C55 石屑混凝土配合比设计的探讨

陈祥荣，秦勤，阳岸波

（1.桂林信强混凝土有限公司，广西 桂林 541004；2.桂林锐龙混凝土有限公司，广西 桂林 530000）

0 前言

混凝土是现代土木工程用量最大的建筑材料，其中砂是混凝土的重要组成部分。目前我国处于工程建设的高峰期，建筑用砂需求十分巨大。由于连年超量开采，使得天然河砂资源日渐枯竭而且天然河砂的质量也越来越差。采用机制砂代替天然砂配制混凝土是摆在我们面前的一项重要任务。桂林地区拥有非常丰富的石灰石岩资源。石屑是生产碎石过程中筛出的副产品，每加工100t 的碎石，就会产生20～30t 的石屑，它作为石场的废弃物，既占用场地又污染环境，目前多用于道路填方。若将石屑用于混凝土中取代河砂、机制砂将会产生较高的经济和社会价值。而对于石屑代砂制备混凝土，我国已有较多研究，但在高强混凝土中的应用还很少，一个很重要的原因是对石屑性能的系统性研究不足, 对石屑的质量以及其对混凝土性能影响的规律掌握不足。因此合理使用机制砂配制高强度等级混凝土具有重要的技术和经济意义。本文主要阐述石屑在C55 混凝土配合比设计中的研究以期能推进石屑在混凝土中的应用。

1 原材料

1.1 水泥

广西兴安海螺水泥有限责任公司生产的P·O42.5，其物理性能指标如表1。

表1 水泥物理性能指标

1.2 粒化高炉矿渣粉

广西柳州台泥S95 级矿粉，性能指标见表2。

表2 S95 矿粉物理性能指标

1.3 粉煤灰

广西桂林国电永福发电有限公司生产的II 级粉煤灰。性能指标见表3。

表3 II 级粉煤灰无力性能指标 %

1.4 减水剂

天津同祥科技发展有限公司生产的TX-B 泵送剂，其物理性能见表4。

表4 TX-B 泵送剂性能指标

1.5 机制砂

河卵石机械破碎筛洗生产的II 类机制砂，针片状颗粒稍多，压碎指标值4.0%，细度模数2.9，表观密度2630kg/m3，石粉含量4.0%，泥块含量0.5%，亚甲蓝MB 值1.0，空隙率40%，颗粒级配见表5。

表5 机制砂与石屑颗粒级配 %

1.6 石屑

由5～10mm 石机械破碎加工而成，颗粒形状基本成球形，针片状颗粒极少，压碎指标值4.0%，细度模数3.4，表观密度2740kg/m3，石粉含量7.4%，泥块含量0.6%，亚甲蓝MB 值0.9，空隙率40%，屑颗粒级配见表5。

1.7 石子

石灰石质岩，5～25mm 碎石，表观密度2735 kg/m3，含泥量0.4%，泥块含量0.3%，针片状颗粒含量3%，压碎指标值10%。

2 试验方法及混凝土配合比设计指标

根据JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规范》进行机制砂原始配方设计，参考朱效荣等《现代多组分混凝土理论》在原始配合比的基础逐渐掺矿粉替代部分水泥，确定矿粉的最佳掺量，然后石屑逐步增加，石屑取代机制砂的比例，甚至全部使用石屑配制C55 混凝土，通过对比石屑掺量与28 天抗压强度的关系，最后确认石屑在C55 混凝土中应用的可行性。C55混凝土设计要求坍落度大于220mm,扩展度大于600mm，倒坍落度筒流出时间小于15 秒且1 小时坍落度损失小于10%。

3 试验数据

3.1 机制砂C55混凝土配合比的确认

由于高强混凝土胶凝材料比较富足，粘性偏大，为了能达到良好的工作性，必须保证大流动性，抗离析性和良好的保水性，同时机制砂粒形多呈三角体或方矩体(有些片状颗粒较多)，表面粗糙颗粒尖锐有棱角，影响混凝土的流动性，所以在设计的同时要经过试拌确定好减水剂的最佳掺量。机制砂的双掺配合比及拌合物性能见表6。

