石屑混凝土研究进展.pdf

第 4 1卷第 1期 2 0 1 0年 1月 Vo l _41 N o 1 J a n 2 01 0 建 筑 技 术 Ar c h i t e c t u r e T e c h n o l o 6 7 石屑混凝土研 究进展 吴树敏 ，杨医博l 2 ，彭怡欣 ，陈浩曼 ， 梁 松 ( 1 华南理工大学土木 与交通学院土木工程系 ， 5 1 0 6 4 0， 广 州；2 华南理工大学亚热带建筑科 学 国家重点实验室 ， 5 1 0 6 4 0 ， 广州) 摘要： 石屑作为代砂材料应用于混凝土具有现 实意义 ， 结合石屑与石屑混凝土 的性能特点， 阐述石屑混凝 土在实际工程中的应用及需注意的问题 ， 并探讨石屑混凝土的研究成果与不足， 提出今后需要研究 的方向。 关键词： 石屑 ； 河砂 ； 混凝土 ； 石粉 中图分类号 ： T U 5 2 8 文献标识码： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 7 2 6 ( 2 0 1 0 ) 0 1 0 0 6 7 0 4 RES EARCH AND DEVELOPM匝NT oF CHI P CONCRETE W U Sh u rai n ，YANG Yi b o -_ ，PENG Yi x i n ，CHEN Hao ma n ，L I ANG Son g ( 1 D e p a r t m e n t o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d T r an s p o r t a t i o n o f S o u t h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，5 1 0 64 0 ， Gu a n g z h o u，C h i n a ；2 T h e S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f S u b t r o p i c a l Ar c h i t e c t u r e S c i e n c e i n S o u t h Ch i n a Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，5 1 0 6 4 0 ，G u a n g z h o u ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：Ap p l i c a t i o n o f s t o n e c hi p a s a s u b s t i t u t e o f s a n d i n c o n c r e t e h a s p r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e W i t h c o n s i d e r a t i o n o f p r o p e r t y c h a r a c t e r i s t i c s o f s t o n e c h i p s a n d c h i p c o n c r e t e ， t h i s p a p e r e x p o u n d s p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n o f c h i p c o n c r e t e i n p r o j e c t s a n d r e l e v a n t i mp o r t a n t p o i n t s R e s e a r c h a c h i e v e me n t s a n d d e f i c i e n c y o f c h i p c o n c r e t e a r e d i s c u s s e d a n d r e s e a r c h d i r e c t i o n i n t h e f u t u r e i s p u t f o r wa r d Ke y wo r d s ：s t o n e c h i p ；fiv e r s a n d ；c o n c r e t e ；s t o n e p o wd e r 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 ， 天然河砂资源 目渐枯竭， 而且天然河砂的质量也 越来越差。