石屑在海洋环境友好型高性能混凝土中的应用.pdf

2 0 1 4 年 第 2 期 (总 第 2 9 2 期 ) Nu mb e r 2 in 2 0 1 4 ( T o t a l No 2 9 2 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 预拌混凝土 RE ADY M Dr ED CONCRETE 石屑在海洋环境友好型高性能混凝土中的应用 陈吓敏 ，杨顺荣 ， ( 1 厦门路桥翔通股份有限公司 ，福建 厦 门 3 6 1 0 0 0 ；2 童昀 。何富强 厦门理工学院 土木工程与建筑系，福建 厦门 3 6 1 0 2 4 ) 摘要 ： 利用工业废弃物配制海洋环境友好型高性能混凝土是解决 目前资源和环境危机的重要途径 。 通过研究应用石屑和矿 物掺合料对不同等级混凝土性能影响， 试验表明： 经过处理的石屑可以配制性能接近河砂的混凝土 ， 掺适量 比例的石粉可改善黏 聚性 ， 减小收缩， 保障高强度和高抗蚀 ， 适用于海洋腐蚀环境下的工程。 关键词 ： 石屑；海洋环境友好型；高性能混凝土 中图分类号： T U 5 2 8 0 4 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 0 2 0 1 1 4 0 2 App l i c a t i o n o f s t o n e c h i p s i n ma r i n e e n v i r o n m e n t f r i e n dl y h i g h p e r f o r m a n c e c o n c r e t e CHEN Xi a mi n ， YANG S hu mo n g ， TONG Yu n ， 船Fuq i a n g ( 1 Xi a me nR o a d a n dB r i d g e S u n s ton e S t o c kCo ， L t d ， Xi a me n3 6 1 0 0 0 ， Ch i n a ； 2 Ci v i l E n g i n e e r i n gandAr c h i t e c t u r e De p a r t me n t ， Xi a me nUn i v e r s i t yo f Te c h n o l o g y ， Xi a me n 3 6 1 0 2 4， C h i n a ) Ab s t r a c t ： I f s i mp o r t a n c e t o r e s o l v e r e s o u r c e an d e n v i r o n me n t c r i s i s b y u s i n g i n d u s t r y c a s t o ff ma k i n g ma r i n e e n v i r o nm e n t f r i e n d l y c o n c r e t e Th e e ffe c t s of s t on e c h i ps a n d mi n e r a l a d mi x t ur e t o C o nc r e t e i n d i f f e r e n t s t r e n g t h a r e r e s e arc h e dThe r e s ul t s ho we d t ha t we l l c ur e d s t o n e c h i p s c a n c o n f e c t c o n c r e l i k e r i v e r s a n d， and p r o p r i e ty mi c r o fi n e s c a n i mp r o v e mu c o s i t y a n d e n s u r i n g me c h a n i c s a n d d ura b i l i t y， wh i c h mana g e i n ma r i n e c o r r os i v e s t r u c t u r e Ke y wor d s ： s t o n e c h i p s ； mari n e e n v i r o n me n t f r i e n d l y ； h i g hp e rfo r man c e c o n c r e t e 0 引 言 水泥混凝土作 为文 明社会最大宗的人造材料 ， 在建筑 工程领域牢牢占据无可取代的作用和功能， 但同时也使得 能源、 资源、 环境等问题 日益凸显， 严重制约混凝土行业的 可持续发展。 