石屑在混凝土中的應(yīng)用研究

石鑫，唐永鵬，姚宇飛，黃臣

（武漢源錦商品混凝土有限公司，湖北 武漢 430000）

0 前言

隨著現(xiàn)代化建設(shè)的步伐不斷加快，混凝土用量不斷攀升。天然砂是預(yù)拌混凝土的一種主要材料，而天然砂是一種短期不可再生的資源，許多地方因環(huán)境保護(hù)采取了禁采或限采的措施。尤其在武漢周邊，預(yù)拌混凝土每年的使用量較大，在環(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。與此同時(shí)，采石場(chǎng)中石屑卻堆積如山。石屑是生產(chǎn)碎石過程中產(chǎn)生的，采石場(chǎng)通過篩分機(jī)將其中較大顆粒篩出作為建筑用碎石出售，破碎過程中產(chǎn)生的小顆粒及石粉，由于技術(shù)水平、經(jīng)濟(jì)成本等因素的制約，石屑通常無法得到充分的利用，往往都隨意進(jìn)行堆放，不僅占用大量土地資源，又污染環(huán)境[1]。

在當(dāng)前天然砂奇缺價(jià)高的背景下，大多數(shù)攪拌站在以“雜燴砂”的形式進(jìn)行混凝土生產(chǎn)，而“雜燴砂”的組成相當(dāng)混亂，通常由各種形態(tài)的砂狀物所組成[2]。石屑是碎石加工過程中的副產(chǎn)品，化學(xué)成分與母巖一致。其粒徑一般小于 5mm。由于制備工藝不同使得石屑的各項(xiàng)物理性能指標(biāo)變化范圍較大，細(xì)度模數(shù)在 1.7～4.6之間，表觀密度在 2.64～2.84g/cm3之間，堆積密度在1.38～1.59g/cm3之間，孔隙率在 42%～48% 之間。由此可知，石屑的物理性能與機(jī)制砂相似，是比較適宜的代砂材料[3]。此外，石屑中的大量細(xì)粉，使拌和物總漿體量增加，保水性和粘聚性增強(qiáng)，可改善混凝土的和易性[4]。

石屑具有質(zhì)地堅(jiān)硬、表面粗糙、多孔多棱角、粘結(jié)性能良好等特性。天然砂中的泥對(duì)混凝土是有害的[5]，必須嚴(yán)格控制其含量，石屑中含有大量細(xì)粉，石屑中的石粉對(duì)混凝土是有益的。石屑由于是機(jī)械破碎制成，其顆粒尖銳有棱角，這對(duì)骨料和水泥之間的粘結(jié)是有利的，但對(duì)混凝土的和易性是不利的，特別是配制低強(qiáng)度等級(jí)的混凝土和易性很差，而有適量石粉的存在，則可以彌補(bǔ)這一缺陷[6]。石粉中 0.04～0.075mm 的微粒部分對(duì)改善混凝土的細(xì)骨料級(jí)配，提高混凝土的密實(shí)性都有幫助，可起到提高混凝土綜合性能的作用[7]。

本文研究石屑替代混凝土中的細(xì)骨料的可行性和石屑亞甲藍(lán)測(cè)定值指標(biāo)對(duì)強(qiáng)度的影響，找到最適宜的摻用比例。

1 試驗(yàn)原材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原材料

（1）水泥：海螺 P·O42.5。

（2）礦粉：武新 S95 級(jí)礦粉。

（3）粉煤灰：青山電廠 Ⅱ 級(jí)粉煤灰。

（4）減水劑：源錦聚羧酸系高性能減水劑，含固量 14%，減水率 28%。

（5）粗骨料：湖北陽(yáng)新碎石，級(jí)配 5～25mm。

（6）細(xì)骨料：機(jī)制砂，產(chǎn)地為湖北宜昌；石屑，收集我公司各站使用的各種石屑。各項(xiàng)性能指標(biāo)見表1，篩分結(jié)果見表2。

表1 細(xì)骨料主要性能指標(biāo)

表2 細(xì)骨料顆粒級(jí)配

1.2 試驗(yàn)方案及方法

試驗(yàn)方案：選取攪拌站日常生產(chǎn)配合比和原材料，采用強(qiáng)度等級(jí)為 C40 的配合比進(jìn)行試配，原材料性能指標(biāo)如上所示。根據(jù)石屑和機(jī)制砂的細(xì)度和顆粒級(jí)配情況進(jìn)行摻配使用，研究其使用時(shí)最適宜選用的砂率，及對(duì)減水劑的吸附情況、工作性能和強(qiáng)度的影響。

試驗(yàn)方法：混凝土試件尺寸為 100mm×100mm×100mm，按照 GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)規(guī)定進(jìn)行養(yǎng)護(hù)和試驗(yàn)。試件采取標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，測(cè)試 7d 和 28d 齡期抗壓強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)及結(jié)果

2.1 試驗(yàn)配合比

采用實(shí)際生產(chǎn)所使用的 C40 配合比進(jìn)行試驗(yàn)，由于機(jī)制砂和石屑中 4.75mm 以上顆粒的含量較多，因此試驗(yàn)時(shí)砂率取 53%，提高砂率以保證混凝土的粘聚性、包裹性。此次試驗(yàn)配合比見表3。

