石屑混凝土商品化試驗(yàn)研究

(深圳中鐵二局工程公司，廣東省深圳市，518052)

　　摘要:通過(guò)優(yōu)選高效減水劑和配合比，改善石屑代砂混凝土需水量大和坍落度經(jīng)時(shí)損失大的缺點(diǎn)，使其適應(yīng)商品化生產(chǎn)，并對(duì)石屑代砂混凝土的力學(xué)性能、抗?jié)B性能及收縮進(jìn)行了測(cè)試，證明石屑代砂應(yīng)用于商品混凝土是可行的。

　　關(guān)鍵詞:混凝土石屑混凝土泵送混凝土

　　以前對(duì)石屑混凝土的使用和研究，主要集中在云南、貴州等河砂資源缺乏地區(qū)，近年來(lái)，深圳市隨著商品混凝土的大面積應(yīng)用，混凝土的用量迅猛增大，混凝土各種原材料用量也劇增。由于深圳地區(qū)淡水砂資源緊缺，商品混凝土市場(chǎng)淡水砂貨源不足的情況時(shí)有發(fā)生。一些采自江河近海地段的砂也開始流人市場(chǎng)。

　　這些砂含有較高的Cl-，用于鋼筋混凝土，將會(huì)造成混凝土耐久性方面的隱患。而石屑作為石場(chǎng)生產(chǎn)碎石的副產(chǎn)品，大多被作為廢料丟棄，甚至還要為此付出一定的費(fèi)用。以我公司下屬一攪拌站自用石場(chǎng)為例，年生產(chǎn)碎石約60萬(wàn)t，由此生成石屑約10萬(wàn)t，如此大量的石屑不僅沒(méi)有被利用，還要付出不菲的處理費(fèi)用。

　　2000年 ，香港西部鐵路預(yù)制構(gòu)件供應(yīng)商希望我們能為其供應(yīng)以石屑代砂的C50商品混凝土，用于制造西部鐵路的隧道拱圈，并稱香港西部鐵路公司允許這些構(gòu)件使用石屑代砂混凝土(簡(jiǎn)稱石屑混凝土)，其理由是通常石屑中Cl一含量很低，對(duì)鋼筋混凝土的耐久性有利，同時(shí)還可以節(jié)約自然資源。這給了我們極大的震動(dòng)，促進(jìn)了我們開展石屑混凝土的試驗(yàn)研究，并經(jīng)過(guò)大量的試配試驗(yàn)，成功完成了該混凝土的供應(yīng)任務(wù)。這次生產(chǎn)初步積累了研究資料，增強(qiáng)了將石屑混凝土商品化的信心。

　　實(shí)現(xiàn)石屑混凝土商品化，在技術(shù)上存在較大困難，原因之一是石屑的粒形差不如砂規(guī)整，影響混凝土的工作性;二是石屑中含有較多石粉，石粉的吸水率較高，比表面積較大，會(huì)吸附較多的水泥漿體，宏觀表現(xiàn)為混凝土需水量偏大且坍落度經(jīng)時(shí)損失較大。香港西部鐵路預(yù)制隧道拱圈的C50石屑混凝土，因其為預(yù)制生產(chǎn)工藝，要求的混凝土坍落度較小，所以實(shí)際操作起來(lái)并不算太困難，但如今泵送混凝土已經(jīng)成為商品混凝土的主流，如果要真正意義上實(shí)現(xiàn)石屑混凝土商品化，首先要解決石屑混凝土的工作性，特別是可泵性難題。

1 試驗(yàn)用原材料

　　1.1 水泥

　　試驗(yàn) 采 用 海星小野田P.I 52.5水泥，f-,2: 二58.2M Pa，比表面積380M 2/k g，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量26.2%。

　　1.2 石屑

　　試驗(yàn)石屑為花崗巖質(zhì)石屑，表觀密度265 0k g/m3,堆積密度15 30k g/m3，小于0.08 m m的顆粒含量為7.8%，細(xì)度模數(shù)2.8 ,Cl 一含量為0.0004%，其顆粒組成見表1。

　　1.3 碎石

　　試驗(yàn)用碎石為花崗巖質(zhì)碎石，5一25m m連續(xù)級(jí)配，表觀密度2 650 kg/m3，緊密密度1 500 kg/ m"

　　1.4 粉煤灰

　　試驗(yàn)采用東莞虎門沙角電廠產(chǎn)I級(jí)粉煤灰。

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　　1.5 混凝土減水劑

　　試驗(yàn)采用深圳海普清華公司產(chǎn)HIP一A1000型高效減水劑，含固量20%，主要成份為蔡系減水劑，復(fù)合部份氨基磺酸系減水劑。

2 混凝土配合比優(yōu)選及試驗(yàn)結(jié)果分析

　　2.1 混凝土配合比優(yōu)選

　　由于石屑混凝土實(shí)現(xiàn)商品化的真正難點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)大流動(dòng)性、高工作性且坍落度經(jīng)時(shí)損失小，所以本試驗(yàn)研究以泵送混凝土目標(biāo)為主，兼顧小坍落度混凝土。