混凝土学术界越来越清醒的意识到发展高性 能混凝土提高建筑寿命刻不容缓。 我国混凝土学界泰斗吴 中伟院士 1 认为高性能混凝土应具有以下特征： 更多地节 约熟料水泥， 降低能耗与环境污染； 更多地掺加工业废料 为主 的细掺料 ； 更 多地发挥混凝土高性能优势 ， 减少水泥 与混凝土的用量 ， 应同时保证耐久性 、 工作性 、 力学性能 、 适用性 、 体积稳定性与经济合理性。 经济发展最活跃 的沿海地区面I 临 着海洋对码头、 桥梁 、 隧道等的侵蚀。 建造海洋环境友好型高性能混凝土即用于 海洋环境下钢筋混凝土建筑， 能够与海洋环境长期共存不受 侵蚀且不对海洋环境造成生态危害的工作性 、 力学性能及耐 久性优异 的高性能混凝土 。 更 多的利用工业废弃物进行海 洋环境友好型混凝土设计是响应绿色混凝土理念 的举措。 1 石屑 混凝土配合 比设计 1 1 石屑性 能 采石 厂在机械加工碎石过程中形成约 2 0 的石屑 ， 按 收稿 日期 ：2 0 1 3 - 0 8 1 5 基金项目：福建省高校产学合作科技重大项目( 2 0 1 3 H 6 0 2 5 ) 11 4- 照国标 建筑用砂 可归类为人工砂。 作为工业副产物 ， 石 屑的物化指标波动 范围较 大 ， 石粉含量在 3 1 5 ， 级配 呈现“ 中间小两头大” ， 但将其简单 的抛弃 既占场地又污染 环境， 如将石屑作为河砂的替代材料 ， 可以减少对生态环 境破坏和节约资源嘲 。 将石屑简单 的替代细集料会导致混凝土拌合物泌水和 坍落度损失偏大等问题， 因为采石厂筛出的小于 4 7 5 mm 的原始石屑针片状含量多且粗颗粒 比例高 ， 颗粒棱角多影 响了混凝土 的流动性 ， 其次过高的含粉 ( 泥 ) 量破坏减水剂 的适应性。 如果对原始石屑进行再加工处理 ， 通过整形机和 吸尘 过程 ， 获得的精 加工石 屑性能会 大大提升 ， 含粉量控 制到 5 以内 ， 颗粒形状接近立方多面体 ， 表面棱角减少 ， 细度和级配更加接近河砂指标 ， 如表 1 所示 。 1 2 原材料及 配合 比设 计 本试验研究使用石屑替代河砂配制高性能混凝 土， 采 用粉煤灰一 矿粉双掺技术和最大容重法确定混凝土试验配 合比， 设计过程中最大限度运用粉煤灰、 矿粉 、 石粉等工业 废弃物 ， 降低环境污染 和对资源 的消耗 ， 配制能够满足海 洋环境工程运用 的混凝土 ， 配合 比如表 2 。 配合 比设计原材料使用永定 闽福水泥有 限公 司“ 闽福 牌 ” P 0 4 2 5 R级水泥 ； 粉煤灰为漳州后石 电厂生产 的 I I 级 表 1 细集料性能指标 分选粉煤灰 ； 矿粉为“ 三钢牌” $ 9 5 级矿渣粉； 减水剂采用 厦门路桥翔通建材科技有限公司L Q系列高效减水剂， 减 水率达 2 5 ； 粗集料为杨峰建材公司生产 5 - 2 5 mm连续级 配花岗岩碎石 ， 含 泥量小 于 1 ； 漳州河砂 ； 精加工石屑为 厦门某石料厂生产副产品， 性能指标如表 1 ； 石粉为石屑精 加工过程筛选物， 公称粒径小于 0 0 7 5 mm。 表 2中确立 C 3 0 和 C 5 0 两个等级 ， 每个等级分为纯河 砂 、 石屑替代部分河砂、 石屑和石粉替代部分河砂三种情 况 ， 研究精加工石屑运用 于海洋环境下混凝土的工作性 、 强 度性能和耐久性能的影响。 2 试验结果与分析 2 1 石屑混凝 土基本性能研 究 表 3中显示石屑混凝土拌合物性能及强度的变化， 从 不同等级石屑混凝土工作性变化可以看出使用石屑及石 粉替代部分河砂混凝土工作性略有下降 ， 强度变化不大， 具体表现为石屑混凝土坍落度下降及坍落度损失下降 5 1 0 r l l l n ， 掺石屑混凝土包裹性 能不如河砂混凝 土 ， 但石 屑混凝土密度最大提升 1 7 k g m 3 , 强度总体变高， 特别是添 加石粉的混凝土整体和易性较好， 强度提高 2 MP a 左右。 表 3 石屑混凝土拌合物性能与强度 较之普通石屑掺人后 ， 混凝土拌合物较易出现 的工作 性严重下降问题 ， 使用精加工石屑替代河砂达 7 0 仍未 出 现泌水或坍损过大等问题 ， 其中主要的原因是经过处理的 石屑性能指标 发生变化 ， 石 屑中针片状颗粒变为近多面体 颗粒 ， 改善细集料 的润滑效果 ， 其次合理 的颗粒级配和较 低的泥粉含量也提高拌合物的保水效果 ， 减少减水剂敏感 性 问题 。 