗,隨著外加劑一定比例的增加,水泥凈漿流動度會隨著增大,當外加劑摻量達到使凈漿流動度最大,再增加外加劑摻量,水泥凈漿流動度不再顯著增大,此時,外加劑摻量即是外加劑的飽和摻量。試驗表明：當石粉摻量為0%和20%時,外加劑的飽和摻量均為1.6%,即水泥中摻入該石粉,對外加劑的飽和摻量并無影響,且石粉摻量為20%的水泥凈漿流動度在外加劑各摻量下均大于石粉摻量為0%時的凈漿流動度,說明摻入石粉后,水泥和外加劑的適應性不僅沒有降低,反而有所提高。

3.3 廢棄石屑砂摻量對砂率的影響

砂率是控制混凝土拌合物工作性的重要參數。砂率大小直接影響骨料的總比表面積及空隙率,進而影響拌合物的和易性。在混凝土中粗骨料石子的空隙靠砂子來填充,砂子的空隙又要靠膠凝材料和水組成的漿體來填充。砂子和膠凝材料漿體組成的砂漿包裹在骨料表面起到潤滑作用,砂漿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搗密實性。砂率不宜過大,也不宜過小,單獨使用石屑砂配制混凝土,粗顆粒較多,細顆粒不足,易造成離析、泌水、流漿等現象。

廢棄石屑砂與河砂混合使用可以解決石屑砂細顆粒不足的弊端,另外石粉砂中小于0.080mm的石粉顆粒,也可以使混凝土粉體材料增加,改變總漿體量,漿體稠度及水粉比(用水量與細粉量的比值)。為研究石粉砂混合比例的變化對混凝土砂率的影響,石粉砂摻量分別為0%,20%,40%進行試驗,考慮到石粉砂摻量的增加改變了原有粉體的數量及漿體的稠度,適當提高外加劑的摻量,保證混凝土拌合物具有良好的工作性。試驗結果如下表7：

表7 廢棄石屑砂摻量對砂率的影響

在用水量和膠凝材料相同的情況下,隨著廢棄石屑砂摻量的增加(廢棄石屑砂摻量小于40%),通過砂率的調整均可獲得滿意的工作性,當廢棄石屑砂摻量為0%,混凝土砂率為44%時,工作性較好,當石粉砂摻量為20%,混凝土砂率為42%時,工作性較好,當廢棄石屑砂摻量為40%, 混凝土砂率為40%時,工作性較好。隨著廢棄石屑砂摻量的增加,混凝土砂率隨著降低。從外加劑的用量來看,隨著廢棄石屑砂用量的增加,外加劑摻量相應增加才能獲得良好的工作性。

3.4 廢棄石屑砂摻量對混凝土抗壓強度的影響

廢棄石屑與天然砂的混合使用,增加了混凝土配合比設計調整的空間,通過不同的混合比例,優化混合砂的顆粒級配,降低空隙率,提高混凝土整體性能。對石屑砂摻量為 0%、20%、40%,進行混凝土抗壓強度試驗。試驗配合比見下表8。

表8 試驗配合比

試驗結果見下表9。

表9 廢棄石屑砂摻量對混凝土工作性及抗壓強度的影響

圖1 石屑砂對坍落度的影響

圖2 石屑砂對28d抗壓強度的影響

從以上可以看出,在C20等級混凝土中摻入40%以內的石屑砂,坍落度隨著石屑砂摻量的增加而隨著增大,當摻量為40%時達到最大。在C30/C40等級混凝土摻入20%的石屑砂,坍落度達到最大,當石屑砂摻量進一步增加時,坍落度略有降低。在C50混凝土中摻入石屑砂,工作性隨著降低。

在強度等級低于C40的混凝土中,適當摻加廢棄石屑砂能夠改善混凝土的和易性,提高混凝土的保水性、抗離析性,增加粘聚性。隨著石屑砂摻量的增加,混凝土的粘聚性增加,坍落度先增大后減小,混凝土漿體在一定范圍內可以有效填充到骨料的空隙,潤滑骨料顆粒,減小表面摩擦力。當漿體粉體量增大超過一定范圍時,造成漿體稠度過大,流動性變差。

各齡期強度發展規律來看,不同強度等級的混凝土,廢棄石屑砂摻入比例不同,只要混凝土工作性良好,各齡期強度雖然有差異,但波動幅度不大。

3.5廢棄石屑砂對混凝土抗滲性能的影響

以C30混凝土為例,配合比中廢棄石屑砂摻量分別為0%和20%,配合比參見表8。試驗參照GB/50082-2009(普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準)采用逐級加壓法進行抗水滲透試驗。

表10 抗滲試驗結果

試驗結果表明兩者均可達到P10抗滲等級。這一結果表明,適量摻加廢棄石屑砂,經充分的濕養護,不會降低混凝土的密實性,能夠獲得滿意的抗滲性。

4 實際工程應用

公司自2016年已將此廢棄石屑砂應用于混凝土生產,在一些項目應用此石屑砂配制的混凝土,出機坍落度220-240mm,擴展度550-650mm,經攪拌運輸車運輸到施工現場,坍落度保留值為210-230mm,工作性能優良,和易性良好,混凝土泵送正常,不離析,不泌水,拆模后構件表面光滑無蜂窩麻面等影響結構質量的缺陷,試件強度評定合格,符合設計強度等級,在同一項目與同期全部用河砂生產的混凝土相比,硬化后混凝土的碳化值無差異,結構回彈合格。且成本有較大優勢,石屑砂與普通河砂的市場差價為30多元/噸,以每方混凝土加入石屑砂200kg計算,可節約成本6元/方,若攪拌站年產20萬方此類混凝土計,可年增加效益120萬元。

5 結論

(1)適量摻入該廢棄石屑砂,可以對預拌混凝土的性能有所改善或影響不大,可以在預拌混凝土中應用。

(2)廢棄石屑砂的摻量隨著其細度模數及石粉含量不同確定,通常情況下, 在中低等級混凝土中摻入20%-40%的石屑砂,混凝土性能達到最佳。

(3)應用此廢棄石屑砂時,可將其中的石粉量視為粉體材料,所用外加劑量適當增加。

(4)使用部分廢棄石屑砂替代天然河砂,外加劑費用略有增加(約0.5元/方),可以節約天然砂資源,還可保護環境,材料成本亦可大幅下降。

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