高强石屑混凝土的试验研究.pdf

2 0 1 0 年 第 3期 (总 第 2 4 5 期 ) Nu mb e r 3 i n 2 0 1 0 ( T o t a l No 2 4 5 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 原材料及辅助物料 M_ATERI AL AND ADMDCLE d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 0 0 3 0 2 7 高强石屑混凝土的试验研究 欧伟豪。 ，杨医博。 一 ，郑炜望a ，李剑帅 。郭文瑛 ( 华南理工大学 a 土木工程系；b 亚热带建筑科学国家重点实验室，广东 广州 5 1 0 6 4 0 ) 摘要： 以广州西塔 C 9 0 高强河砂混凝土配合比为高强石屑混凝土配合比的设计基准， 采用石屑取代 5 0 河砂、 提高减水剂和胶凝材 料用量的方法， 制备出C 8 0 高强石屑混凝土。通过强度试验分析得 ： 在同样水胶比下， 为使石屑混凝土具有与河砂混凝土相同的高流动 性， 石屑混凝土的强度要较河砂混凝土低 3 个等级以上。 为降低混凝土成本， 应选择优质石屑， 石屑的颗粒级配应尽量满足要求， 且石粉含 量和大于4 7 5 m lT l 的颗粒含量应较低， 石屑的强度应较高。同时不宜采用石屑全取代河砂的方式， 石屑的取代量宜为 5 0 2 右。 关键词 ： 石 屑；高强混凝土 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 0 ) 0 3 0 0 8 9 0 3 E xpe r i m e nt a l s t u dy o f h i g h s t r eng t h r o c k c hi ps c on cr e t e OUWe i - h a o ， Y A NG Y i - b o a ,b Z HE NG We i -j u n LL I J i a n - s h u a i , GU O We n - y in g ( a De p a r t me n t o f C i v i l E n g i n e e r i n g ； b S t a t e Ke yL a b o r a t o r yo 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 ， S o u t hC h i n a Un i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y 。 G u a n g z h o u 5 1 0 6 4 0 ， Ch i n a ) Ab s t r a c t ： I n t h i s e x p e r i me n t ， u s i n g the Gu a n g z h o u We s t T o we r C 9 0 h i gh s t r e n g t h ri v e r s a n d c o n c r e mi x p r o p o r t i o n a s the b a s i s o f h i g l 1 s e n g t h r o c k c h i p s c o n c r e t e mi x p r o p o r t i o n ， C 8 0 h i gh s t r e n g t h r o c k c h i p s c o n c r e t e we r e p r e p a r e d b y u s i n g r o c k c h i p s t o r epl a c e 5 0 o f the riv e r s a n d， i mp r o v ing wa t e r - r