由于使用的石粉为石屑加工过程研磨产生的 ， 主 要为花岗岩材质， 对减水剂吸附性小， 在拌合物中发挥微 集料填充作用。 良好的工作性保证整体结构的均匀性和密 实性 ， 有益于后期强度性能及耐久性能的提高。 2 2 石屑 混凝土收缩性 能研 究 图 1 、 2 显示石屑混凝土体积收缩试验数据结果， 从试 验可知 ： 石屑混凝土体积收缩变化主要发生在 1 4 d 龄期 内， 体积收缩率占测试总龄期 9 0 以上， 之后体积变化趋 于平缓； 不同强度等级混凝土受石屑影响程度不同， C 3 0 等级受石 屑影响大 ， 6 0 d 收缩率增大 了 4 9 1 0 ， C 5 0等级 混凝土中石屑影响程度小于胶材， 收缩率差距较小； 使 用 占集料 2 的石粉对两个等级混凝土体积收缩具有改善 3 5 0 3 O O 2 2 5 0 2 0 0 1 5 0 嬖 l 0 0 5 O 0 2 褂 姆 1 4 龄期 d 图 1 C 3 0 石屑混凝土收缩性能 7 1 4 6 ( 龄期 ， d 图 2 C 5 0 石屑混凝土收缩性能 下转第 1 2 0页 l 1 5 姗姗瑚瑚 如o 【 9 韩宝国， 关新春， 欧进萍 两种表面活性剂对碳纤维的协调分散 作用分析 J 】 玻璃 冈 ， 复合材料， 2 0 0 4 ( 4 ) ： 1 4 1 7 【 1 O 】 海然， 潘洪科 碳纤维的分散工艺对水泥基材料力学性能的影 响【 J 1 中原工学院学报， 2 0 0 8 ， 1 9 ( 3 ) ： 1 - 3 1 1 】 沈荣熹， 王璋水， 崔玉忠 纤维增强水泥与纤维增强混凝土【 M 北京 ： 化学工业出版社， 2 0 0 6 【 l 2 1 李庆华， 徐世娘 超高韧性水泥基复合材料基本性能和结构应 用研究进展 J _ 工程力学学报， 2 0 0 9 ( 2 6 ) ： 2 3 6 7 【 1 3 L I V C D u r a b l e o v e r l a y s y s t e ms w i t h E n g i n e e r e d C e me n t i t i o u s C o m- p o s i t e s ( E C C ) 【 J 1 I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l f o r R e s t o r a t i o n o f B u i l d i n g s a n d M o n u m e n t s ， 2 0 0 3 ， 9 ( 2 ) ： 2 1 5 2 3 4 1 4 U Y G U N O ； L U T I n v e s t i g a t i o n o f m i e r o s t r u c t u r e a n d fl e x u r a l b e h a v i 0 r o f s t e e l - f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e J Ma t e r i al s a n d S t r u c t u r e s 。 2 0 0 8 。 4 1 ( 8 ) ： 1 4 4 1 1 449 上接第 1 0 5页 作用， 石粉减小 C 3 0 石屑混凝土与河砂混凝土的收缩率差距 至 6 1 0 r 6 ， 掺石粉的 C 5 0 混凝土后期收缩率优于河砂混凝土。 石屑颗粒亲水性和润滑作用不如河砂， 工作性不良产 生的毛细孔道引起体积收缩率略有上升 ， 通过掺入适 当比 例与母岩材质接近的石粉可改善石屑混凝土 的收缩性能。 石粉提高拌合物黏聚性 ， 石粉微颗粒与矿粉、 粉煤灰等活 性胶材形成连续颗粒级配。 根据吴中伟院士的“ 中心质假说” 理论分析 ， 适 当掺量 的石粉 ， 是对 “ 大中心质效应” 的优化 ， 通过 自己的“ 中心质效应 ” 将原本分散 的“ 大 中心质” 进行 链接 ， 小 的“ 中心质 ” 逐渐充斥于 “ 大 中心质 ” 中间 ， 不断优 化“ 中心质” 层次。 但不当比例的石粉也会破坏石屑混凝土 性能【 3 ， 因为有效 的“ 中心质效应” 叠加受破坏分解 。 