石屑在混凝土中的應用研究

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

隨著現代化建設的步伐不斷加快，混凝土用量不斷攀升。天然砂是預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，許多地方因環境保護采取了禁采或限采的措施。尤其在武漢周邊，預拌混凝土每年的使用量較大，在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。與此同時，采石場中石屑卻堆積如山。石屑是生產碎石過程中產生的，采石場通過篩分機將其中較大顆粒篩出作為建筑用碎石出售，破碎過程中產生的小顆粒及石粉，由于技術水平、經濟成本等因素的制約，石屑通常無法得到充分的利用，往往都隨意進行堆放，不僅占用大量土地資源，又污染環境[1]。

在當前天然砂奇缺價高的背景下，大多數攪拌站在以“雜燴砂”的形式進行混凝土生產，而“雜燴砂”的組成相當混亂，通常由各種形態的砂狀物所組成[2]。石屑是碎石加工過程中的副產品，化學成分與母巖一致。其粒徑一般小于 5mm。由于制備工藝不同使得石屑的各項物理性能指標變化范圍較大，細度模數在 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制砂相似，是比較適宜的代砂材料[3]。此外，石屑中的大量細粉，使拌和物總漿體量增加，保水性和粘聚性增強，可改善混凝土的和易性[4]。

石屑具有質地堅硬、表面粗糙、多孔多棱角、粘結性能良好等特性。天然砂中的泥對混凝土是有害的[5]，必須嚴格控制其含量，石屑中含有大量細粉，石屑中的石粉對混凝土是有益的。石屑由于是機械破碎制成，其顆粒尖銳有棱角，這對骨料和水泥之間的粘結是有利的，但對混凝土的和易性是不利的，特別是配制低強度等級的混凝土和易性很差，而有適量石粉的存在，則可以彌補這一缺陷[6]。石粉中 0.04～0.075mm 的微粒部分對改善混凝土的細骨料級配，提高混凝土的密實性都有幫助，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骨料的可行性和石屑亞甲藍測定值指標對強度的影響，找到最適宜的摻用比例。

1 試驗原材料與試驗方法

1.1 試驗原材料

（1）水泥：海螺 P·O42.5。

（2）礦粉：武新 S95 級礦粉。

（3）粉煤灰：青山電廠 Ⅱ 級粉煤灰。

（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：湖北陽新碎石，級配 5～25mm。

（6）細骨料：機制砂，產地為湖北宜昌；石屑，收集我公司各站使用的各種石屑。各項性能指標見表1，篩分結果見表2。

表1 細骨料主要性能指標

表2 細骨料顆粒級配

1.2 試驗方案及方法

試驗方案：選取攪拌站日常生產配合比和原材料，采用強度等級為 C40 的配合比進行試配，原材料性能指標如上所示。根據石屑和機制砂的細度和顆粒級配情況進行摻配使用，研究其使用時最適宜選用的砂率，及對減水劑的吸附情況、工作性能和強度的影響。

試驗方法：混凝土試件尺寸為 100mm×100mm×100mm，按照 GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》相關規定進行養護和試驗。試件采取標準養護，測試 7d 和 28d 齡期抗壓強度。

2 試驗及結果

2.1 試驗配合比

采用實際生產所使用的 C40 配合比進行試驗，由于機制砂和石屑中 4.75mm 以上顆粒的含量較多，因此試驗時砂率取 53%，提高砂率以保證混凝土的粘聚性、包裹性。此次試驗配合比見表3。

2.2 砂率對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。混凝土粗骨料石子的空隙靠砂子來填充，砂子間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性。砂率不宜過大，也不宜過小，由表2 可知，純機制砂粗顆粒較多、細顆粒不足，易使混凝土產生離析、泌水等現象，故應根據細骨料情況摻用部分石屑以補充部分細顆粒。

石屑與較粗機制砂混合使用能解決機制砂細顆粒不足的問題，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，孔隙結構得到改善。提高總漿體量，漿體稠度及水灰比，對強度提高具有一定作用。

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

2.3 石屑亞甲藍值高低對強度的影響

石屑是生產碎石和機制砂所產生的廢料，含有較多小于 0.075mm 的細顆粒，運用常規的機制砂的含泥量和亞甲藍值檢測方法，所測得數值均高于 GB/T 14684—2011《建設用砂》要求的數倍。但小于0.075mm 的細顆粒中含有較多的石粉，適量石粉對于混凝土具有一定的益處，能夠改善混凝土的和易性，提高密實度，從而適量提高強度。

此次試驗目的是對于超過標準范圍指標值的石屑可行性研究，通過對各種石屑的相關值檢測和對比試驗，試驗結果見表4。

表3 混凝土試驗配合比 kg/m3

表4 不同石屑混凝土的抗壓強度

由表2 和表4 可以看出，不同品種的石屑的含泥量、細度模數、亞甲藍值都相差較大。從表4 可以看出，石屑混凝土強度并沒有隨含泥量的遞增而遞減，而是隨亞甲藍測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，適量的石粉對于強度有益。由試配結果可以看出，石屑在亞甲藍測定值小于 6.0 時，所生產的混凝土力學性能優良，滿足設計要求，對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 工程應用分析

自 2019 年年初我公司已將石屑應用于混凝土生產，出機坍落度 220～230mm，擴展度為 570～650mm，工地現場實測坍落度為 200～210mm，和易性良好，工作性能優良，混凝土泵送正常，拆模后表面無蜂窩麻面等外觀缺陷，試件強度評定合格，結構現場回彈合格，符合設計強度等級，并且成本具有一定優勢。如今武漢天然砂供應緊張，石屑與天然砂的市場差價為40 多元/噸，單方可以節約成本 10 元，以我司年產 120萬方石屑混凝土計，每年可節省 1200 萬元。

4 結論

（1）使用石屑配制混凝土不但可以緩解天然砂短缺的情況，解決石屑帶來的環境污染問題，還可以對混凝土強度的提高有一定的促進作用，具有良好的經濟環境和社會效益。

（2）使用石屑配制混凝土時，因為細骨料中2.36mm 以上的顆粒含量較高，故生產中要減少碎石的用量，提高砂率生產。當砂率在 53% 時，所配制的混凝土具有良好的和易性，泵送性能優良。

（3）石屑是否合格的檢測指標不能用機制砂含泥量的高低和亞甲藍值的多少來評判，需要綜合考慮。本次針對我公司的石屑來源，適量對 MB 值進行了放寬。數據結果表明，MB≤6.0 具有一定的參考性，后期還需進行更深入的探討研究。