e d u c ing a g e n t a n d c e me n t i t i o u s ma t e ria l s Th e r e s ul t s h o we d t ha t ， a t t h e s a me wa t e r - b ind e r r a t i o， t h e s tre n g t h o fr ock c h i p s c o n c r e t e i s l o we r than t h e riv e r s a n d c o n c r e t e f o r mo r e t h a n t h r e e g r a d e s wi t h the s a me wo r k a b i l i t y I n o r d e r t o r e d u c e t h e c o s t o fr ock c h i p s c o n c r e t e， the h i gh q u a l i t y r o c k c h i p s i s n e c e s s a r y Th e p a r t i c l e s i z e d i s t r i b u t i o n o f r o c k c hip s s ho ul d b e me e t the r e q u i r e me n t s o f r i v e r s a n d s t a rt- d a r d ， me p a r t i c l e c o n t e n t o f fi n e than O 0 7 5 mm and g r e a t e r than 4 ： 7 5 mm s h o u ld b e l o w e r ， and the tr e n g t h o f s t o n e c h i p s s h o u l d b e hig h e r Us i n g mc k c h i p s t o r e p l a c e 5 0 o f t h e fi ve r s and i s s u i t a b l e Ke y w o r ds ： r o c k c h i ps ； h i g h s treng t h c o n c r e t e 0 引言 随着社会经济快速发展， 各类建筑工程 日益增多， 建筑材 料的需求量也与日 俱增。目 前建筑用砂主要是河砂， 由于河砂 资源分布不均， 加之多年的过度采挖 ， 河砂早已供不应求， 价格 不断上涨， 而质量则明显下降。几年前市场上采购到的河砂 ， 含 泥量一般在 3 左右， 现在已升至 5 甚至更高 1 。因此， 寻找合 适的河砂替代品成为当务之急。 石屑是采石场在机械加工碎石过程中形成的副产品， 按照 国家标准 G B T 1 4 6 8 4 -2 0 0 1 ( 建筑用砂 ， 石屑可划分为人工砂， 是一种可能的河砂替代材料。 近年来， 国内对石屑混凝土的研究越来越多， 也取得了一些 成果。如广东航盛公司已将石屑用到混凝土预制件生产上1 】 。在 一 些国家重点工程项目也有成功使用石屑混凝土的实例。如在 水柏铁路工程中， 郑丽丹等人用石屑取代 5 0 的河砂配制 C 3 0 混凝土， 其抗渗性能达到 P 1 2 ， 抗冻性能远高于普通混凝土目 。香 港西部铁路工程采用了C 5 0 石屑混凝土制作预制铁路梁 ， 其工 作性能均通过较国内规范要求标准更高的英国标准BS 8 8 2 。 但是， 目前石屑在混凝土中的研究和应用仍停留在中低强 度混凝土上， 国内用于工程的石屑混凝土最高强度等级为 C 5 0 ， 在更高强度石屑混凝土的研究则未见报道。为研讨石屑用于高 强混凝土的可行性 ， 进行了专门的试验研究。 1 试验原材料 ( 1 ) 水泥， 广州市珠江水泥有限公司产粤秀牌 P O 4 2 5 级 水泥( 旋窑) 。 ( 2 ) 矿渣微粉， 产地江门， 比表面积 4 0 0 m2 k g 。 ( 3 ) 硅灰， 北京江汉科技有限公司产硅灰， 比表面积1 9 2 0 0 m2 k g o ( 4 ) 河砂， 广东西江河砂 ， 细度模数 2 8 8 ， 区中砂。 ( 5 ) 石屑， 花岗岩石场尾料 ， 细度模数 2 4 8 。由于石屑中粒 径大于 4 7 5 m m颗粒所占比例较大， 整体级配不良。河砂与石 屑筛分结果与基本物理性能对比见表 1 、 2 。 由表 1 可知， 石屑中大于 4 7 5 m n的颗粒和小于 0 1 5 mi l l 的颗粒含量均较大 ， 中间颗粒较少， 整体级配不连续， 达不到级 配规定要求。即便将石屑中大于4 7 5 n L r n的颗粒去除， 石屑砂 的级配仍不能满足级配要求。 由表 2可知， 石屑中石粉含量高达 1 6 4 ， 这部分颗粒比表 面积大、 吸水性强， 会降低混凝土的流动性； 且石屑原母材为花 收稿 日期 ：2 0 0 9 1 0 1 8 基金项目：华南理工大学2 0 0 7 2 0 0 8 年度学生研究计划“ 石屑混凝士的研究” 和“ 石屑性能分析研究” 8 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表1 砂和石屑累计筛余试验结果 岗岩， 没有活性 ， 不能通过二次水化作用提高混凝土强度。因 此， 本试验用石屑可能会对混凝土的强度和流动性有负面影响。 ( 6 ) 粗骨料， 采用广州增城产花岗岩碎石， 分为 5 1 0 ml l 、 l 0 2 0m ,m两级( 下文表格均以石 1 、 石 2 表示) ， 实测含水率0 0 5 。 经试验确定其最佳搭配合比例为 3 ： 7 。 ( 7 ) 减水剂采用 3种 ， 江苏博特新材料有限公司产博特 J M P C A( I ) 聚羧酸超塑化剂， 减水率 3 5 ， 固含量 2 1 2 ； 广东 柯杰外加剂有限公司产科杰 J S系列聚羧酸高效减水剂， 减 水率 4 0 ,4 ， 固含量 2 0 ； 广州西卡建筑材料有限公司产西卡3 3 5 0 系列聚羧酸高效减水剂， 减水率 3 5 ， 固含量 1 8 。 丢 看 手4 _7 5 m m 颗 粒 后 的 细 集 料。 ( 8 ) 水： 采用自 来水。 表 2 砂和石屑基本物理性能参数 2 试验 方法 2 1 混凝土性能要求 考虑到高强混凝土施工时一般要求具有较高的流动性以 满足泵送要求， 因此石屑混凝土设计 目标为： 强度等级 C 8 0以 上， 坍落度 2 2 0 2 6 0m I l ， 坍落扩展度 5 0 0 ,- ,6 0 0 re i n 。 2 2混凝 土配合 比初 选 由于国内对高强石屑混凝土的研究甚少， 试验中参考广州 西塔工程 C 9 0 河砂泵送混凝土配合比嗍 ， 该配合比 所用原材料 与本试验的基本相同， 但其采用的水泥强度为 5 2 5 R ， 比本试验 水泥高出一个强度等级， 因而设定混凝土基准配合比的水胶比 由原配合比的O 2 3 降低至 O 2 O 。 初步选择的混凝土配合比 参数 如表 3 。 表 3 初步选择的混凝土配合比参数 表 3中砂率为河砂与石屑总质量与粗细集料总质量之比， 实际石屑混凝土中砂率会因石屑中存在部分大于4 7 5 mi l l 颗粒 而有所下降。胶凝材料中水泥与矿渣、 硅灰之比固定为 7 5 ： 2 0 ： 5 。 试验需水量在称量时已计人减水剂中水的质量， 而减水剂掺量 以胶凝材料质量百分比计算。 2 3 混凝土制备方法 制备混凝土时， 选用单卧轴强制式搅拌机搅拌 ， 预先将称 好的减水剂与水混合， 加料顺序为骨料、 胶凝材料、 水和减水剂 混合溶液， 搅拌时间为 3 mi n 。 搅拌完成后依次进行混凝土坍落度 、 扩展度和湿表观密度 试验。