碎石加工尾料在流動性混凝土中的應用

王 瑋,方忠年

1.江蘇建筑職業技術學院 建筑建造學院,江蘇 徐州221116

2.中國礦業大學 建筑設計咨詢研究院有限公司,江蘇 徐州221008

隨著國家推進落實“創新”、“協調”和“綠色”發展理念，河砂被限制采挖，石場的開采也受到嚴格管理，建筑用砂受到嚴重影響。生產混凝土用碎石的母巖一般是石灰巖，在碎石的生產加工過程中余下大量含較小粒徑（一般為5 mm以下）顆粒和石粉的尾料，石粉含量高且顆粒級配不均勻，在堆放過程中會造成顆粒、石粉分離[1-3]。因此，碎石加工尾料不能直接用作建筑用砂，造成自然資源的浪費。目前，基于采用不同比例的人工砂代替天然河砂作為混合砂在實際工程中開展了較多的應用研究[4-7]，且研究比較成熟，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動性混凝土的長期力學性能方面研究成果仍不足，制約了碎石加工尾料的推廣應用。

本研究按照建筑用人工砂標準，調整碎石加工尾料的顆粒級配和石粉含量生產人工砂，完全取代天然河砂，配制強度等級為C30和C50的流動性（190±20 mm）混凝土。驗證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長期力學性能（立方體抗壓強度、軸心抗壓強度和劈裂抗拉強度）是否滿足相關標準、規范以及工程應用的要求。

1 材料及方法

1.1 原料

水泥采用42.5R 普通硅酸鹽水泥，膠砂28 d 抗壓強度為46.6 MPa、抗折強度為7.4 MPa；減水劑選用萘系高效減水劑；粗骨料為粒徑5～20 mm 的碎石，級配良好，表觀密度為2740 kg/m3，壓碎指標為9.2%；水為普通自來水；細骨料分別為天然河砂和經過預處理的碎石加工尾料人工砂。

碎石加工尾料來自徐州某建筑混凝土用碎石加工場，母巖的主要成分為石灰巖，顆粒與碎石的物理性能以及力學性能基本一致。但尾料中石粉含量較高并存在少量的泥土，且顆粒級配不均勻并偏向于中粗砂，因此必須對尾料進行處理。采用自來水沖洗至石粉含量不大于10%為止，然后進行篩分處理，使得生產出的尾料人工砂滿足GB/T 14684-2011《建筑用砂》關于混凝土用砂的標準。實測細骨料的主要性能參數見表1。

表1 細骨料的主要性能參數Table 1 Performance parameters of fine aggregates

1.2 配合比

考慮泵送混凝土的流動性要求，設計混凝土坍落度為（190±20）mm，按照JGJ 55-2011《普通混凝土配合比設計規程》進行初步配合比設計，經過試配并調整高效減水劑的用量，本試驗用C30混凝土的配合比見表2。

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

1.3 試驗方法

混凝土試件的試驗齡期為3、7、14、28、56、90 d和180 d，共計7 個測試階段。按照GB/T 50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》，每種混凝土各制作7 組試件，每組試件均包括3 塊150 mm×150 mm×150 mm 立方體抗壓強度試件、3 塊100 mm×100 mm×300 mm 軸心抗壓強度試件和3塊100 mm×100 mm×100 mm 劈裂抗拉強度試件。

在中國礦業大學建材實驗室內完成試件制作，放入標準養護室養護28 d，然后取出并放置于室內大氣環境中。養護至相應試驗齡期時，取出試件，在電液伺服機YAW-3000 上進行加載試驗。

2 試驗結果及分析

2.1 混凝土拌合物的物理性能

混凝土拌制完成后，仔細觀察拌合物的外觀，并按GB/T 50080-2002《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》測量其制作前的坍落度，C30R、C30T、C50R 和C50T 的坍落度實測值分別為201 mm、198 mm、182 mm 和198 mm。

觀察混凝土拌合物外觀，受細骨料顏色的影響（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）外觀顏色略深；C30R、C50R 的和易性和稠度較好。C30R 和C30T 的坍落度差別不大，C50R 的坍落度小于C50T，但均能達到設計要求。分析原因，隨著水灰比的減小，尾料人工砂的特性反映明顯，一方面是尾料人工砂表面粗糙、比表面積較大，與水泥膠體粘結界面較廣[2]；另一方面，由于集料表面吸附了一層石粉，石粉的顆粒細，吸水性強，提高了混凝土拌合物的和易性和稠度[7,8]。

表4 力學性能試驗結果匯總表Table 4 Summary of mechanical property test results

2.2 力學性能發展規律

對混凝土試件在相應齡期進行加載試驗，結果見表4。根據表4中試驗數據，分別建立不同試件的力學性能（立方體抗壓強度、軸心抗壓強度以及劈裂抗拉強度）隨齡期的發展規律曲線（圖1）。

