不同摻量石屑替代機制砂的混凝土性能試驗研究

湯聰輝

（廈門天潤錦龍建材有限公司，福建 廈門 361027）

0 引言

混凝土中的骨料主要起骨架支撐的作用，骨料的質量對混凝土的各項性能均具有重要的影響[1]。隨著天然骨料的過度開采，各地區天然砂石的可用量日益減少[2]，進而出現多種新型骨料，例如機制砂石、再生骨料、人造骨料等。在各個采石場中，大量的石屑被作為廢棄物堆積在一旁，既占用場地又污染環境[3]。石屑一般只作為基礎的夯實墊層或配制水穩層的細集料使用，在混凝土中使用很少。石屑價格比較低廉，具有很好的經濟性，因此探索石屑在混凝土中的應用具有較高的經濟價值和環保價值[4]。基于此，本文針對不同摻量石屑替代機制砂的混凝土性能進行試驗研究，以促進石屑在混凝土制備時的合理利用。

1 試驗混凝土制備的原材料選擇

（1）水泥：采用福建春馳集團新豐水泥有限公司生產的P·O42.5R水泥，其性能見表1所示。

表1 水泥性能指標

（2）粉煤灰F：采用福建省漳州市后石電廠生產的F 類Ⅱ級粉煤灰，細度18.4%，需水量比98%，活性指數76%。

（3）礦粉K：采用唐山曹妃甸盾石新型建材有限公司生產的“盾石牌”高爐礦渣粉，產品級別S95，比表面積419m2/kg，流動度比99%，活性指數99%。

（4）減水劑Ad：采用科之杰新材料集團福建有限公司生產的高效減水劑（緩凝型），產品型號Point-420HS，含固量9.62%，摻量2.0%，減水率19%。

（5）碎石：采用長泰縣半嶺建材有限公司生產的碎石，規格型號為G1：16～31.5mm 單粒級，堆積密度1390kg/m3，含泥量0.2%，針片狀顆粒含量3%，壓碎值指標4.7%；G2：5～20mm 連續粒級，堆積密度1390kg/m3，含泥量0.4%，針片狀顆粒含量4%，壓碎值指標9.2%。

（6）機制砂：采用漳州臺商投資區豪運達建材有限公司生產的機制砂，規格型號為中砂，細度模數2.8，堆積密度1450kg/m3，壓碎值指標17.2%，亞甲藍值0.75g/kg，石粉含量4.6%。

（7）石屑：采用長泰縣半嶺建材有限公司、漳州臺商投資區豪運達建材有限公司及莆田順磊建材有限公司生產的石屑，石屑材質主要為花崗巖，帶有風化石，顏色為灰白色，材料代碼分別為：SxA、SxB、SxC，其性能見表2所示。

表2 石屑性能指標

2 不同摻量石屑替代機制砂的混凝土性能試驗設計

使用石屑取代機制砂進行混凝土試拌試驗，研究不同石屑替代比例（0、15%、30%、45%、60%、75%）對不同強度等級（C15、C20、C25、C30、C35、C40）混凝土工作性能（坍落度、擴展度、含氣量、泌水率）和強度（7d、28d）的影響，確定石屑在不同強度等級混凝土中的最大摻量，使混凝土工作性能滿足標準要求，以此得到摻石屑混凝土最優配合比。各強度等級混凝土配合比見表3所示。

表3 試驗混凝土配合比（單位：kg/m3）

從表3可以看出，為使混凝土拌合物初始工作性保持基本一致，減水劑摻量隨著石屑比例提高而增加，且在石屑比例達到45%以上時，減水劑摻量呈現較明顯的增加趨勢。

3 不同摻量石屑替代機制砂的混凝土性能試驗結果分析

3.1 工作性能分析

按照表3中的混凝土配合比進行混凝土試拌試驗，對混凝土拌合物進行坍落度、擴展度、含氣量、泌水率等相關性能指標進行測試，試驗結果如圖1～圖5所示。

圖1 拌合物含氣量

圖2 拌合物表觀密度

圖3 拌合物泌水率

圖4 拌合物坍落度1h損失

圖5 拌合物擴展度1h損失

圖6 混凝土7d抗壓強度

從圖3～圖7可以看出，拌合物含氣量因減水劑摻量增加而變大，相應的表觀密度跟著降低，當石屑比例60%以上時，含氣量變化較大，與基準值相差20%以上；拌合物泌水率隨著石屑比例提高而減小；拌合物坍落度及擴展度1h經時損失隨著石屑比例提高而增大，C15～C25在石屑比例達45%以上時損失明顯變大，C30～C40在石屑比例達30%以上時損失明顯變大。

