不同掺量石屑替代机制砂的混凝土性能试验研究

汤聪辉

（厦门天润锦龙建材有限公司，福建 厦门 361027）

0 引言

混凝土中的骨料主要起骨架支撑的作用，骨料的质量对混凝土的各项性能均具有重要的影响[1]。随着天然骨料的过度开采，各地区天然砂石的可用量日益减少[2]，进而出现多种新型骨料，例如机制砂石、再生骨料、人造骨料等。在各个采石场中，大量的石屑被作为废弃物堆积在一旁，既占用场地又污染环境[3]。石屑一般只作为基础的夯实垫层或配制水稳层的细集料使用，在混凝土中使用很少。石屑价格比较低廉，具有很好的经济性，因此探索石屑在混凝土中的应用具有较高的经济价值和环保价值[4]。基于此，本文针对不同掺量石屑替代机制砂的混凝土性能进行试验研究，以促进石屑在混凝土制备时的合理利用。

1 试验混凝土制备的原材料选择

（1）水泥：采用福建春驰集团新丰水泥有限公司生产的P·O42.5R水泥，其性能见表1所示。

表1 水泥性能指标

（2）粉煤灰F：采用福建省漳州市后石电厂生产的F 类Ⅱ级粉煤灰，细度18.4%，需水量比98%，活性指数76%。

（3）矿粉K：采用唐山曹妃甸盾石新型建材有限公司生产的“盾石牌”高炉矿渣粉，产品级别S95，比表面积419m2/kg，流动度比99%，活性指数99%。

（4）减水剂Ad：采用科之杰新材料集团福建有限公司生产的高效减水剂（缓凝型），产品型号Point-420HS，含固量9.62%，掺量2.0%，减水率19%。

（5）碎石：采用长泰县半岭建材有限公司生产的碎石，规格型号为G1：16～31.5mm 单粒级，堆积密度1390kg/m3，含泥量0.2%，针片状颗粒含量3%，压碎值指标4.7%；G2：5～20mm 连续粒级，堆积密度1390kg/m3，含泥量0.4%，针片状颗粒含量4%，压碎值指标9.2%。

（6）机制砂：采用漳州台商投资区豪运达建材有限公司生产的机制砂，规格型号为中砂，细度模数2.8，堆积密度1450kg/m3，压碎值指标17.2%，亚甲蓝值0.75g/kg，石粉含量4.6%。

（7）石屑：采用长泰县半岭建材有限公司、漳州台商投资区豪运达建材有限公司及莆田顺磊建材有限公司生产的石屑，石屑材质主要为花岗岩，带有风化石，颜色为灰白色，材料代码分别为：SxA、SxB、SxC，其性能见表2所示。

表2 石屑性能指标

2 不同掺量石屑替代机制砂的混凝土性能试验设计

使用石屑取代机制砂进行混凝土试拌试验，研究不同石屑替代比例（0、15%、30%、45%、60%、75%）对不同强度等级（C15、C20、C25、C30、C35、C40）混凝土工作性能（坍落度、扩展度、含气量、泌水率）和强度（7d、28d）的影响，确定石屑在不同强度等级混凝土中的最大掺量，使混凝土工作性能满足标准要求，以此得到掺石屑混凝土最优配合比。各强度等级混凝土配合比见表3所示。

表3 试验混凝土配合比（单位：kg/m3）

从表3可以看出，为使混凝土拌合物初始工作性保持基本一致，减水剂掺量随着石屑比例提高而增加，且在石屑比例达到45%以上时，减水剂掺量呈现较明显的增加趋势。

3 不同掺量石屑替代机制砂的混凝土性能试验结果分析

3.1 工作性能分析

按照表3中的混凝土配合比进行混凝土试拌试验，对混凝土拌合物进行坍落度、扩展度、含气量、泌水率等相关性能指标进行测试，试验结果如图1～图5所示。

图1 拌合物含气量

图2 拌合物表观密度

图3 拌合物泌水率

图4 拌合物坍落度1h损失

图5 拌合物扩展度1h损失

图6 混凝土7d抗压强度

从图3～图7可以看出，拌合物含气量因减水剂掺量增加而变大，相应的表观密度跟着降低，当石屑比例60%以上时，含气量变化较大，与基准值相差20%以上；拌合物泌水率随着石屑比例提高而减小；拌合物坍落度及扩展度1h经时损失随着石屑比例提高而增大，C15～C25在石屑比例达45%以上时损失明显变大，C30～C40在石屑比例达30%以上时损失明显变大。