2.2 砂率對(duì)混凝土工作性的影響

砂率作為控制混凝土拌合物工作性能的重要影響因素，砂率的取值大小直接影響骨料的總比表面積及空隙率，從而影響拌合物的和易性?；炷链止橇鲜拥目障犊可白觼硖畛洌白娱g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潤(rùn)滑作用，砂漿填充粗骨料的空隙要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，由表2 可知，純機(jī)制砂粗顆粒較多、細(xì)顆粒不足，易使混凝土產(chǎn)生離析、泌水等現(xiàn)象，故應(yīng)根據(jù)細(xì)骨料情況摻用部分石屑以補(bǔ)充部分細(xì)顆粒。

石屑與較粗機(jī)制砂混合使用能解決機(jī)制砂細(xì)顆粒不足的問題，另外石屑中小于 0.075mm 的石粉顆粒，可以與水泥熟料生成水化碳鋁酸鈣，從而使得混凝土的孔隙率減少，孔隙結(jié)構(gòu)得到改善。提高總漿體量，漿體稠度及水灰比，對(duì)強(qiáng)度提高具有一定作用。

在用水量和膠材總量一定的前提下，進(jìn)行了不同砂率的可行性對(duì)比試驗(yàn)，在砂率小于 53% 時(shí)，混凝土和易性很差，無法進(jìn)行泵送，故砂率應(yīng)不宜小于 53%。

2.3 石屑亞甲藍(lán)值高低對(duì)強(qiáng)度的影響

石屑是生產(chǎn)碎石和機(jī)制砂所產(chǎn)生的廢料，含有較多小于 0.075mm 的細(xì)顆粒，運(yùn)用常規(guī)的機(jī)制砂的含泥量和亞甲藍(lán)值檢測(cè)方法，所測(cè)得數(shù)值均高于 GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》要求的數(shù)倍。但小于0.075mm 的細(xì)顆粒中含有較多的石粉，適量石粉對(duì)于混凝土具有一定的益處，能夠改善混凝土的和易性，提高密實(shí)度，從而適量提高強(qiáng)度。

此次試驗(yàn)?zāi)康氖菍?duì)于超過標(biāo)準(zhǔn)范圍指標(biāo)值的石屑可行性研究，通過對(duì)各種石屑的相關(guān)值檢測(cè)和對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表3 混凝土試驗(yàn)配合比 kg/m3

表4 不同石屑混凝土的抗壓強(qiáng)度

由表2 和表4 可以看出，不同品種的石屑的含泥量、細(xì)度模數(shù)、亞甲藍(lán)值都相差較大。從表4 可以看出，石屑混凝土強(qiáng)度并沒有隨含泥量的遞增而遞減，而是隨亞甲藍(lán)測(cè)定值的增大而逐漸降低，充分證明了我們之前的猜想，小于 0.075mm 的細(xì)顆粒中含有較多的石粉而不是泥，石粉具有一定的活性，適量的石粉對(duì)于強(qiáng)度有益。由試配結(jié)果可以看出，石屑在亞甲藍(lán)測(cè)定值小于 6.0 時(shí)，所生產(chǎn)的混凝土力學(xué)性能優(yōu)良，滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)減水劑吸附能力較低，90min 鐘的坍落度損失也較小，有利于主材成本的控制。

3 工程應(yīng)用分析

自 2019 年年初我公司已將石屑應(yīng)用于混凝土生產(chǎn)，出機(jī)坍落度 220～230mm，擴(kuò)展度為 570～650mm，工地現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)坍落度為 200～210mm，和易性良好，工作性能優(yōu)良，混凝土泵送正常，拆模后表面無蜂窩麻面等外觀缺陷，試件強(qiáng)度評(píng)定合格，結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)回彈合格，符合設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)，并且成本具有一定優(yōu)勢(shì)。如今武漢天然砂供應(yīng)緊張，石屑與天然砂的市場(chǎng)差價(jià)為40 多元/噸，單方可以節(jié)約成本 10 元，以我司年產(chǎn) 120萬方石屑混凝土計(jì)，每年可節(jié)省 1200 萬元。

4 結(jié)論

（1）使用石屑配制混凝土不但可以緩解天然砂短缺的情況，解決石屑帶來的環(huán)境污染問題，還可以對(duì)混凝土強(qiáng)度的提高有一定的促進(jìn)作用，具有良好的經(jīng)濟(jì)環(huán)境和社會(huì)效益。

（2）使用石屑配制混凝土?xí)r，因?yàn)榧?xì)骨料中2.36mm 以上的顆粒含量較高，故生產(chǎn)中要減少碎石的用量，提高砂率生產(chǎn)。當(dāng)砂率在 53% 時(shí)，所配制的混凝土具有良好的和易性，泵送性能優(yōu)良。

（3）石屑是否合格的檢測(cè)指標(biāo)不能用機(jī)制砂含泥量的高低和亞甲藍(lán)值的多少來評(píng)判，需要綜合考慮。本次針對(duì)我公司的石屑來源，適量對(duì) MB 值進(jìn)行了放寬。數(shù)據(jù)結(jié)果表明，MB≤6.0 具有一定的參考性，后期還需進(jìn)行更深入的探討研究。