石灰石尾礦砂在混凝土中的應用

姜連甲，殷繼偉，馬永勝

（1. 哈爾濱精典新型干混建材科技有限公司，黑龍江 哈爾濱 150070；2. 哈爾濱佳連混凝土技術開發有限公司，黑龍江 哈爾濱 150070）

0 引言

近年來，隨著自然資源的枯竭，國家為保證生態環境，逐步開始限制河砂的開采，部分省市已經完全禁止開采。目前可開采、利用的天然砂資源越來越少，完全不足以供應下游企業的需要。這就導致許多預拌混凝土企業，生產所用的天然砂質量參差不齊，許多場地有限的企業更會出現粗砂、中砂、細砂混堆的情況。混凝土日常生產時，質量波動大，不利于混凝土的質量控制。許多企業的技術人員對機制砂嗤之以鼻，認為機制砂的級配差、含泥量高、對外加劑吸附性大。其實機制砂的質量優劣，與母巖的性能、生產設備、生產工藝有很大的影響。

石灰石是用來生產水泥的原料，礦山中部分石灰石的品質較低并不能用于生產水泥，但將這些品質較低的石灰石制成機制砂，可以在混凝土中得到良好的應用。

本文將通過試驗分析天然砂與石灰石尾礦砂的區別，如何利用好尾礦砂保證混凝土的質量，同時完成降本增效的目標。

1 原材料性能指標

本文試驗所用原材料性能指標見表 1～6。

表 1 P·O42.5 水泥性能指標

表 3 天然砂（河砂）性能指標

表 4 粗骨料（碎石）性能指標

表 5 混凝土泵送劑性能指標

表 2 Ⅱ級粉煤灰性能指標

表 6 機制砂性能指標

2 機制砂中石粉對膠砂強度的影響

篩出機制砂中 80μm 以下的顆粒。將篩出的石粉進行充分拌勻，烘干至恒重。此次試驗將機制砂中的石粉看作為石灰石粉，按照 JGJ/T 318—2014《石灰石粉在混凝土中應用技術規程》的要求進行 28d 膠凝材料強度試驗。

為了對比效果明顯，石粉摻量以 5% 的整數倍進行遞增。且保證膠砂流動度不小于 180mm。對比 28d 膠砂強度差異，分析不同摻量下的石粉，對水泥膠砂強度的影響，詳見表 7。

表 7 石粉摻量對膠砂強度的影響

依據表 7 的數據可知，膠砂強度隨著石粉摻量的提高，膠砂強度隨之降低。當摻量為 0%～10% 范圍內，水泥膠砂強度下降較緩慢，當摻量在 10%～20% 范圍內，膠砂強度急劇下降。而從膠砂流動度來看，機制砂中的石粉摻量較低時，流動度比較好，但當摻量超過30% 以上時，膠砂流動度還是有較明顯的影響。

JGJ/T 318—2014 中要求石灰石粉 28d 活性指數≥60%，試驗數據顯示，石粉的活性指數僅達到了48%。證明石灰石尾礦機制砂中的石粉，并不能完全當作石灰石粉來用。因為磨細石灰石粉的碳酸鈣含量要求不低于 75%。而機制砂中的石粉碳酸鈣含量較低，并且機制砂中的石粉沒有經過系統的研磨，所以石粉的活性遠遠達不到石灰石粉的要求。

但是通過表 7 的數據可以看到，雖然石粉的活性較低，不能被用做礦物摻合料。但當石粉摻量在1%～10% 的范圍內，膠砂強度仍有較高的活性。所以試驗證明，在合理的摻量范圍內，石粉可以取代少量的水泥。

嚴格意義來說，雖然石粉取代了少量的水泥，但仍不能稱它為摻合料。

石粉可以取代少量的水泥，主要是因為石粉讓水泥結構更密實，起到了一定改善微級配的效應，從而提高水泥結構強度。

3 機制砂對混凝土拌合物性能的影響

機制砂與天然砂有著本質的區別，天然砂表面更光滑圓潤，配制出的混凝土流動性更好。

機制砂的顆粒多為棱角狀，配制混凝土所需的拌合用水量大。所以通常來說相同條件下，機制砂所配制出的混凝土拌合物狀態要差于天然砂。

通過相同的原材料，以不同比例復配河砂與機制砂，在保證外加劑摻量、用水量和膠凝材料用量不變，的情況下，比對混凝土的坍落度及拌合物狀態。分析機制砂與天然砂，分別對混凝土拌合物流動性、粘聚性、保水性都有哪些影響。

通過對比 30min 混凝土的坍落度變化、60min 混凝土坍落度變化，分析機制砂與天然砂對外加劑相容性影響的區別，試驗結果見表 8。

表 8 機制砂摻量對混凝土拌合物性能的影響

通過表 8 的數據可知，隨著機制砂的摻量提高，混凝土的粘聚性變好，主要是因為天然砂的細度模數較大，級配斷檔。而機制砂中含有大量的石粉，填充了天然砂中所缺少的部分空隙。