工作性能满足要求后， 成型 1 5 0 mm立方体强度试件， 标 准养护后， 测试 3 、 7 、 2 8 d 抗压强度和 2 8 d劈裂强度。 2 4 试验 内容 ( 1 ) 在初选配合比的基础上 ， 采用 3种减水剂进行河砂混 凝土对比试验， 选取与胶凝材料相容性最佳的减水剂。 ( 2 ) 进行石屑全取代河砂高强混凝土试验， 在满足初定流 动性要求下， 得出石屑混凝土的配合比参数。 ( 3 ) 进行不同石屑取代河砂百分率的石屑混凝土试验， 根 据混凝土和易性和强度试验结果 ， 确定最佳取代率、 水胶比等， 得出优选的高强石屑混凝土配合比。 3 试验结果与分析 3 1 减水剂优 选试验 对 3 种减水剂， 配合比均取表 3 参数 ， 通过调整减水剂掺 量 ， 使每组河砂混凝土满足坍落度 2 2 0 2 6 0 mm的初定要求， 试 验结果见表 4 。 表 4 减水剂优选试验结果 编号 减水剂品种 减水剂掺量 坍落度 n u n 2 8 d 抗压强度 MP a 由表4可见， 博特和西卡两种减水剂均需高达 8 减水剂掺 量才能满足初定流动性要求， 而科杰减水剂在达到同样混凝土 坍落度时的掺量只需要 3 。 这是由于科杰减水剂是专供西塔工 程用的减水剂， 而另外两种减水剂为市售常规产品， 其未针对低 水胶比混凝土进行优化所致。后续试验均采用科杰减水剂。 3 2 石屑全取代河砂 高强混凝土试验 首先进行了石屑全取代河砂高强混凝土的研究 ， 混凝土配 合比及性能见表 5 。 表5 石屑全取代河砂高强混凝土配合比及性能 9O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 对比表5中H S 1 和 S X1 可见， 在不改变其他材料用量的情 况下， 以石屑全部取代河砂后， 混凝土工作性能大幅降低 ， 混凝 土无流动J陛。 为使混凝土工作性能达到要求， 从增加减水剂掺量和胶凝 材料用量两个方面调整配合比。 在增加胶凝材料用量的同时等 质量减少骨料用量 ， 骨料各组分等比例减少， 保持混凝土砂率 不变 。 由表 5可见， 增加减水剂掺量和胶凝材料用量均可明显提 高石屑高强混凝土的工作性能。减水剂掺量增加到 4 5 ， 胶凝 材料量增加到 8 0 0 k g m 时， 混凝土工作性能能够满足要求。 另外 ， 从表 5中强度结果可知， 石屑混凝土强度较河砂混 凝土大幅降低。河砂混凝土强度可达到 C 9 5 ， 而石屑混凝土最 高只能达到C 6 5 。究其原因， 一是石屑整体级配不良， 石屑中粒 径大于4 7 5 mi l l 的石屑石含量高达 1 6 2 ， 而粒径少于 0 0 7 5 m l n 的细石粉也有 1 1 4 。 试验时将石屑等质量代替砂 ， 实际上代换 成砂的只有石屑质量的 7 2 4 ， 这导致有效砂率下降； 同时石屑 的掺人打破了粗骨料3 ：7的原始密实搭配， 降低混凝土的密实度； 二是石屑是岩石破碎的副产品， 其本身的强度可能较低。为达 到 C 8 0混凝土的强度要求， 需进一步降低水胶比。 3 3 石屑部分取代河砂高强混凝土试验 降低混凝土水胶比至0 1 9 ，石屑取代量分别取 1 0 0 、 7 5 、 5 0 、 2 5 和 0 。改变石屑取代率时， 保持石屑和砂总质量 占骨 料总质量的 4 0 不变 ， 由于石屑中含有部分大于 4 7 5 m i l l 的颗 粒， 混凝土的实际砂率有所改变； 降低水胶比时， 只减少水的用 量， 而其他材料用量不变。混凝土配合比见表 6 ， 混凝土性能见 表 7 。 表 6 石屑部分 取代河砂高强混凝土配合比 从表 7可见 ， 在水胶比为 0 1 9时， 随着石屑取代河砂量的 降低 ， 混凝土工作性能有增加的趋势， 且当石屑取代量为 5 0 和2 5 时， 混凝土工作性能有较明显改善； 当石屑取代量为7 5 、 5 0 和 2 5 时， 混凝土3 d 抗压强度较石屑全取代河砂混凝土强 度有明显提高 ， 但混凝土 2 8 d的抗压强度差异不大， 混凝土的 2 8 d劈裂抗拉强度差异也不大。 