据信息时报报道I I j ， 广东建设市场年河砂需 求量都在1 亿m 以上 ， 而多数河道 的年来砂量呈逐年下 降 趋 势 ，主要 河道 年 河砂 沉 积量 只 有 1 4 0 0 多万m 。 ， 有 些河段近2 0 年 的采砂 量相 当于 1 1 5 年 的河砂 沉积 量 。 来 自广东省水利厅 的调查表明2 1 ， 广东建筑市场年需砂量 逾亿m ， 年 出口到 曰本 、 台湾 、 香 港的河砂量 1 0 0 0 万 m ， 而省内主要河流年采砂量只有2 0 0 0 万m 。与巨大 缺口形成鲜明对比的是，珠三角许多河段已基本无砂 可 采 ， 大量 采砂船 蜂拥 北江 采砂 ， 致使 河砂价 格从 上 世 纪9 0 年 代 的每m 仅 2 3 元 ，一路 涨 至现 在 的每 m 几十 元 。 在河 砂 的代用 品方面 ，一 个选择 是 采用海 砂或 山 砂 ， 另一个选择是石屑。 但海砂必须进行冲洗以降低氯 离子含量 ， 若不采取措施而直接使用 ， 会对建筑物的寿 命造成严重影响。 而山砂的资源较少， 出于环境保护的 收稿 日期 ： 2 0 0 9 0 9 1 5 作者简介：吴树敏 ( 1 9 8 7 一 ) ，男 ， 广东廉 江人 ， e m a i l ：d a t o u p a n d a 1 6 3 c o m 目的， 也不宜作为替代河砂的主要途径。 石屑是采石场 在机械加工碎石的过程 中产生的副产品，它作为采石 场的废弃物 ， 既占用场地又污染环境 ， 将石屑用于混凝 土中取代河砂 ， 既可充分利用社会资源 ， 也可减少对河 砂的需求量 ， 减少过度采砂对河道 的危害， 具有很高的 经济和社会效益。本文主要阐述石屑混凝土的研究和 应用现状 ， 以期能推进石屑在混凝土中的应用。 1 石屑的性能 石屑 ， 是碎石 生产 中的副产品 ， 粒径一般在5 m m 以下 ， 并含有大量粒径小于0 1 6 m m的石粉。 郑丽丹嘲 对水柏铁路采用的石屑混凝土中的石屑 进行了分析， 实验结果如表1 和表2 所示。 从表1 中看 出， 与人工砂相 比， 该石屑 中含有较多 的粒径小于0 1 6 mm的石粉，但其空隙率小于人工砂， 表 1石屑 与 人 工 中砂 的 物理 指 标 细骨料 表观密度 密度 空隙率 含 泥量 石粉含量 细度 ( k g m。 ) ( k g m ) 模数 石 屑 l 4 8 0 2 7 3 0 4 6 0 1 6 2 2 3 3 O 人工中砂 l 3 3 0 2 5 8 0 4 8 5 1 O 2 5 _ 2 2 - 3 0 表 2 石屑的化学成分表 成份 S i 0 2 A1 2 0 3 F e 2 0 3 C a 0 Mg O C 1 硫 化物 含量 8 2 3 1 0 2 0 5 2 3 6 5 4 i 1 4 9 O O 1 0 4 2 6 8 建筑技术 第 4 1卷第 1期 颗 粒级 配 良好 ；石 屑 中 主要 的 化学 成份 为S i O ： ， C a O， A 1 ： O ， 和Mg 0 等 ， 与其母岩相同， 但由于各采石场的岩石 种类和碎石生产工艺有差异 ，不同采石场生产的石屑 在性 能 上存在 一定差 异 。 2 石屑混凝土的-陛能特点 2 1工作性 能 由于石屑 中含 有大量 的石粉 ，导致 混凝 土的需 水 率增大 ， 同时 ， 石屑外形颗粒粗糙 、 多棱角， 影响混凝土 的流动性 。但通过加入减水剂 ，便可有效改善其流动 性 。 外国学者P e d r o N e l Q u i r o g a E 研究了不同种类机制 砂对混凝土流动性的影响 ， 结果表明 ， 不同级配的机制 砂对混凝土坍落度有很大影响 ，坍落度最高的差别可 达到 1 7 5 m m。 在达到特定的坍落度时 ，减水剂用量随石粉含量 的增加而增大。在混凝土中， 达到特定坍落度时 ， 掺有 1 5 花岗岩质石粉细集料配制的混凝土，所用的减水 剂用量 ， 是无石粉细集料的1 5 2 5 倍。 此 外 石 屑 含 有大 量 的细 粉 ， 补 充 了 混凝 土 的细 颗粒 ， 使混凝土拌合物浆体量增加 ， 从而使混凝土的 保水性和粘聚力增强 ， 泌水性减少 ， 可改善混凝土的 和 易性 f 5 l 。 