石屑代砂混凝土力学性能研究

石屑代砂混凝土力学性能研究 日期2002-11-11

内容李建 谢友均 刘宝举 胡纯祥

我国对石砂及石屑混凝土已有一定研究，贵州、云南等省份制定了相应的石砂混凝土地方规程。湖南湘西地区河砂含泥量较高且资源缺乏，重大土木工程施工所需用河砂均从外地运进，成本高；而当地石灰石资源丰富，在碎石生产过程中，每吨碎石约产生0.15-0.20吨石屑。为降低混凝土工程造价、解决石屑的处理问题，研究石灰石石屑代砂混凝土配制技术及其性能具有显著的技术经济效益。

目前，我国土木工程常用混凝土强度等级一般在C40以下，所以研究中、低强度等级的石灰石石屑代砂混凝土具有重要意义。笔者结合湘黔复线吉首火车站改造工程，进行了C20-C35石灰石石屑代砂混凝土研究，研究成果已用于实际工程，且取得了显著的技术经济效益。在研究了石灰石石屑代砂混凝土的配制技术基础上，本文主要讨论石灰石石屑代砂混凝土的力学性能、各力学性能之间的相关关系及结构设计取值。 1、原材料及配合比 1.1原材料 水泥：新安龙凤山水泥厂生产的425#普通硅酸盐水泥，fce,28=46.7MPa；碎石：广铁集团公司吉首采石场，5-40mm碎石；石灰石石屑：细度模数为3.36，属粗砂范围，小于0.16mm的粉末含量为11.6%，小于0.08mm的粉末含量为3.46%，其表观密度为2680kg/m3，堆积密度为1600kg/

m3；河砂：对比试验用，湘江河砂，细度模数为2.80，II区级配合格，中砂；表观密度为2650kg/ m3，堆积密度为1610kg/

m3；复合高效早强减水剂：由萘磺酸甲醛缩合物及早强组分复合而成。 1.2混凝土配合比

通过石屑混凝土配合比设计主要参数试验研究可知，在设计石屑混凝土配合比时可参考河砂配制混凝土的设计原则及方法，通过试验对配合比进行微调。在设计石屑混凝土配合比时，考虑到石屑的级配不好，粗的颗粒过多，所以适当地提高了砂率，与河砂混凝土相比，砂率提高了3%左右。试验设计了C20（A组）、C25（B组）、C30（C组）、C35（D组）四种强度等级的混凝土对比试验，如表1所示。每种强度等级各进行一组河砂混凝土（1#）石屑混凝土（2#）、掺复合高效早强减水剂石屑混凝土（3#）试验复合高效早强减水剂掺量为水泥用量的1.3%，由于石屑中粒径大于5mm颗粒较多，配合比设计时将石屑总重量的8%视为小石子，因此实际砂率降低，括号内为折算后的砂率。 2、试验结果与分析 2.1混凝土强度

表1 混凝土配合比及主要参数

试件 强度等级 配合比（kg/m3） W/C SP C W S 石屑 G

A-1A-2A-3 C20 320320295 170175155 740 875890 120510701095 0.580.550.53 0.380.45(0.41)0.45(0.41)

B-1B-2B-3 C25 380380335 165175155 680 790820 121510951130 0.430.460.46 0.360.42(0.39)0.42(0.39)

C-1C-2C-3 C30 425425380 165175155 610 720745 123011201160 0.390.410.41 0.330.39(0.36)0.39(0.36)

D-2D-3 C35 440415 175155 670685 11651195 0.400.37 0.36(0.34)0.36(0.34)

根据四种强度等级的11组配合比，用标准方法成型并标准养护至规定的龄期，按《普通混凝土力学性能试验方法》GBJ81-85进行力学性能试验，试验结果见表2。 表2 混凝土拌合物性能及硬化混凝土强度

试件 坍落度（mm） 实测表观密度（kg/m3） 抗压强度（MPa） 劈裂抗拉强度（MPa） 棱柱体强度（MPa） 3d 7d 28d 28d

A-1A-2A-3 854040 242524402435 17.418.624.1 28.528.530.4 40.635.836.3 4.254.143.60 27.231.229.1

B-1B-2B-3 754580 243024102420 21.723.727.0 32.534.831.9 47.345.837.5 3.363.683.42 40.039.532.2

C-1C-2C-3 453070 244524352465 23.023.231.6 37.934.234.2 48.542.643.3 3.594.363.14 —40.935.0

D-2D-3 2025 24802500 24.2— 35.232.6 46.641.9 4.103.62 32.533.8

混凝土3天、7天抗压强度与28天抗压强度的比例关系、拉压比、轴压比分别见表3、表4、表5。从试验结果可知，石屑混凝土抗压强度随龄期发展情况与普通河砂混凝土发展类似，3天、7天抗压强度与28天抗压强度的比值接近。河砂混凝土28天抗压强较石屑混凝土略高，这是由于其水灰比（W/C）比石屑混凝土低的原因引起。石屑混凝土拉压比、轴压比较普通河砂混凝土略高，这可能是由于石屑表面粗糙，改善了混凝土界面，从而提高了混凝土抗拉强度、轴心抗压强度。 表3 河砂混凝土强度比