隨著機制砂的摻量提高，混凝土的保水性變好，主要因為尾礦砂與天然復配后，砂的比表面積更大，對拌合水的吸附及需求量增加，所以混凝土泌水現象有很大的改善。

隨著機制砂的摻量提高，混凝土流動性的變化從差到優，再從優到差。從差變化到優，主要是因為天然砂的級配不合理，漿體包裹不住石頭，漿體流動石頭聚堆，所以混凝土的流動性差。隨著尾礦砂比例的增加，使得混凝土級配更合理，漿體帶著石頭流，流動性變好。

但當機制砂比例超過 50% 時，混凝土的流動性有明顯的下降，是因為混凝土中摻入了過多的石粉，使得混凝土特別粘稠，級配變得不合理，混凝土的擴散性降低，流動性變差。

通過表 8 的數據發現，單獨使用天然砂時，混凝土初始坍落度小、坍落度損失大，而隨著機制砂的比例增加，混凝土初始坍落度變大、坍落度損失變小，主要是因為天然砂中含泥量較高，而尾礦砂的 MB 值僅為0.5，說明尾礦砂對外加劑的吸附能力，要遠遠小于天然砂。

當機制砂的摻量過高時，由于機制砂的表面形貌特征的問題（圖 1），混凝土拌合用水量有很大程度的增加，且由于石粉含量的增加，混凝土變得更加的粘稠。所以在用水量不變的情況下，混凝土的初始坍落變小。

圖 1 河砂（左）和機制砂（右）在高倍放大鏡下的表面特征

圖 2 天然砂配制的混凝土

圖 3 機制砂配制的混凝土

圖 4 天然砂與機制砂復配后，配制的混凝土

所以通過試驗得出，在考慮混凝土拌合性能的角度，天然砂與機制砂的復配比例按照 5:5 的比例最佳。

圖 2 是單獨使用天然砂配制的混凝土，混凝土粘聚性差、流動性差、工作度滿足不了要求?；炷撂涠葥p失大，外加劑摻量高。圖 3 是單獨使用機制砂配制的混凝土，混凝土特別粘稠、流動性差不宜泵送，混凝土邊緣呈草帽狀。圖 4 為將天然砂與機制砂以 5:5 的比例復配后配制的混凝土，混凝土和易性好、擴展度大，坍落度損失小。

4 石灰石尾礦砂對混凝土強度的影響

為保證不受其他因素對混凝土強度的影響。采用單因素變量法比對，分別以不同比例復配機制砂與天然砂。其他材料以相同廠家、相同的批次，按照相同的配合比，在相同的環境下、相同的成型方法、相同的攪拌時間、相同的試驗人員，嚴格按照 GB/T 50081—2002中的要求，將混凝土進行試拌成型?；炷猎嚢杌鶞逝浜媳纫姳?9。

對比混凝土 3d、7d、28d 強度的差異，分析機制砂與天然砂對混凝土強度的影響（表 10）。

表 9 試驗基準配合比 kg/m3

通過表 10 的試驗數據可知，摻有機制砂的混凝土的強度，較天然砂混凝土有所提高，且隨著機制砂的摻量提高，混凝土的早期強度、后期強度都所有提高，但當機制砂的摻量達到 60% 時，強度有所下降。

主要是因為，石灰石尾礦機制砂中的石粉，其中含有一定量的碳酸鈣，雖然我們認為機制砂中的石粉屬于惰性材料，但對混凝土的強度增長仍是有益的。

二是因為隨著機制砂的加入，石粉填充了混凝土中的空隙，改善了微集料的級配，使得混凝土級配更加合理，混凝土更加密實，提高了混凝土的強度。

三是因為天然砂含泥量高而機制砂的 MB 值低，對混凝土的強度影響不大，當機制砂的 MB 值大于 1.4時，認為此時機制砂的石粉性能，近似于泥粉對混凝土有降強的效果。所以相對于許多高含泥量的河砂，摻配MB 值低的機制砂，變相的增加混凝土強度。

四是因為機制砂的表面多為棱角狀，增加了混凝土骨料與水泥漿體的膠結能力，也就是常說的“握裹力”更強。

機制砂自身的空隙率要大于天然砂，當機制砂摻量過高時，混凝土的級配不合理空隙率更大?；炷恋膹姸葧兴陆?，所以通過試驗數據發現，機制砂與天然以 3:7 的比例復配，強度更高。

表 10 強度試驗數據

5 結論

在天然砂資源日漸匱乏的今天，機制砂將成為混凝土中不可或缺的材料，機制砂與天然砂有著眾多的區別，各有優劣。在應用機制砂時，要調整好混凝土的級配。往往單獨的機制砂或是天然砂，品質較低，達不到要求。通過復配等手段，可使得混凝土級配更合理，不但可以保證混凝土的質量，而且可以降低材料的波動性，方便質量控制。

要利用好機制砂中石粉與混凝土強度的關系，利用好機制砂 MB 值與外加劑相容性的關系，利用好石粉自身的少量活性，才能真正的應用好機制砂，達到降本增效的目的。