　　由于所用石屑小于0.08 m m的顆粒含量較大，達(dá)到7.8%，要從石屑中篩除這部份細(xì)小顆粒不僅困難，而且費(fèi)錢，這將影響到石屑混凝土商品化的經(jīng)濟(jì)可行性。如果不能篩除這部份細(xì)顆粒，將對(duì)混凝土的工作性有較大影響，主要體現(xiàn)在混凝土需水量增大，同時(shí)坍落度經(jīng)時(shí)損失增大?？紤]到篩除這些細(xì)顆粒較困難，我們確定了優(yōu)選高性能混凝土減水劑解決工作性問(wèn)題的路線。通過(guò)大量試拌，同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性比較，我們選擇了深圳海普清華公司產(chǎn)HIP一A1000高效減水劑，該減水劑復(fù)合了部份氨基磺酸系減水劑成份，其增大減水率和降低混凝土坍落度經(jīng)時(shí)損失性能較好，且成本與純蔡系高效減水劑比較增加不多。經(jīng)優(yōu)選試驗(yàn)確定的C20一C50石屑混凝土配合比及拌合物性能見表2。

　　從表 2 可 以看出，通過(guò)選用合適的高效減水劑，石屑混凝土的坍落度經(jīng)時(shí)損失可以控制在商品混凝土生產(chǎn)允許水平。從實(shí)際生產(chǎn)情況看，各強(qiáng)度等級(jí)石屑混凝土拌合物工作性均較好，而且石屑泵送混凝土泌水少，可泵性良好，這主要是由于深圳地區(qū)使用的天然砂小于0.31 5m m的細(xì)顆粒含量往往偏少，泵送混凝土泌水較大，而石屑中含有較多的細(xì)顆粒正好彌補(bǔ)了這一缺點(diǎn)。實(shí)際生產(chǎn)也證明石屑混凝土拌合物密度與同強(qiáng)度等級(jí)的河砂混凝土差別不大。

　　2.2 力學(xué)性能試驗(yàn)及結(jié)果分析

　　采用表2配合比制作的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試件混凝土立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度及彈性模量試驗(yàn)結(jié)果見表3。

　　從各強(qiáng)度等級(jí)石屑混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果看，用石屑配制C20一C50強(qiáng)度等級(jí)的商品混凝土能達(dá)到規(guī)范要求;從石屑混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果看，各強(qiáng)度等級(jí)石屑混凝土28 d軸心抗壓強(qiáng)度與28 d立方體抗壓強(qiáng)度的比值均大于《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的采用值0.76，其平均值為0.79,且比值穩(wěn)定，這說(shuō)明石屑混凝土立方體抗壓強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的軸心抗壓強(qiáng)度是安全的;從表3還可以看出，各強(qiáng)度等級(jí)石屑混凝土的彈性模量也達(dá)到了《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用的彈性模量。

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　　2.3 混凝土抗?jié)B性能

　　由于商品混凝土經(jīng)常有抗?jié)B性能要求，我們還對(duì)表3中部份石屑混凝土的抗?jié)B性能作了測(cè)試，結(jié)果見表4。

　　從表4試 驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，石屑混凝土具有優(yōu)良的抗?jié)B性能。石屑中含有較多的細(xì)顆粒，填充于混凝土內(nèi)部孔隙，顯然是改善混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，使其更致密，從而提高抗?jié)B性能的重要原因。石屑混凝土優(yōu)良的抗?jié)B透性能也在一定程度上表明其具有良好的耐久性。

　　2.4 混凝土收縮

　　為檢驗(yàn)石屑中所含石粉對(duì)混凝土收縮性能的影響，從表2中選取試驗(yàn)編號(hào)為02(C25)、05(C35)和09(C50)三個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的混凝土測(cè)定石屑混凝土的收縮變形，并與相同強(qiáng)度等級(jí)及工作性能的河砂混凝土配合比作比較，見表5。

　　表5中河砂混凝土采用的河砂為I區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)2.8，減水劑為蔡系高效減水劑，含固量為20%。從對(duì)比用的河砂混凝土配合比看，相同強(qiáng)度等級(jí)河砂混凝土的W/ B較石屑混凝土的W/ B略小，這意味著相同W/ B時(shí)，石屑混凝土的強(qiáng)度較河砂混凝土強(qiáng)度略高。初步分析有兩個(gè)原因:一是石屑的表面往往較粗糙，并帶有棱角，使石屑與漿體的機(jī)械咬合力增強(qiáng);二是由于石屑的吸水率較河砂大，使得混凝土內(nèi)有效W/B降低，特別是降低了石屑與漿體結(jié)合界面的W/B，改善了界面結(jié)構(gòu)。相對(duì)而言，后一種因素起了決定性作用。