圖1 力學性能發展規律曲線Fig.1 Development curves of mechanical properties

觀察試件加載現象和破壞形態發現，同一齡期的C30R、C50R分別與C30T、C50T的加載破壞形態基本相似。軸心抗壓強度其破壞形態既有縱向裂縫破壞，也有主斜裂縫破壞，主斜裂縫破壞后的開裂面穿過了水泥石，并有較多粗骨料（碎石）被貫穿劈開；另外，在加載過程中，齡期為28 d以上的C50R軸心抗壓強度試件在接近極限強度時，常常會出現較嚴重的脆性劈裂破壞，并隨著齡期的增長愈加明顯。分析原因是，由于尾料人工砂中石粉填充了混凝土內部孔隙，增強了混凝土骨架，并隨著強度的增長，增強作用越明顯[8]。

圖1顯示，在齡期為180 d內，各混凝土試件的力學性能（立方體抗壓強度、軸心抗壓強度和劈裂抗拉強度）均隨養護齡期的增長而增大；在齡期28 d內，試件C30R和C50R的力學性能分別與C30T、C50T相近；齡期28 d以后，C30R和C50R的強度分別較C30T、C50T強度略高，并隨混凝土強度等級的提高，C50R的實測值明顯高于C50T。分析原因主要有，尾料人工砂中適量石粉有助于降低混凝土的孔隙率，又由于強度等級越高水灰比越小，石粉對混凝土孔隙的填充作用越明顯[9,10]。

2.3 強度指標間換算關系

2.3.1 軸心抗壓強度與立方體抗壓強度關系 根據GB50010-2010《混凝土結構設計規范》，軸心抗壓強度與立方體抗壓強度換算關系用線性關系表達為：

式中，fc—混凝土軸心抗壓強度，MPa；fcu—混凝土立方體抗壓強度，MPa；α2—混凝土脆性折減系數，當混凝土強度等級小于或等于C30 時，取值為1.0；對于C40 以下混凝土fc/fcu取0.76，對C40以上混凝土考慮脆性折減系數α2（對高強混凝土C80 取0.87，中間按線性插入）。

由表4 中的數據，建立混凝土軸心抗壓強度—立方體抗壓強度的關系曲線，見圖2。

圖2 軸心抗壓強度—立方體抗壓強度關系曲線Fig.2 Relation curve between axial compressive strength and cube compressive strength

圖2 顯示，C30R、C30T、C50R 以及C50T 試件的軸心抗壓強度與立方體抗壓強度均符合線性關系，并得到fc/fcu值分別為0.77、0.80、0.89 和0.85。其中，C30R 和C30T 的fc/fcu值相近，較式（1）給出的比值0.76 分別提高1.4%和5.3%，符合性較好且偏于安全。C50R 和C50T 的fc/fcu值較C30R、C30T 大很多，說明C50R 和C50T 的脆性較大；結合加載過程中出現的脆性崩裂現象，C50R 混凝土比C50T 混凝土的剛度大，分析原因是石粉的存在增加了混凝土的密實性，但受砂石骨料壓碎指標的限制，混凝土的剛度雖然提高但強度增大有限。因此，用式（1）表達C50R 的軸心抗壓強度與立方體抗壓強度關系時，同C50T 一樣需要考慮脆性折減系數α2，C50R 和C50T 的fc/fcu實測值比式（1）計算值0.74 分別高出20.0%和14.9%。

因此，用式（1）描述尾料人工砂混凝土的軸心抗壓強度與立方體抗壓強度關系偏于安全。

2.3.2 劈裂抗拉強度與立方體抗壓強度關系 據GB50010-2002《混凝土結構設計規范》，普通混凝土的劈裂抗拉強度與立方體抗壓強度換算關系為：

式中，fsp—混凝土劈裂抗拉強度，MPa。

考慮早期混凝土未完全硬化，彈塑性變形較大，不能將試件簡化為彈性體，因此將表4 中的齡期為28 d 以后的試驗結果與式（2）的計算結果進行對比，見圖3。

圖3 劈裂抗拉強度—立方體抗壓強度關系曲線Fig.3 Relation curve between splitting tensile strength and cube compressive strength

圖3 顯示，無論是尾料人工砂混凝土還是天然河砂混凝土，除齡期為28 d 時的劈裂抗拉強度值略低于計算值外，隨著齡期的增長，實測值也逐漸增大，采用式（2）描述尾料人工砂混凝土（C30R、C50R）的劈裂抗拉強度與立方體抗壓強度換算關系越偏向安全。

3 結論

（1）分析混凝土拌合物物理性能表明，尾料人工砂幾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，隨著混凝土強度等級的提高影響越顯著，適量石粉能夠提高混凝土拌合物的和易性和稠度；

（2）根據加載試驗結果，在齡期為180 d 內的尾料人工砂流動性混凝土的力學性能（立方體抗壓強度、軸心抗壓強度和劈裂抗拉強度）發展規律與天然河砂混凝土基本一致；在齡期28 d 內，尾料人工砂流動性混凝土的力學性能分別與天然河砂混凝土相近，后期的力學性能分別較天然河砂混凝土略高，并隨混凝土強度等級的提高，提高更明顯；

（3）基于試驗結果，分別建立和討論了尾料人工砂流動性的混凝土軸心抗壓強度、劈裂抗拉強度與立方體抗壓強度的換算關系模型，并與河砂混凝土的試驗模型對比，安全性滿足相關規范要求。