石屑取代 5 0 河砂的石屑混凝 土能够满足 C 8 0混凝土强度要求 ， 但仍远低于河砂混凝土的强 度， 这与中低强度混凝土中石屑可提高混凝土抗压强度的结论 不同 。 通过上述试验， 优选的C 8 0高强石屑混凝土配合比见表 8 。 表8 高强石屑混凝土最优配合比参数 相对同强度等级的河砂混凝土而言， 石屑混凝土的水胶比 较低、 胶凝材料和减水剂用量较高， 相应混凝土成本较高。为降 低石屑高强混凝土的成本， 应选择优质石屑， 石屑的颗粒级配 应尽量满足河砂标准要求 ， 且石粉含量和大于 4 7 5 l r l i n的颗粒 含量应较低， 石屑的强度应较高； 且不宜采用石屑全取代河砂 的方式， 石屑的取代量宜为 5 0 左右。 从生产工艺上说 ， 石屑是碎石的副产品， 是性能不满足标准 要求的人工砂。 在众多河砂取代品中， 机制砂的整体级配与强度均 较石屑好， 是比较理想的取代品； 且机制砂在高强度方面的研究也 较石屑的成熟， 曾有学者采用 0 2 5 水胶比配制出C 8 0高强机制砂 混凝土 ) 。随着河砂资源的日 渐减少， 机制砂的普及与应用是大势 所趋， 但目 前由于价格等因素的制约， 石屑这种副产品仍有发展应 用空间， 但需要进一步提高石屑质量。 从全面利于资源和节能减排 的角度考虑， 在进行碎石生产时就考虑到石屑的性能。 因此， 有关部门和行业协会有必要尽快制定专门的石屑标 准， 以利于石屑质量的提高和促进其在混凝土中的应用。 4结论 通过上述研究， 可以得到如下结论： ( 1 ) 采用石屑取代 5 0 河砂 ， 提高减水剂和胶凝材料用量 的方法， 可以制备 C 8 0高强石屑混凝土。 ( 2 ) 在同样水胶比时， 高强石屑混凝土的强度要较河砂混 凝土低 3 个等级以上。 ( 3 ) 为降低混凝土成本， 应选择优质石屑， 石屑的颗粒级配 应尽量满足要求 ， 且石粉含量和大于 4 7 5 i n l n的颗粒含量应较 低 ， 石屑的强度应较高。 不宜采用石屑全取代河砂的方式， 石屑 的取代量宜为 5 0 左右。 参考 文献 ： 【 1 】吴俊明石屑混凝土的应用叨 科技资讯， 2 0 0 9 0 1 ) ： 2 3 3 - 2 3 3 【 2 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 ， 1 2 1 ( 4 ) ： 4 6 4 8 下转第 9 4页 91 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表6 经硫酸溶液浸泡 8 h 情况下水泥石的质量损失率 1 2 0 l +5 硫 酸 溶 液 + l o 硫 酸溶 液 + 1 5 硫 酸 溶 液I _ 。 一 r S Y1 一 l 5 S 2 一 l 5 S 1 5 S YI - 2 0 S Y2 - 2 0 S Y3 - 2 0 S Y1 - 2 5 S Y2 - 2 5 S Y3 - 2 5 用不 同浓度硫酸 溶液浸 泡的对 比试 验 图 1 不同浓度硫酸溶液浸泡4 h 情况下水泥石的质量损失率对比 芒； 妻 i 器 瞧 从图 1 和图2可看出， 随着侵蚀性介质硫酸溶液的浓度增 大， 对水泥石的侵蚀性增强， 特别是当浓度达到 1 5 时， 侵蚀 性显著加剧， 这种变化规律在 4 h内变化非常明显 ， 当浸泡时 间达到 8 h时 ， 变化幅度减弱， 趋于相对稳定。这结果也从另 一 个侧面证明， 该试验方案设计时选取硫酸溶液的浓度为5 、 1 0 及 1 5 ， 选取浸泡侵蚀时间为 4 、 8 h是合理的， 具有较强 的代表性。 从图 3 5曲线的变化规律可知， 无论水灰比值高低、 侵蚀 性溶液介质浓度大小、 侵蚀时间长短， 在各组对比试验中， 均表 现出： 火山灰掺量为2 0 时， 水泥石的质量损失率最低， 即受酸 性介质侵蚀时其破坏程度最弱。 