　　收縮試驗(yàn)室的環(huán)境溫度為(2012)9C，由于試驗(yàn)條件的限制，本試驗(yàn)實(shí)測(cè)的空氣相對(duì)濕度平均值為73%，無(wú)法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法要求的相對(duì)濕度。由于相對(duì)濕度對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較大，因而對(duì)比試驗(yàn)只進(jìn)行了60 d。為了盡可能地使測(cè)量更準(zhǔn)確，試驗(yàn)中將每一個(gè)試件對(duì)應(yīng)一臺(tái)收縮測(cè)定儀，且試件一直安裝在收縮測(cè)定儀上，直至測(cè)量結(jié)束，測(cè)量結(jié)果見圖1。

　　從圖1可 以看出，相同環(huán)境條件下同強(qiáng)度等級(jí)的石屑混凝土收縮比河砂混凝土要大一些，這可能是同強(qiáng)度等級(jí)石屑混凝土單方用水量要比河砂混凝土大，其中部份水是被石屑吸收，這部份水的蒸發(fā)會(huì)增大混凝土收縮;另外一個(gè)原因可能是石屑中細(xì)顆粒的堅(jiān)固性較河砂差，從而影響了混凝土收縮?？傮w看來(lái)中低強(qiáng)度等級(jí)的石屑混凝土收縮較同強(qiáng)度等級(jí)的河砂混凝土增加不是很明顯，而石屑C50混凝土收縮較中低強(qiáng)度等級(jí)的混凝土明顯偏高，所以在配制較高強(qiáng)度等級(jí)石屑混凝土?xí)r應(yīng)進(jìn)一步研究改善收縮性能的方法和措施。

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3 經(jīng)濟(jì)性比較

　　石屑混凝土除了應(yīng)該具有環(huán)保方面的積極意義外，還希望它可以降低混凝土經(jīng)濟(jì)成本。下面采用上述三個(gè)有代表性的河砂配合比與石屑混凝土經(jīng)濟(jì)成本作一比較。比較用材料價(jià)格為水泥340元/t、粉煤灰105元/t、淡水河砂45元/t、石屑(不需費(fèi)用)、碎石30元/t,HIP一A1000為1650元/t、純蔡系高效減水劑1 400元/t，水1.2元/t，比較結(jié)果見表6。

　　從表6可以看出:石屑混凝土的原材料成本較河砂混凝土低，對(duì)于相同的強(qiáng)度等級(jí)和工作性要求，石屑混凝土比河砂混凝土要低約31元/m3(三個(gè)強(qiáng)度等級(jí)平均值)。在計(jì)算混凝土原材料成本時(shí)，我們選取的是正常情況下的河砂價(jià)格，在河砂緊缺時(shí)其價(jià)格可以達(dá)到正常情況時(shí)的兩倍，隨著人們對(duì)江河環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，未來(lái)河砂開采必然會(huì)逐漸受到更多的限制，其價(jià)格也必然會(huì)逐步走高，因此采用石屑配制混凝土的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)及環(huán)保優(yōu)勢(shì)將更加明顯。

4 結(jié)語(yǔ)

　　通過(guò)高效減水劑和配合比優(yōu)選在目前條件下可以配制出工作性好、坍落度經(jīng)時(shí)損失小等要求的石屑代砂商品混凝土。石屑代砂混凝土的力學(xué)性能可以滿足《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，具有優(yōu)良抗?jié)B性能，能夠保證建筑結(jié)構(gòu)物的安全要求。由于石屑中C1一含量通常很低，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性能也是很有益的。高強(qiáng)度等級(jí)石屑混凝土的收縮較河砂混凝土偏高，這要在石屑質(zhì)量上加以控制，避免石粉含量過(guò)高，施工時(shí)也要加強(qiáng)混凝土養(yǎng)護(hù)工作。高強(qiáng)度等級(jí)石屑混凝土收縮較大的機(jī)理需要從原材料、配合比以及混凝土微觀結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)一步研究，得出其規(guī)律性，從而盡可能地改善石屑混凝土的收縮性能。

　　本次試驗(yàn)研究表明，石屑混凝土實(shí)現(xiàn)商品化是可行的，以石屑代砂生產(chǎn)商品混凝土，不僅可以節(jié)約自然資源和保護(hù)生態(tài)環(huán)境，而且可以顯著降低混凝土生產(chǎn)成本，節(jié)約社會(huì)財(cái)富。相關(guān)的主管部門如果能組織專家及科研單位對(duì)此進(jìn)行科研論證，對(duì)石屑的質(zhì)量要求標(biāo)準(zhǔn)化并加以推廣，則將是混凝土行業(yè)的幸事，也是我們國(guó)家環(huán)保事業(yè)的幸事。

　　參考文獻(xiàn)

　　1 洪錦祥，等.石灰石石屑混凝土力學(xué)性能研究.混凝土與水泥制品 ，2002(4)

　　2 雍本.特種混凝土設(shè)計(jì)與施工