一種廢棄石屑在預(yù)拌混凝土中的應(yīng)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(xiàn)代化建設(shè)的步伐不斷加快,預(yù)拌混凝土越來越多的被應(yīng)用到各個(gè)建筑領(lǐng)域。預(yù)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(huán)境保護(hù)采取了禁采或限采的措施,尤其在北京,預(yù)拌混凝土每年的使用量較大,環(huán)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(zhì)量下降, 砂的價(jià)格持續(xù)走高,在混凝土用量高峰期,甚至無砂可用,影響了工程建設(shè)的發(fā)展。因此,順應(yīng)政府要求和行業(yè)需求,急需在本地區(qū)尋找一種可以替代或部分替代天然砂的材料,不僅可以節(jié)約生產(chǎn)成本,還能就地取材,保護(hù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境資源。

在考察北京當(dāng)?shù)啬骋患沂V,該礦為石灰石巖,生產(chǎn)碎石時(shí)產(chǎn)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(shí)基礎(chǔ)墊層時(shí)用一部分,在混凝土中應(yīng)用很少,通過對(duì)該石礦的石屑石粉(尾礦)進(jìn)行混凝土試驗(yàn),探討其在預(yù)拌混凝土的應(yīng)用的可行性,有效的加以利用,實(shí)現(xiàn)“變廢為寶”。

1 廢棄石屑的物理性能測試

取樣對(duì)其進(jìn)行篩分,篩分結(jié)果如表1。

表1 廢棄石屑篩分結(jié)果

計(jì)算其細(xì)度模數(shù)為3.4,屬Ⅰ區(qū)粗砂,石粉含量6.0%。亞甲藍(lán)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(yīng)14d膨脹率判定為無潛在堿— 硅酸反應(yīng)危害,單級(jí)最大壓碎指標(biāo)：18%。

上述結(jié)果表明,該廢棄石屑砂的顆粒級(jí)配不良,2.5mm以上顆粒累計(jì)篩余超過 40%,0.315mm以下顆粒低于20%,顆粒分布表現(xiàn)為“兩頭多,中間少”,且顆粒表面粗糙,棱角尖銳。若在預(yù)拌混凝土中單獨(dú)作為細(xì)集料使用,往往易導(dǎo)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(dāng)?shù)乜捎锰烊缓由暗念w粒級(jí)配如表2。

表2 河沙篩分結(jié)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(jìn)行篩分,結(jié)果見表3。

表3 石屑與天然砂不同搭配比例篩分結(jié)果

從上述篩分結(jié)果來看,當(dāng)廢棄石屑砂混合比例不超過40%的情況下,混合砂級(jí)配基本符合Ⅱ區(qū)中砂的要求。

3 混凝土試驗(yàn)

針對(duì)該廢棄石屑砂及天然砂的特點(diǎn),將廢棄石屑砂與天然砂混合配制成滿足混凝土生產(chǎn)要求的Ⅱ區(qū)中砂,使用這種混合砂配制混凝土,技術(shù)關(guān)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(xué)性能、混合砂細(xì)度模數(shù)等技術(shù)指標(biāo)優(yōu)選出最佳的混合比例,該比例的混合砂應(yīng)滿足混凝土對(duì)普通砂的各項(xiàng)技術(shù)要求。試驗(yàn)時(shí),外加劑摻量適當(dāng)調(diào)整,保證達(dá)到要求的工作性,探討石屑混合砂的應(yīng)用技術(shù)規(guī)律。

3.1 原材料

1、水泥,北京水泥廠生產(chǎn)的P.O42.5,具體指標(biāo)如下表4。

表4 水泥的物理性能指標(biāo)

2、粉煤灰,張家口金隅有限公司生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰,各項(xiàng)指標(biāo)滿足《用于水泥和混凝土中粉煤灰》(GB/T1596-2005)的技術(shù)要求。

3、礦粉,張家口金隅有限公司生產(chǎn)的 S95 級(jí)礦粉,質(zhì)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(shù)要求。

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

表5 外加劑的性能指標(biāo)

3.2 石粉對(duì)外加劑的適應(yīng)性

該廢棄石屑砂中含有一定量的石粉,為觀察該石粉對(duì)外加劑的適應(yīng)性,本試驗(yàn)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(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。水泥凈漿配合比見下表6。

表6 水泥凈漿試驗(yàn)配合比

水泥凈漿流動(dòng)度試驗(yàn),隨著外加劑一定比例的增加,水泥凈漿流動(dòng)度會(huì)隨著增大,當(dāng)外加劑摻量達(dá)到使凈漿流動(dòng)度最大,再增加外加劑摻量,水泥凈漿流動(dòng)度不再顯著增大,此時(shí),外加劑摻量即是外加劑的飽和摻量。試驗(yàn)表明：當(dāng)石粉摻量為0%和20%時(shí),外加劑的飽和摻量均為1.6%,即水泥中摻入該石粉,對(duì)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(dòng)度在外加劑各摻量下均大于石粉摻量為0%時(shí)的凈漿流動(dòng)度,說明摻入石粉后,水泥和外加劑的適應(yīng)性不僅沒有降低,反而有所提高。