根据表6 我们看出，在保证其他材料用量不变的情况下，矿粉掺量（取代水泥的量）为15%和30%时，无论7d 还是28d 混凝土强度都比没掺矿粉的混凝土（试验编号1）强度高，但当矿粉掺量提高到50%，混凝土的强度降低。矿粉在一定范围内取代水泥，混凝土强度增大可能是由于：矿粉取代水泥，在矿渣微粉吸收水泥水化时形成的 Ca(OH)2，并进一步水化生产更多有利的 C-S-H 凝胶，使界面区的Ca(OH)2晶粒变小，改善了混凝土的微观结构，使水泥浆体的空隙率明显下降，强化了集料界面粘结力。掺入15%和30%矿粉的混凝土，其粘性比不掺矿粉的低、坍落度和扩展度大、倒坍落度筒流出时间短，当达到50%掺量的时候，混凝土拌合物出现轻微泌水板结，这些现象和数据说明，在一定范围内，矿粉的掺入能够改善混凝土的施工性能，1 小时的坍落度损失也满足我们初定要求。本实验最终确定试验编号3（矿粉掺量为30%的配方）为最佳配比。

表6 机制砂C55 混凝土配合比及拌合物性能

表7 石屑C55 混凝土配合比及拌合物性能

3.2 石屑C55混凝土配合比的确认

在原机制砂C55 混凝土最佳矿粉掺量配合比的基础上，本试验分别以石屑分别取代机制砂30%、50%、75%、100%做混凝土试验，得出混凝土相关性能数据如表7。

从表7 可以看出，用石屑取代机制砂，混凝土的坍落度和扩展度变化不大；倒坍落度流出时间比全机制砂的C55 混凝土要低一些，且倒坍落度流出时间变化不大，均能保持在12 秒上下；1 小时坍落度损失小于10%，都满足试验前对C55 混凝土设计的要求。使用石屑的混凝土7d 和28d 的抗压强度都比全部使用机制砂配制的混凝土强度要高些，当石屑全部取代机制砂时混凝土抗压强度最大。原因可能是：（1）石屑代替机制砂作为细骨料，由于石屑质地坚硬、表面粗糙、有棱角、且针片状少，与水泥的粘结性能好，石屑的颗粒级配好于砂，表观密度也大于砂，使掺入石屑的混凝土强度高于普通混凝土；（2）石粉中含有大量的 SiO2、CaO、Al2O3等化学成分，在水泥水化过程中，易形成坚硬的铝硅酸钙和碳酸氢钙，从而进一步提高混凝土的强度；（3）由于石屑所含石粉较多，石粉改善了骨料的颗粒级配，石粉的填充效应使得水泥石变得密实，减少了空隙率从而提高了强度。单纯考虑抗压强度数据方面，试验编号8（石屑取代机制砂100%）是最佳配合比。

4 总结

（1）本实验得出的矿粉的适宜掺量在30%～45%之间，可根据不同的技术、经济要求进行选择。矿粉的掺入大大改善了C55 混凝土的粘性，改善了混凝土的流动性，因为水泥、矿粉、粉煤灰三种颗粒直径大小不一。从胶凝材料颗粒级配来说，正因为三种材料颗粒粒径不同，更有利于增加混凝土的密实度，有利于强度的增加。一定程度来说，也起到减少用水量的作用。在用水量不变的情况下，流动性自然会改善不少，粘性也会降低。

（2）由于石屑的颗粒形状为球状，相对于机制砂比较圆滑，所以其流动性要优于机制砂，倒坍落度流出时间小。石粉中含有大量的 SiO2、CaO、 Al2O3等化学成分，在水泥水化过程中，易形成坚硬的铝硅酸钙和碳酸氢钙，从而进一步提高混凝土的强度；同时由于石屑所含石粉较多，石粉改善了骨料的颗粒级配，石粉的填充效应使得水泥石变得密实，减少了空隙率，提高了强度。

（3）通过试验研究可知，石屑配制C55 混凝土满足强度和各项工作性能要求，且优于机制砂配制的C55 混凝土的性能。无论从环保还是经济方面考虑，都值得继续研究和推广应用。

（4）满足JGJ/T241-2011《人工砂混凝土应用技术规程》中细集料要求的石屑均可以配制C55 混凝土，有条件的情况下，尽量选择石粉含量低的石屑或者再加工为低石粉含量的人工砂。部分学者指出，由于石粉的存在石屑混凝土在相同条件下比普通混凝土的收缩大，更容易产生早期裂缝，因此施工过程中应对石屑混凝土加强早期养护。

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[6]JGJ/T241-2011.人工砂混凝土应用技术规程[S].

[7]JGJ55-2011.普通混凝土配合比设计规程[S].