2 2力学性 能 混凝土 的抗压强度 是混凝 土的重要 力学性能指 标 ， 国内研究普遍表明， 石屑混凝土采用普通混凝土的 配合比 ， 可满足国家标准对强度的要求。 部分学者的研究表明， 同配合比的石屑混凝土与 普通混凝土比较 ，立方体抗压强度及 轴心抗压强度 均略有提高 。但不同的学者对其强度提高机理 的解 释不同。安文汉等人认为I 6 l ， 石屑中的石粉使得浆体 量增加 ， 混凝土的保水性 良好 ， 减 少了 自由水在界面 上聚集 ， 有利于浆集料界面的改善。一部分研究人员 认 为 l 7 I ， 石 粉 增 强 了 混 凝 土 的 密 实 性 ， 改 善 了 混 凝 土 的空隙结构 ， 且 由于石屑 表面粗 糙 ， 带有尖锐棱 角 ， 使得集料 与浆体 的粘结力得到增强 ，也有利于界面 的改善 。 应当注意的是 ， 有研究表明， 单纯石屑混凝土 ( 不 与砂混合)受压破坏呈块状不规则破坏 ，即 “ 脆性破 坏 ” 【 8 l 。 研究表明 ，石屑混凝土的弹性模量也达到了规范 要求。舒传谦等人认为 9 1 ， 在保持相 同水灰比和水泥用 量的条件下，人工砂混凝土的弹性模量高于普通混凝 土 ， 但当石粉含量或砂率过高时 ， 由于削弱骨料的骨架 作 用 ， 也可 能降低 弹性 模量 。 2 3耐久 性 在钢筋锈蚀性能方面 ， 钟桂辉等人( 0 1 通过两种试 验方法进行了研究 ， 结果表明， 石屑混凝土中钢筋锈蚀 性能与同强度等级的普通混凝土相当。 在抗冻 、 抗渗性能方面 ， 目前普遍认为石屑混凝 土优于普通混凝土 。而且 ， 在一定范 围内 ， 石粉含量 越 高 ， 混 凝 土 的抗 冻 性 能 越 好 。B o n a v e t t i 等 人I l 】 】 的研 究表明 ， 在较大水灰比 的条件 下 ， 石粉含量增加会降 低抗渗性 ； 对于较小 的水胶比 ， 石粉含量的增加会提 高抗渗性。 华 卫兵l l 2 l指出 ： 抗冻 、 抗渗性能的提高主要 原因是石 屑中的石粉增强了混凝土的密实性 ，堵塞 了 混 凝 土 的毛 细 孔 ， 使 混 凝 土 孔 隙 细化 ， 因而 优 化 了 混凝土的内部结构。 2 4 体 积稳 定性 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， 施工过程中应对石屑混凝土加强早期养护。 其可 能的原 因是 ： ( 1 ) 部分水被石屑吸收 ， 这部分水的蒸发 将增大混凝土收缩 ； ( 2 ) 石屑中的细颗粒坚 固性劣于天 然砂 从 而增大 混凝 土收缩 。 另一部分资料则显示 5 1 ， 石屑混凝土收缩率随龄期 的发展规律与普通混凝土相似 ，且收缩与普通混凝土 相 当； 当石屑中的石粉含量较高时， 石屑混凝土收缩变 形比普通混凝土略大，但收缩率均在混凝土正常范 围 内 。 T a h i r C e l i k 等人认 3 1 ， 石粉 含量 在 1 0 以下时 ， 干 缩随石粉含量的增加而增加 ， 石粉含量超过1 0 时 ， 干 缩应变减小 。这与抗压强度有关， 强度越高 ， 干缩率就 越大 。 吴明威 4 1 研究了机制砂 中小于0 0 8 m m石粉含量 对干缩性能的影响 ， 结果表明 ： 随石粉含量( 2 ， 4 ， 6 ) 的增加 ， 收缩呈下降趋势 ， 并且比河砂混凝土的收 缩值 小 。 综上所述 ， 石屑混凝土强度可满足要求， 耐久性与 普通混凝土相近 ， 虽然其工作性能有可能降低 ， 但通过 加入少量减水剂可改善这一问题。 总的来说 ， 石屑混凝 土在技术上是可行的。 3 石屑混凝 土在 实际工程 中的应用和 应注意 的问题 在香港 ， 7 0 至8 0 年代建筑业最发达时期， 石屑混凝 土应用非常普遍。香港几个大型工程均有应用石屑混 凝土 ， 如香港赤腊角机场 、 沙 田新城市广场 、 路政处的 八号干线荔枝角高架路段等 ， 此外政府建筑处 、 九广铁 路工程 、私人公司参与的居屋计划都用了石屑混凝土 2 0 1 0 年 1 月 吴树敏 ， 等 ： 石屑混凝土研究进展 6 9 1 5 1 。而且 ， 在预 制件 方面 ， 石屑 混凝 土也得 以应 用 。 香港 西部铁路预制件工程采用C 5 0 石屑混凝土 ， 效果 良好 ， 累计供应混凝土近2 0 0 0 0 m ， 使用石屑8 5 0 0 余m 。 ， 并节 省了碱骨料分析测试的费用，表明这类预制件混凝土 完全可进行商品化生产t 垌 。 内地也有不少成功的工程应用实例。