CN106892605B - 一种高石粉含量的石灰岩废石屑混凝土配合比设计方法 - Google Patents

Abstract

一种高石粉含量的石灰岩废石屑混凝土配合比设计方法，先按《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》JGJ 52的方法，测试确定工程实际使用的石灰岩废石屑的石粉含量δ，并根据石粉含量限值δ₀计算石灰岩废石屑的石粉超量值Δδ；再按《普通混凝土配合比设计规程》JGJ 55的规定，采用绝对体积法计算确定基准混凝土的配合比参数；之后将石屑中超量部分的石粉作为惰性矿物掺合料，并按一定的取代系数K计算确定取代水泥量，并保持容重不变，计算确定石灰岩废石屑混凝土的配合比参数。本发明在保证混凝土性能满足设计和施工要求的前提下，解决了石粉含量超标的石灰岩废石屑在混凝土应用领域的技术难题，降低了混凝土的水泥用量和生产成本，节能环保。

Description

一种高石粉含量的石灰岩废石屑混凝土配合比设计方法

技术领域

本发明涉及混凝土配制技术领域，具体为一种高石粉含量的石灰岩废石屑混凝土配合比设计方法。

背景技术

近年来，我国基础工程建设不断增加，混凝土产量逐年攀升，对建筑用砂石的需求也逐年增加。占混凝土体积70％以上的砂石骨料主要通过采矿和挖掘河床而来，严重破环了自然生态环境，且许多地区出现优质天然砂资源匮乏和价格飙升的局面。

石屑是矿山或碎石加工厂生产石灰岩碎石过程中附带产生的粒径小于4.75mm的细碎岩石颗粒，石粉含量超过10％，最高达20％以上。《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》JGJ 52中规定，石粉含量不大于10％的人工砂可用于C25及以下等级的混凝土；石粉含量不大于7％的人工砂可用于C30～C55的混凝土。由于石屑石粉含量高，不符合现行国家和行业标准或规范对人工砂技术指标的规定，无法采用现行有关技术标准来指导石屑混凝土的配合比设计和生产，严重限制了石屑代砂技术的推广应用。因此，大量石屑作为废弃物常年堆放，不仅占用大量耕地和污染环境，还造成大量资源的浪费。据统计，每产生100m³的碎石伴随产生20％石屑。

目前，国内很多学者为有效缓解天然砂资源匮乏和解决砂石资源供需矛盾的难题，对高石粉含量的石灰岩废石屑资源综合利用进行了一些研究。主要的研究应用成果有两种：一是将废石屑部分取代天然砂和机制砂，该方法的废石屑资源综合利用率低；二是通过水洗达到人工砂标准后再利用，该方法在水洗过程易造成二次污染，且水洗过程中大量的石粉流失。废石屑中的石灰石粉具有填充效应、晶核效应、吸水效应和形态效应，有利于混凝土拌合物性能的改善和硬化混凝土强度的提高。《石灰石粉在混凝土中应用技术规程》JGJ/T 318中指出石粉是28d活性可达到60％以上，因此超出标准规定的这部分石粉可算作惰性矿物掺合料。因此，在保证混凝土性能满足设计和施工要求的前提下，如何充分利用石灰岩废石屑中石粉的有利优势，研究和探索高石粉含量的石灰岩废石屑混凝土配合比设计，全面提高10％～20％石粉含量的石灰岩废石屑资源综合利用率及减少水泥用量已成为混凝土行业从业人员亟待解决问题，对实现我国混凝土行业的节能减排和可持续发展具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术存在的不足，提供一种高石粉含量的石灰岩废石屑混凝土配合比设计方法。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的。

一种高石粉含量的石灰岩废石屑混凝土配合比设计方法，包含以下步骤：

⑴按《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》JGJ 52的规定方法，测试确定工程实际使用的石灰岩废石屑的石粉含量δ，并根据石粉含量限值δ₀计算石灰岩废石屑的石粉超量值Δδ，Δδ＝δ-δ₀；

⑵按照《普通混凝土配合比设计规程》JGJ 55的规定，采用绝对体积法计算确定基准混凝土的配合比参数：水泥用量m_c0、活性矿物掺合料用量m_f0、细骨料用量m_s0、粗骨料用量m_g0、用水量m_wa；