S YI 一 1 5 S Y2 - 1 5 S Y3 - 1 5 S Y1 - 2 0 S Y2 - 2 0 S Y3 - 2 0 S Y1 - 2 5 S Y2 - 2 5 S Y3 - -2 5 用不同 浓 度硫 酸 溶液 浸 泡的 对比 试 验 3 结论 图 2 不同浓度硫酸溶液浸泡 8 h情况下水泥石的质量损 失率对 比 1 喜 - 器 餐 S Y1 - 1 5 S Y1 _ 2 0 S YI - 2 5 S Y2 1 5 S Y 2 - 2 0 S Y 2 _ 2 5 S Y 3 一 l 5 ， 3 _ 2 0 S Y 3 2 5 不同水灰比、 不同火山灰掺量下的对 比试验组 图 3 5 硫酸溶液浸泡后水泥石的质量损失率对比 蓬 纂 ； 器 越 不同水灰比、 不同火山灰掺量下的对比试验组 图 4 1 0 硫酸溶液浸泡后水泥石 的质量损失率对 比 ( 1 ) 火山灰作为混凝土掺合料掺入到砂浆或混凝土中， 其 所含的 S i O ： 和 Al 2 0 ， 活性成分， 将会吸收水泥水化产物中析出 的 c a ( O H) ， 生成化学稳定较好的水化硅酸钙和水化铝酸钙， 使水泥石的抗酸J陛侵蚀能力增强。 ( 2 ) 为了获得最好的抗侵蚀效果 ， 使水泥石在遭受酸性介 质侵蚀时， 减小其破坏性 ， 宜采用的火山灰最佳掺量为 2 0 。 参考文献 ： 1 】龚爱民 建筑材料 M 郑州： 黄河水利出版社， 2 0 0 9 2 李亚杰， 方坤河 建筑材料( 第6 版) M 】 北京： 中国水利水电出版社， 2 0 0 9 3 3 G B 厂 r 1 4 6 8 4 -2 0 0 1 ， 建筑用砂【 s 】 4 G B T 1 3 4 6 - - 2 0 0 1 ， 水泥标准稠度用水量、 凝结时间、 安定性检验方 法 s 1 【 5 J5 G B T 8 0 7 4 -2 0 0 8 ， 水泥比表面积测定方法 勃式法【 s 6 G B ， I 1 7 6 7 1 -1 9 9 9 ， 水泥胶砂强度检验方法( I S O法) S 作者简介： s Y1 1 5 S YI - 2 0 S Y1 - 2 5 S Y 2 - 1 5 S Y2 - 2 0 S Y 2 - 2 5 S Y 3 - 1 5 S Y3 - 2 0 S Y3 - 2 5 不同水灰比、 不同火山灰掺量下的对比试验组 单位地址 ： 图5 1 5 硫酸溶液浸泡后水泥石的质量损失率对比 联系电话： 上接第 9 1页 【 3 】 陈清志， 崔冕昌 石屑代砂配制 C 5 0 预制件商品混凝土fJ 1 铁路建设 技术， 2 o o 3 ( 1 ) ： 5 0 5 2 4 顾国荣 广州西塔工程 C I O 0 及 C I O 0 自密实混凝土配制、 生产及其 超高泵送技术 J 】 混凝土世界， 2 0 0 9 ( 1 ) ： 3 1 - 4 l _ 【 5 】 胡海琳， 杨医博 ， 梁松， 等 石屑混凝土研究与应用 J 】 广东建材， 2 0 0 7 ( 5 ) ： 2 8 3 0 9 4 彭玉林( 1 9 7 7 一 ) ， 男， 讲师， 在读硕士研究生， 主要从事水工 结构材料及施工工艺的研究。 云南农业大学水利水电与建筑学院( 6 5 0 2 0 1 ) 0 8 7 1 - 5 2 2 0 3 6 5 【6 】 王明贵石屑混凝土专用测强曲线研究【J J 江苏建材， 2 0 0 7 ( 1 ) ： 3 8 - 4 1 【 7 陈飚， 王稷良， 杨玉辉 ， 等 石屑含量对 C 8 0 机制砂混凝土性能的影 0 NJ 武汉理工大学学报， 2 0 0 7 ， 2 8 ( 9 ) ： 4 1 4 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m