2 3 石屑混凝土抗氯离子渗透性 传统观念认为高性能混凝土要高于 C 5 0 ， 而吴中伟院 士认为应扩大 G H P C的应用范围， 将底限降至 C 3 0 ， 本试 验也 考察 了 C 3 0和 C 5 0石屑混凝 土 的抗氯 离子 渗透性 能 ， 表 4试验结果表明 ： 中低 等级石 屑混凝 土电通量值接 近河砂混凝土为 1 8 4 3 C， 评价值达到“ 低” ； 精加工石屑在 高等级混凝土中的电通量值与河砂相当， 石粉可改善石屑 混凝土抗氯离子渗透性 ， 评价值达到“ 很低” 。 B o n a v e t t i 等 人 的研究结果表 明嗍 ， 在水胶 比较大的条件下 ， 一定范 围内 石粉含量的增加会降低结构的抗氯离子渗透性 ； 而对于较低 水胶 比条件下， 一定范围内石粉含量的增加会提高抗渗性。 表 4 石屑混凝土电通量值 C 合理搭配使用不同的工业废弃物可以保障石屑混凝土 的高耐久性， 石粉与粉煤灰 、 矿粉等掺合料进行复合叠加， 发挥性能互补作用 。 石粉通过形成成核场所 ， 致使 C S H凝 1 2 0 【 1 5 】 丁一亍， 刘思国 钢纤维自密实混凝土弯曲韧性和剪切韧性试 验研究 J 】 土木工程学报， 2 0 1 0 ， 4 3 ( 1 1 ) ： 5 5 6 3 【 1 6 D I N G Y， Z H A N G Y， T H O M A S A T h e i n v e s t i g a t i o n o n s t r e n g t h a n d fle x ur a l t o ug h he s s o f fib e r c o c k t a i l r e i n f o r c e d s e l f -c o mp a c t i n g h i g h p e rf o r ma n c e c o n c r e t e J 2 0 0 9 ， 2 3 ( 1 ) ： 4 4 8 4 5 2 【 1 7 】 薛会青， 邓宗才， 李建辉 P V A纤维水泥基复合材料的抗拉性能 及韧性研究 J 郑州大学学报： 工学版， 2 0 0 9 ， 3 0 ( I ) ： 9 2 9 5 作者简介 ： 联系地址 ： 联系电话 郑逢B ( 1 9 8 7 一 ) ， 男， 硕士研究生， 研究方向： 主要从事 纤维增强水泥基复合材料和高性能混凝土研究。 陕西省西安市南二环路中段长安大学交通科技大厦 5 0 1 室( 7 1 0 0 6 4 ) 1 58 2 9 2 0 6 77 2 胶汇聚结晶 ， 对水化 产物形成 “ 加速效应 ” 。 适量石 粉降低 石屑混凝土离析泌水的可能性 ， 石屑细颗粒对混凝土结构 的填充作用， 通过细化内部孔隙达到优化结构 ， 提高整体 密实性和抵御有害离子人侵。 使用石屑配制的高性能混凝 土能够抵御海水中有害物质侵蚀 ， 满足海洋环境工程要求。 3 结论 与展 望 ( 1 ) 本试验商 陛能混凝土配合比中石屑替代 7 0 河砂 ， 如将 石粉和矿物 掺合料 计算在 内 ， 工业废渣使 用量接 近 3 0 ， 满足 国家绿色环保生产要求。 ( 2 ) 合理配制 的石屑混凝土能够达到与纯河砂混凝土 接近的性能指标， 适量比例的石粉可以配制具有高工作性、 高强度和高耐久性指标 的石屑混凝土 ， 适应于海洋腐蚀环 境下工程要求 。 ( 3 ) 海洋环境友好型高性能混凝土不但适用 于氯盐侵 蚀环境的海港工程、 离岸工程、 跨海大桥等， 还可应用于寒 冷地区需撤除冰盐的路桥工程 、 盐碱地区工程等 ， 经济效 益显著， 具有广阔的应用前景。 参考文献： 【 1 】 吴中伟 高性能混凝土一 绿色混凝土 J J 混凝土与水泥制品 ， 2 0 0 0 ( 1 ) ： 3 - 6 I 2 】 谭世霖， 蒋学琴， 等 粉煤灰石屑混凝土的配制技术及性能研究 混凝土 ， 2 0 1 2 ( 9 ) ： 1 2 6 1 2 8 f 3 j3 蒋正武 ， 潘峰， 等 机制砂参数对混凝土性能的影响研究f J 混凝 土世界 ， 2 0 1 1 ( 2 6 ) ： 6 6 7 0 4 】 吴树敏， 杨医博， 等 石屑混凝土研究进展【 J J _ 建筑技术， 2 0 1 0 ， 4 1 ( 1 )： 6 7 7 0 作者简介 联系地址 联系电话 ： 陈吓敏( 1 9 8 5 一 ) ， 男， 硕士， 主要从事工业废渣资源化 利用及高性能混凝土研究。 厦门市翔安区马巷镇马头山路 1 2 号 翔通研发中心 ( 3 6 1 0 0 0 ) 1 47 5 9 7 93 7 4 0