⑶将石屑中超量部分的石粉作为惰性矿物掺合料，并按一定的取代系数K计算确定取代水泥量，并保持容重不变，计算确定石灰岩废石屑混凝土的配合比参数：石灰岩废石屑用量m′_s0、水泥用量m′_c0、活性矿物掺合料用量m′_f0、粗骨料用量m′_g0、用水量m′_wa；其中：石灰岩废石屑用量水泥用量m′_c0＝m_c0-Km_s0Δδ；活性矿物掺合料用量m′_f0＝m_f0；粗骨料用量m′_g0＝m_g0；用水量m′_wa＝m_wa；

所述取代系数K根据石灰岩废石屑的石粉含量及石灰岩废石屑混凝土强度等级采用线性插值进行取值。

本发明所述石灰岩废石屑混凝土的设计强度等级为C10～C55；当石灰岩废石屑的石粉含量10％＜δ≤15％且石灰岩废石屑混凝土强度等级为C10～C20时，取代系数K为0.15～0.35；当石灰岩废石屑的石粉含量10％＜δ≤15％且石灰岩废石屑混凝土强度等级为C25～C45时，取代系数K为0.40～0.60；当石灰岩废石屑的石粉含量10％＜δ≤15％且石灰岩废石屑混凝土强度等级为C50～C55时，取代系数K为0.65～0.75；

当石灰岩废石屑的石粉含量15％＜δ≤20％且石灰岩废石屑混凝土强度等级为C10～C20时，取代系数K为0.10～0.30；当石灰岩废石屑的石粉含量15％＜δ≤20％且石灰岩废石屑混凝土强度等级为C25～C45时，取代系数K为0.35～0.55；当石灰岩废石屑的石粉含量15％＜δ≤20％且石灰岩废石屑混凝土强度等级为C50～C55时，取代系数K为0.60～0.70。

当混凝土强度等级为C55～C30时，所述石粉含量限值δ₀为7.0％；混凝土强度等级≤C25时，所述石粉含量限值δ₀为10.0％。所述石灰岩废石屑的MB值≤1.0，石粉含量δ为10％～20％。

本发明最大的突出优点是克服了现有技术存在的不足，在保证混凝土性能满足设计和施工要求的前提下，充分利用石灰岩废石屑中石粉的有利优势，将石屑中超量部分的石粉作为惰性矿物掺合料，并按一定的取代系数K取代部分水泥量，解决了石粉含量超标的石灰岩废石屑在混凝土应用领域的技术难题，提高10％～20％石粉含量的石灰岩废石屑资源综合利用率到100％，有效降低体系水泥用量、需水量、浆体粘度和坍落度经时损失，改善了石灰岩废石屑混凝土性能，降低了混凝土的水泥用量和生产成本，实现了高石粉含量的石灰岩废石屑的资源化利用。本发明的实施还可以缓解天然砂短缺的问题，避免人工砂过度开采对环境的破坏，同时也能解决石屑带来的污染问题，践行了我国“资源节约、环境友好”可持续发展战略，具有显著的社会效益和经济效益。

具体实施方式

本发明所述高石粉含量的石灰岩废石屑混凝土配合比设计方法，包含以下步骤：

⑴按《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》JGJ 52的规定方法，测试确定工程实际使用的石灰岩废石屑的石粉含量δ，并根据石粉含量限值δ₀计算石灰岩废石屑的石粉超量值Δδ，Δδ＝δ-δ₀；

⑵按照《普通混凝土配合比设计规程》JGJ 55的规定，采用绝对体积法计算确定基准混凝土的配合比参数：水泥用量m_c0、活性矿物掺合料用量m_f0、细骨料用量m_s0、粗骨料用量m_g0、用水量m_wa；