图7 混凝土7d抗压强度变化率

图8 混凝土28d抗压强度

3.2 抗压强度分析

对混凝土成型试块测试其7d和28d强度，试验结果见图6～图9。

图9 混凝土28d抗压强度变化率

从图6～图9可知，掺石屑混凝土28d抗压强度均可满足设计强度要求，抗压强度随着石屑比例提高呈现先增长后降低的趋势；当石屑比例不超过45%时，对混凝土强度影响较小，石屑比例提高到60%以上时，抗压强度与基准配比强度值对比降低较多；C15～C25在石屑比例为30%时强度最高，而C30～C40在石屑比例为15%时强度最高。其原因是：

（1）掺部分石屑的混凝土，其工作性能与力学性能均得到一定程度提高，这可能是由于二者的级配互补使得细集料的整体级配得到了优化，从而提高了混凝土的性能。

（2）石屑中含有大量的石粉，石粉粒径比胶凝材料还要细，石粉能够填充胶凝体之间的空隙，提高了混凝土的密实度；另外，石粉还可以与水泥中的矿物成分发生水化反应，生成水化碳铝酸钙，提高了混凝土的强度。

（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，减少自由水在过渡区界面的聚集，从而有利于界面的改善，提高了过渡区的强度，进而提高了混凝土的强度。

（4）当石屑比例超过一定范围时，过多的石粉聚集于界面处妨碍水泥浆体与集料的黏结，造成混凝土抗压强度降低。

3.3 收缩性能分析

依据表3 中C20、C30、C40 相应的配合比数据进行试拌试验，制作成型收缩试件，按照标准要求进行养护，并测试混凝土28d收缩率，试验结果见图10所示。

图10 混凝土28d收缩率

从图10 可知，随着石屑比例提高，骨料体系中石粉含量逐渐增加，混凝土试块的28d 收缩率逐渐增加；当石屑比例不超过30%时，石屑混凝土收缩率与普通混凝土相差不大，两者收缩率比相差最大不超过14%；石屑比例超过30%时，石屑混凝土收缩率明显大于普通混凝土，收缩率比最大相差53%；石屑比例相同时，随着混凝土强度提高，混凝土的收缩率也是逐渐增加的。其原因为：

（1）随着石屑比例提高，骨料体系中石粉含量逐渐增加，混凝土试块的28d 收缩率逐渐增加。这是因为石屑中含有的石粉颗粒比较细而且本身具有一定的活性，在加速水化硅酸钙和水化铝酸钙形成的同时，自身与氢氧化钙和水化铝酸钙反应生成水化碳铝酸钙晶体，由于生成水化物的体积比反应物要小，因此石屑比例越大，骨料体系中石粉含量越高，混凝土试块收缩率也就越大。

（2）石屑比例相同时，随着混凝土强度提高，混凝土的收缩率也是逐渐增加的。这主要是因为强度越高水胶比越小，胶凝材料体系占比越大，收缩率越大。

4 结束语

综上所述，本文主要对不同掺量石屑替代机制砂的混凝土性能进行试验研究，通过研究得到以下结论：

（1）随着石屑比例提高，混凝土拌合物含气量变大，表观密度降低，泌水率减小，坍落度及扩展度1h经时损失增大；

（2）掺石屑混凝土28d抗压强度均可满足设计强度要求，抗压强度随着石屑比例提高呈现先增长后降低的趋势，C15～C25 在石屑比例为30%时强度最高，而C30～C40在石屑比例为15%时强度最高；

（3）混凝土收缩率随着石屑比例提高而增加；石屑比例相同时，混凝土收缩率随着强度提高而增加；

（4）为了保证混凝土拌合物具有良好的工作性，强度满足设计要求同时具备良好的长期性能，C15～C25混凝土石屑最大掺量宜控制在30%以内，而C30～C40混凝土石屑最大掺量宜控制在15%以内；

（5）C15～C40石屑取代机制砂的平均掺量为181kg/m3，相比普通混凝土，依据本公司原材料均价计算，使用石屑取代机制砂生产混凝土可节约成本5.37元/m3。