试件 A-1 B-1 C-1 D-1 平均

fcu,3/fcu,28(%) 42.9 45.8 64.1 - 51 fcu,7/fcu,28(%) 70.2 68.7 78.1 - 72

fts,28/fcu,28(%) 1/9.5 1/14.5 1/13.5 - 1/12 fc/fcu,28(%) 0.695 0.736 - - 0.716 表4 石屑混凝土强度比

试件 A-2 B-2 C-2 D-2 平均

fcu,3/fcu,28(%) 52.0 51.8 54.5 51.9 53 fcu,7/fcu,28(%) 79.6 76.0 80.3 75.5 78

fts,28/fcu,28(%) 1/6.4 1/12.4 1/9.8 1/11.4 1/9.4 fc/fcu,28(%) 0.922 0.758 0.911 0.697 0.822 表5 掺复合早强减水剂石屑混凝土强度比 试件 A-3 B-3 C-3 D-3 平均

fcu,3/fcu,28(%) 66.4 72.0 73.0 - 70.5 fcu,7/fcu,28(%) 83.7 85.1 79.0 77.8 81.4

fts,28/fcu,28(%) 1/10.1 1/11 1/13.8 1/11.4 1/11.4 fc/fcu,28(%) 0.802 0.869 0.808 0.807 0.822

从掺与不掺复合高效早强减水剂的石屑混凝土对比试验可以看出，在保持混凝土坍落度和28天抗压强度基本相同条件下，可节约水泥10%左右，混凝土3天强度平均提高30%左右，同时，石屑混凝土拌合物的工作性得到改善。

在《混凝土结构设计规范》GBJ-89中建设的混凝土棱柱体轴心抗压强度与立方体抗压强度的关系式为： μfc=0.76μfcu

式中：μfc—棱柱体轴心抗压强度（MPa）； μfcu—标准立方体抗压强度（MPa）。

石屑混凝土棱柱体轴心抗压强度与立方体抗压强度之间关系的回归分析结果为：

μfc=0.822μfcu

比GBJ10-89规范中系数高出8.2%，因此，石灰石石屑混凝土应用于普通钢筋混凝土结构中时，相同强度等级混凝土轴心抗压强度的取值是安全的。同时，由于石屑混凝土拉压比较河砂的高，因此，相同强度等级石屑混凝土抗拉强度按GBJ10-89取值验算构件抗裂性是可靠的。

2.2混凝土弹性模量

《混凝土结构设计规范》GBJ10-89推荐的混凝土的弹性模量E。与混凝土立方体标准强度Fcu,k的关系式为：

Ec=102/(2.2+34.7/fcu,k)(GPa)

根据各组立方体抗压强度计算得到的弹性模量值、实测值及其分析比较见表6。10组不同强度等级及不同细骨料混凝土静力受压力。经分析比较可知，石屑代砂混凝土弹性模量比计算值平均高出23%。对于石灰石石屑代砂混凝土，当其应力在轴心抗压强度60%以下时为弹性变形。石屑混凝土弹性模量值总体平均略高于河砂混凝土弹性模量。试验结果进一步说明，石灰石石屑代砂混凝土力学性能指标按相同强度等级普通河砂混凝土取值是混凝土取值是偏于安全的。

表6 混凝土弹性模量实测值与计算值的比较

试 件 A-1 A-2 A-3 B-1 B-2 B-3 C-2 C-3 D-2 D-3

实测值（GPa） 41.0 42.1 41.6 42.5 36.6 42.5 40.3 39.8 40.4 37.9 计算值（GPa） 32.7 31.6 31.7 34.1 33.8 32.0 33.2 33.3 34.0 33.0 实测值/计算值% 125 133 131 125 108 133 121 120 119 115 2.3混凝土干缩

混凝土干缩对比试验，由于是在室内环境条件下进行的混凝土干缩试验，所以试验结果受环境温度的影响较大。

从对比试验结果看，石屑混凝土早期干缩值较河砂混凝土大，这可能是由于石屑级配不如河砂、石屑混凝土砂率比河砂混凝土高以及石屑混凝土中小于0.16mm粉末含量较高等因素导致的。A组3种混凝土的干缩值在后期基本接近，随着混凝土强度等级的增大，混凝土干缩值变大。B-3组在60天后的干缩值急剧增大，但后期又开始降低，可能测试误差所致。

3、结论

通过对石屑与河砂混凝土力学性能的平行对比试验研究，可以得到以下结论： 1、 石灰石石屑代砂混凝土各项力学性能指标与相同强度等级的河沙混凝土相当，而

且，石屑代砂混凝土拉压比、轴压比、静力弹性模量均优于对比组河砂混凝土。 2、 石灰石石屑混凝土力学性能指标按《混凝土结构设计规范》GBJ10-89中相同强度

等级普通混凝土取值是偏于安全的。 3、 石屑中粉末含量（小于0.16mm颗粒）、砂率对石屑代砂混凝土干缩性能影

响较大，

宜采用较低粉末含量的石屑，在保证混凝土工作性条件下尽可能降低砂率，并加强早期湿水养护。

来源陕西混凝土协会