圖7 混凝土7d抗壓強度變化率

圖8 混凝土28d抗壓強度

3.2 抗壓強度分析

對混凝土成型試塊測試其7d和28d強度，試驗結果見圖6～圖9。

圖9 混凝土28d抗壓強度變化率

從圖6～圖9可知，摻石屑混凝土28d抗壓強度均可滿足設計強度要求，抗壓強度隨著石屑比例提高呈現先增長后降低的趨勢；當石屑比例不超過45%時，對混凝土強度影響較小，石屑比例提高到60%以上時，抗壓強度與基準配比強度值對比降低較多；C15～C25在石屑比例為30%時強度最高，而C30～C40在石屑比例為15%時強度最高。其原因是：

（1）摻部分石屑的混凝土，其工作性能與力學性能均得到一定程度提高，這可能是由于二者的級配互補使得細集料的整體級配得到了優化，從而提高了混凝土的性能。

（2）石屑中含有大量的石粉，石粉粒徑比膠凝材料還要細，石粉能夠填充膠凝體之間的空隙，提高了混凝土的密實度；另外，石粉還可以與水泥中的礦物成分發生水化反應，生成水化碳鋁酸鈣，提高了混凝土的強度。

（3）石屑中大量的石粉，在混凝土中吸附部分拌合水，使得混凝土保水性提高，減少自由水在過渡區界面的聚集，從而有利于界面的改善，提高了過渡區的強度，進而提高了混凝土的強度。

（4）當石屑比例超過一定范圍時，過多的石粉聚集于界面處妨礙水泥漿體與集料的黏結，造成混凝土抗壓強度降低。

3.3 收縮性能分析

依據表3 中C20、C30、C40 相應的配合比數據進行試拌試驗，制作成型收縮試件，按照標準要求進行養護，并測試混凝土28d收縮率，試驗結果見圖10所示。

圖10 混凝土28d收縮率

從圖10 可知，隨著石屑比例提高，骨料體系中石粉含量逐漸增加，混凝土試塊的28d 收縮率逐漸增加；當石屑比例不超過30%時，石屑混凝土收縮率與普通混凝土相差不大，兩者收縮率比相差最大不超過14%；石屑比例超過30%時，石屑混凝土收縮率明顯大于普通混凝土，收縮率比最大相差53%；石屑比例相同時，隨著混凝土強度提高，混凝土的收縮率也是逐漸增加的。其原因為：

（1）隨著石屑比例提高，骨料體系中石粉含量逐漸增加，混凝土試塊的28d 收縮率逐漸增加。這是因為石屑中含有的石粉顆粒比較細而且本身具有一定的活性，在加速水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣形成的同時，自身與氫氧化鈣和水化鋁酸鈣反應生成水化碳鋁酸鈣晶體，由于生成水化物的體積比反應物要小，因此石屑比例越大，骨料體系中石粉含量越高，混凝土試塊收縮率也就越大。

（2）石屑比例相同時，隨著混凝土強度提高，混凝土的收縮率也是逐漸增加的。這主要是因為強度越高水膠比越小，膠凝材料體系占比越大，收縮率越大。

4 結束語

綜上所述，本文主要對不同摻量石屑替代機制砂的混凝土性能進行試驗研究，通過研究得到以下結論：

（1）隨著石屑比例提高，混凝土拌合物含氣量變大，表觀密度降低，泌水率減小，坍落度及擴展度1h經時損失增大；

（2）摻石屑混凝土28d抗壓強度均可滿足設計強度要求，抗壓強度隨著石屑比例提高呈現先增長后降低的趨勢，C15～C25 在石屑比例為30%時強度最高，而C30～C40在石屑比例為15%時強度最高；

（3）混凝土收縮率隨著石屑比例提高而增加；石屑比例相同時，混凝土收縮率隨著強度提高而增加；

（4）為了保證混凝土拌合物具有良好的工作性，強度滿足設計要求同時具備良好的長期性能，C15～C25混凝土石屑最大摻量宜控制在30%以內，而C30～C40混凝土石屑最大摻量宜控制在15%以內；

（5）C15～C40石屑取代機制砂的平均摻量為181kg/m3，相比普通混凝土，依據本公司原材料均價計算，使用石屑取代機制砂生產混凝土可節約成本5.37元/m3。