3.3 廢棄石屑砂摻量對(duì)砂率的影響

砂率是控制混凝土拌合物工作性的重要參數(shù)。砂率大小直接影響骨料的總比表面積及空隙率,進(jìn)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(shí)性。砂率不宜過大,也不宜過小,單獨(dú)使用石屑砂配制混凝土,粗顆粒較多,細(xì)顆粒不足,易造成離析、泌水、流漿等現(xiàn)象。

廢棄石屑砂與河砂混合使用可以解決石屑砂細(xì)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(xì)粉量的比值)。為研究石粉砂混合比例的變化對(duì)混凝土砂率的影響,石粉砂摻量分別為0%,20%,40%進(jìn)行試驗(yàn),考慮到石粉砂摻量的增加改變了原有粉體的數(shù)量及漿體的稠度,適當(dāng)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(yàn)結(jié)果如下表7：

表7 廢棄石屑砂摻量對(duì)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(diào)整均可獲得滿意的工作性,當(dāng)廢棄石屑砂摻量為0%,混凝土砂率為44%時(shí),工作性較好,當(dāng)石粉砂摻量為20%,混凝土砂率為42%時(shí),工作性較好,當(dāng)廢棄石屑砂摻量為40%, 混凝土砂率為40%時(shí),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(yīng)增加才能獲得良好的工作性。

3.4 廢棄石屑砂摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)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(shè)計(jì)調(diào)整的空間,通過不同的混合比例,優(yōu)化混合砂的顆粒級(jí)配,降低空隙率,提高混凝土整體性能。對(duì)石屑砂摻量為 0%、20%、40%,進(jìn)行混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)配合比見下表8。

表8 試驗(yàn)配合比

試驗(yàn)結(jié)果見下表9。

表9 廢棄石屑砂摻量對(duì)混凝土工作性及抗壓強(qiáng)度的影響

圖1 石屑砂對(duì)坍落度的影響

圖2 石屑砂對(duì)28d抗壓強(qiáng)度的影響

從以上可以看出,在C20等級(jí)混凝土中摻入40%以內(nèi)的石屑砂,坍落度隨著石屑砂摻量的增加而隨著增大,當(dāng)摻量為40%時(shí)達(dá)到最大。在C30/C40等級(jí)混凝土摻入20%的石屑砂,坍落度達(dá)到最大,當(dāng)石屑砂摻量進(jìn)一步增加時(shí),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(qiáng)度等級(jí)低于C40的混凝土中,適當(dāng)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(nèi)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(dāng)漿體粉體量增大超過一定范圍時(shí),造成漿體稠度過大,流動(dòng)性變差。

各齡期強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律來看,不同強(qiáng)度等級(jí)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(qiáng)度雖然有差異,但波動(dòng)幅度不大。

3.5廢棄石屑砂對(duì)混凝土抗?jié)B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(yàn)參照GB/50082-2009(普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn))采用逐級(jí)加壓法進(jìn)行抗水滲透試驗(yàn)。

表10 抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明兩者均可達(dá)到P10抗?jié)B等級(jí)。這一結(jié)果表明,適量摻加廢棄石屑砂,經(jīng)充分的濕養(yǎng)護(hù),不會(huì)降低混凝土的密實(shí)性,能夠獲得滿意的抗?jié)B性。

4 實(shí)際工程應(yīng)用

公司自2016年已將此廢棄石屑砂應(yīng)用于混凝土生產(chǎn),在一些項(xiàng)目應(yīng)用此石屑砂配制的混凝土,出機(jī)坍落度220-240mm,擴(kuò)展度550-650mm,經(jīng)攪拌運(yùn)輸車運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場,坍落度保留值為210-230mm,工作性能優(yōu)良,和易性良好,混凝土泵送正常,不離析,不泌水,拆模后構(gòu)件表面光滑無蜂窩麻面等影響結(jié)構(gòu)質(zhì)量的缺陷,試件強(qiáng)度評(píng)定合格,符合設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí),在同一項(xiàng)目與同期全部用河砂生產(chǎn)的混凝土相比,硬化后混凝土的碳化值無差異,結(jié)構(gòu)回彈合格。且成本有較大優(yōu)勢,石屑砂與普通河砂的市場差價(jià)為30多元/噸,以每方混凝土加入石屑砂200kg計(jì)算,可節(jié)約成本6元/方,若攪拌站年產(chǎn)20萬方此類混凝土計(jì),可年增加效益120萬元。

5 結(jié)論

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

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

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

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

[1] JGJ/T 241.人工砂混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程[S].2011．

[2]GB/T50082.普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].2009．

[3] JGJ/T 55.普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程[S].2011．

[4] 王雨利,董穎,楊玉輝等.石粉對(duì)機(jī)制砂混凝土性能的影響[J].混凝土,2006,(11)：44-49．

[5] 仲以林,劉運(yùn)存,張健.機(jī)制砂在商品混凝土中的應(yīng)用研究[J].廣東建材,2013,(10)：13-15．

[6] 劉偉華等.不同比表面積石灰石粉取代粉煤灰對(duì)混凝土性能的影響[J].混凝土世界,2015,(7)：70-73．