⑶将石屑中超量部分的石粉作为惰性矿物掺合料，并按一定的取代系数K计算确定取代水泥量，并保持容重不变，计算确定石灰岩废石屑混凝土的配合比参数：石灰岩废石屑用量m′_s0、水泥用量m′_c0、活性矿物掺合料用量m′_f0、粗骨料用量m′_g0、用水量m′_wa。其中：石灰岩废石屑用量水泥用量m′_c0＝m_c0-Km_s0Δδ；活性矿物掺合料用量m′_f0＝m_f0；粗骨料用量m′_g0＝m_g0；用水量m′_wa＝m_wa。

本发明所述取代系数K根据石灰岩废石屑的石粉含量及石灰岩废石屑混凝土强度等级按表1采用线性插值进行取值。

表1石灰岩废石屑混凝土的取代系数K

本发明所述石灰岩废石屑混凝土的设计强度等级为C10～C55，所述石灰岩废石屑的MB值≤1.0、石粉含量为10％～20％。

本发明混凝土强度等级为C55～C30时，所述石粉含量限值δ₀为7.0％；混凝土强度等级≤C25时，所述石粉含量限值δ₀为10.0％。

以下实例1～实例5所用石灰岩废石屑分别为某石灰石矿山不同石粉含量的1#～5#高石粉含量的石灰岩废石屑，其相关性能指标见表2。所用水泥为云南国资水泥东骏有限公司生产的P·O 42.5水泥，密度3.15g/cm³，3d抗压强度26.4MPa，28d抗压强度47.5MPa；所用粉煤灰为云南恒阳实业有限公司Ⅱ级粉煤灰，密度2.28g/cm³，45μm筛余12.8％，烧失量2.31％，需水量比98.3％，SO₃含量为0.27％；所用矿渣粉为玉溪三和新型建材技术有限公司S75矿渣粉，比表面积378m²/kg，密度2.84g/cm³，7d活性指数56％，28d活性指数78％，胶砂流动度比99％；粗集料由公分石(5mm～31.5mm)和瓜子石(5～16mm)根据其级配情况按一定比例复配成5mm～31.5mm粒径的连续级配碎石，压碎值6.1％，含泥量1.4％，泥块含量0.25％，针片状颗粒含量1.4％，表观密度为2740kg/m³；所用减水剂为聚羧酸高性能减水剂，减水率27.5％，固含量12％。

表2 1#～5#高石粉含量的石灰岩废石屑相关性能指标

实例1

以强度等级C30的石灰岩废石屑混凝土为例，依次按以下步骤进行混凝土配合比设计：

⑴按《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》JGJ 52的规定方法，测试确定1#石灰岩废石屑的石粉含量δ为13.8％，石粉含量限值δ₀为7.0％，计算1#石灰岩废石屑的石粉超量值Δδ，Δδ＝δ-δ₀＝13.8％-7.0％＝6.8％；

⑵按照《普通混凝土配合比设计规程》JGJ 55的规定，采用绝对体积法计算确定C30基准混凝土的配合比参数，其中粉煤灰、矿渣粉掺量分别为胶凝材料总量的15％和20％。经配合比计算确定的C30基准混凝土的配合比参数如下：水泥用量m_c0为230kg、粉煤灰和矿渣粉用量m_f0分别为53kg和71kg、细骨料用量m_s0为796kg、粗骨料用量m_g0为1099kg、用水量m_wa为170kg；

⑶将石屑中超量部分的石粉作为惰性矿物掺合料，并按一定的取代系数K计算确定取代水泥量，并保持容重不变，计算确定石灰岩废石屑混凝土的配合比参数。取代系数K取0.45，经配合比计算确定的C30石灰岩废石屑混凝土的配合比参数如下：石灰岩废石屑用量 水泥用量m′_c0＝m_c0-Km_s0Δδ＝230-0.45×821×6.8％＝205kg；活性矿物掺合料用量m′_f0＝m_f0，粉煤灰和矿渣粉用量分别为53kg和71kg；粗骨料用量m′_g0＝m_g0＝1099kg；用水量m′_wa＝m_wa＝170kg。实施例1的基准混凝土和石灰岩废石屑混凝土的配合比、拌合物性能及力学性能分别见表3和表4。