比如北京市 森德散热器厂厂房工程 使用石屑混凝土部位为地面 混凝土和地面基层混凝土， 设计强度等级为C 1 0 ， C 1 5 ， C 2 0 ， 使用混凝土近3 0 0 0 m 。 混凝土和易性能满足不同 施工要求， 强度达到设计要求 ， 且质量稳定。又如北京 市甘家 口危改小区4 号楼工程 ，建筑面积1 1 2 7 0 m 2 ， 地 上9 层， 地下1 层， 全现浇剪力墙结构， 3 层以上为C 2 5 混 凝土 ， 6 层以上使用的是石屑混凝土 ，使用部位包括墙 体 、 顶板 、 楼梯、 阳台、 悬臂梁等全部混凝 土结树 。抚 顺北方建设有限责任公司采用5 0 的石屑代砂应用于 钢筋混凝土排水管的生产 ，混凝土排水管强度及抗渗 性能提高 ， 收缩小 ， 硬化后未出现收缩裂纹 该单位将 石屑混凝土在钢筋混凝土排水管中广泛应用，并批量 生产 。 在实际运用中， 需注意一些问题 ： 石屑混凝土棱角 较多， 表面粗糙 ， 颗粒级配劣于河砂 ， 在使用时应注意 级配的调整 或将河砂与不同石屑混合使用： 由于石屑 混凝土需水量偏大且坍落度经时损失较大 ，所以在配 合 比设计 中合理 应 用外加 剂 ，以改 善石 屑混凝 土 的和 易性 ； 石 屑混凝 土 的石粉含 量 、 砂率对 石屑 混凝 土 的干 缩性能影响比较大 ， 尤其早期干缩值大 ， 并且石粉含量 及作用机理的研究尚未完善，因此宜适当控制石粉含 量 ， 并加强早期湿水养护 ； 有些石屑中含有石英 ， 所以 应用之前， 需对其进行碱一 骨料 反应测试 ， 以防止混凝 土产生碱骨料破坏 。 4 石屑混凝土研究与应用 中存在的 问题 4 1石屑混 凝土研 究 现状 与不足 4 1 1石粉对 石屑 混凝 土的影 响 对于石粉的影响研究 ，主要集中在石粉的活性和 石粉 的最佳 含量 研究 两个方 面 。 对石粉的活性 ， 各类研究之间存在差异 。 部分研究 人员认为 ， 石粉不具有活性 ， 仅担当惰性填充剂。也有 部分学者认为， 石粉含有大量的S i O ： ， C a O， A 1 ： O ， 等活性 化学成分， 易形成坚硬的铝硅酸钙和碳酸氢钙 1 8 】 。 胡海 琳等人认为 ， 若母岩为花岗岩 ， 其石粉如 同惰性掺和 料， 与混凝土中的水泥不起化学反应 ， 但可改善混凝土 的和易性 ； 若母岩为石灰石型 ， 则石粉中的碳酸钙可起 到增强作用 ， 特别是在混凝土的早期， 其早强作用更显 著 。 对石粉的最佳含量问题 ，不同研究者也存在较大 分歧 。 李拖福等学者认为【 l9 1 ， 应严格控制石屑中的石粉 含量在5 范围以内。有国外学者认为 ， 石粉含量对 混凝土的强度影响与水灰比有较大关系。对于石粉含 量介于1 0 2 0 的机制砂混凝土 ， 水灰比为0 7 O 时 ， 混 凝土抗压强度随石粉含量增加而增加 ；水灰比为0 5 3 时 ， 抗压强度对石粉含量的变化不敏感 ； 对于以0 4 0 水 灰比配制的混凝土 ，石粉含量为1 0 时 ，强度上升最 高 ， 之后强度随石粉含量的增加而降低 ， 石粉含量2 0 时 ， 强度降到与天然砂混凝土相同。 也有研究者认为 ，对石屑中石粉的最佳含量及上 下限影响最大 的可能是石屑的级配 ，包括细度模数 、 0 1 6 m m以上和O 1 6 mm以下颗粒组成 ，特别是0 1 6 m m 以下颗粒的组成对石粉含量可能有较大影响。比如粗 石屑和细石屑 ， 其最佳石粉含量就可能不相 同， 同样的 在0 1 6 mm以下颗粒中 ， 0 0 8 m m颗粒 占大多数与0 0 8 0 1 6 m m之 间颗粒 占大 多数两 种情 况 下 ， 石 屑 的最佳 石 粉 含 量 也 可 能 不 一 样 ；其 次 是 石 屑 的 形 态 ，包 括 0 1 6 m m以 上 和0 1 6 m iT l 以下 颗粒 的形 态 ，特 别 是 O 1 6 mm以下颗粒的形态 ， 比如形态为圆形或方形与棱 形相比 ， 其最佳石粉含量就可能不一样。 作者认为， 对于石粉含量问题 ， 出现较大分歧的原 因在于各地采石场石屑的性质差异太大。 因此 ， 应该根 据石屑本身特性进行一定试验，以确定最有利石粉含 量 。 4 1 2 石 屑在 高 强混凝 土 中的应 用 高强混凝土本身有很多优点，如能满足特定环境 条件下所需的高弹性模量、低渗透性和具有抵抗环境 侵蚀介质破坏能力的要求 ，具有比普通混凝土长得多 的寿命 。 随着经济的发展 ， 高性能混凝土的应用将更为 广 泛 。 目前在研究和实际工程中 ， 强度等级高于C 6 0 的 石 屑混凝 土很 少 ， C 6 0 以上 的石 屑混 凝土 的理论 研 究也较少。这主要是 由于 ： ( 1 ) 对 于配制高强混凝土 的敏感因素 ( 如砂 率、石粉含量等 )以及其作用机 理 ， 研究并不深入 ， 对C 6 0 以上混凝 土的配合 比研究 探 索甚少 ； ( 2 ) 根 据国家标准 的规 定 ， 配制强度等级 大 于C 6 0 的混凝 土 ，宜采用石粉 含量小 于3 的I 类 砂 ，但石屑 的生产过程 中产生的石粉 往往 高于此限 值 ， 而对石 屑进行水洗处理成 本较 高 ， 且造成污染 ， 高强石屑混凝土的应用受到现 有标准 的制约 而难 以 推 广 ； ( 3 ) 在 高强混凝土 中 ， 由于本 身胶凝材 料用量 较大 ，过量 的石粉和级 配较差 的石屑将 导致混凝土 7 0 建筑技术 第 4 l 卷第 1 期 的工作性能变差。 因此 ，鉴于高强混凝土的高效益及 目前石屑混凝 土在该领域的研究较为初步 ，石屑作为细集料在C 6 0 以 上混凝 土中 的应用 与研究 是相 当有价值 的 。 4 2 石 屑混 凝土 的研 究方 向 ( 1 )统一石屑应用标准和规范 。由于石屑的来源 不同， 各种石屑性能相差较大 。 从而导致不同研究者对 同一问题存在分歧 ， 也为应用带来了困难 ， 因此 ， 有必 要制定一套统一的石屑应用标准和规范。 ( 2 )加强微观机理分析。机理分析是石屑混凝土 研究的一项重点，同时也是难点，目前研究还不够深 入 ， 且研究结果存在分歧 。 ( 3 )加强对石粉含量及活性的研究。对于石粉的 活性认识以及石粉的适宜含量问题 ，目前存在较大的 争议 ， 需做进一步的试验研究。 ( 4 )开展石 屑混凝 土 的耐久性 研究 。石屑 混凝 土 的耐久性方面 ， 目前研究较少。 随着对建筑物耐久寿命 的逐步重视， 应加强这一方面的工作， 以便能促进其应 用。在 目前阶段 ， 可先着重开展收缩、 碳化以及钢筋锈 蚀等方面的研究工作。 5 结语 在河砂紧缺的形势下， 寻找代砂材料相 当必要。 将 石屑代砂应用于混凝土，有很好的社会效益和经济效 益 ， 并且可以保护环境 ， 是一种理想 的代砂材料。 研究表明 ，石屑混凝土的应用在技术和经济上是 可行的， 考虑到其经济及环保方面的优越性， 应大力发 展 石屑混 凝土这 一新 材料 。 参考文献 【 1 】 黄 熙灯 ，奥水婷 2 0 年采砂透支百年沉积量广东出台严打 重大举措 N 信息时报 ， 2 0 0 8 5 3 2 】 左左 滥 采砂2 0 年掏空 几条母 亲河 N 金羊网一 羊城 晚报 ， 2 o 0 8 3 1 5 【 3 】 郑丽 丹 石屑 代砂在混凝 土工程 中 的应用 J 路基 工程 ， 2 0 0 5 ( 4 ) ： 4 6 4 8 4 P N Q u i r o g a T h e E f f e c t o f t h e A g g r e g a t e s C h a r a c t e r i s t i c s o n t h e P e rf o r ma n c e o f P o r t l and C e m e n t C o n c r e t e【 D I P h D Di s s e r t a t i o n ， Un i v e r s i t y of T e x a s a t Au s t i n ， 2 0 0 3 f 5 】 黄春文 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8 2 0 陈清志 ， 崔冕昌 石屑代砂配置C 5 0 预制件商品混凝土 J 】 铁道建筑 技术 ， 2 0 0 3 ( 1 ) ： 5 0 - 5 2 陈家珑 机 制石屑砂及其在普通混凝土 中的应用研究【 J 】 建筑技术 开发 ， 1 9 9 9 2 6 ( 1 ) ： 4 0 - 4 2 张 日恒 ， 苏敬军 石 屑代河砂配制混凝 土的试验与研 究J 】 山西建 筑 ， 2 o o 7， 3 3 ( 9 ) ： 1 7 4 1 7 5 李拖 福 ， 严亚 光 石 屑在混凝 土中 的应用f J 1 山 西建筑 ， 1 9 8 9 ( 2 ) ： 2 7 - 2 9 蔡基 伟 石粉对机 制砂 混凝土性能的影响及机理研究【 D 】 武汉 ： 武 汉理工大学。 2 0 0 6