实例2

以C10石灰岩废石屑混凝土为例，依次按本设计方法步骤进行混凝土配合比设计，依次按以下步骤进行混凝土配合比设计：

⑴按《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》JGJ 52的规定方法，测试确定2#石灰岩废石屑的石粉含量δ为17.7％，石粉含量限值δ₀为10.0％，计算2#石灰岩废石屑的石粉超量值Δδ，Δδ＝δ-δ₀＝17.7％-10.0％＝7.7％。

⑵按照《普通混凝土配合比设计规程》JGJ 55的规定，采用绝对体积法计算确定C10基准混凝土的配合比参数，其中粉煤灰为胶凝材料总量的35％。经配合比计算确定的C10基准混凝土的配合比参数如下：水泥用量m_c0为158kg、粉煤灰用量m_f0为85kg、细骨料用量m_s0为908kg、粗骨料用量m_g0为1065kg、用水量m_wa为180kg。

⑶将石屑中超量部分的石粉作为惰性矿物掺合料，并按一定的取代系数K计算确定取代水泥量，并保持容重不变，计算确定石灰岩废石屑混凝土的配合比参数。取代系数K取0.10，经配合比计算确定的C10石灰岩废石屑混凝土的配合比参数如下：石灰岩废石屑用量 水泥用量m′_c0＝m_c0-Km_s0Δδ＝158-0.10×915×7.7％＝151kg；活性矿物掺合料粉煤灰用量m′_f0＝m_f0＝85kg；粗骨料用量m′_g0＝m_g0＝1065kg；用水量m′_wa＝m_wa＝180kg。实施例2的基准混凝土和石灰岩废石屑混凝土的配合比、拌合物性能及力学性能分别见表3和表4。

实例3

以C55石灰岩废石屑混凝土为例，依次按本设计方法步骤进行混凝土配合比设计，依次按以下步骤进行混凝土配合比设计：

⑴按《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》JGJ 52的规定方法，测试确定3#石灰岩废石屑的石粉含量δ为15.0％，石粉含量限值δ₀为7.0％，计算3#石灰岩废石屑的石粉超量值Δδ，Δδ＝δ-δ₀＝15.0％-7.0％＝8.0％。

⑵按照《普通混凝土配合比设计规程》JGJ 55的规定，采用绝对体积法计算确定C55基准混凝土的配合比参数，其中矿渣粉掺量为胶凝材料总量的15％。经配合比计算确定的C55基准混凝土的配合比参数如下：水泥用量m_c0为407kg、矿渣粉用量m_f0为72kg、细骨料用量m_s0为713kg、粗骨料用量m_g0为1115kg、用水量m_wa为165kg。

⑶将石屑中超量部分的石粉作为惰性矿物掺合料，并按一定的取代系数K计算确定取代水泥量，并保持容重不变，计算确定石灰岩废石屑混凝土的配合比参数。取代系数K取0.75，经配合比计算确定的C55石灰岩废石屑混凝土的配合比参数如下：石灰岩废石屑用量 水泥用量m′_c0＝m_c0-Km_s0Δδ＝497-0.75×758×8.0％＝362kg；活性矿物掺合料用量m′_f0＝m_f0，活性矿物掺合料矿渣粉用量为72kg；粗骨料用量m′_g0＝m_g0＝1115kg；用水量m′_wa＝m_wa＝165kg。实施例3的基准混凝土和石灰岩废石屑混凝土的配合比、拌合物性能及力学性能分别见表3和表4。

实施例4

以C35石灰岩废石屑混凝土为例，依次按本设计方法步骤进行混凝土配合比设计，依次按以下步骤进行混凝土配合比设计：

⑴按《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》JGJ 52的规定方法，测试确定4#石灰岩废石屑的石粉含量δ为10.0％，石粉含量限值δ₀为7.0％，计算4#石灰岩废石屑的石粉超量值Δδ，Δδ＝δ-δ₀＝10.0％-7.0％＝3.0％。

⑵按照《普通混凝土配合比设计规程》JGJ 55的规定，采用绝对体积法计算确定C35基准混凝土的配合比参数，其中粉煤灰和矿渣粉掺量均为胶凝材料总量的15％。经配合比计算确定的C35基准混凝土的配合比参数如下：水泥用量m_c0为265kg、粉煤灰和矿渣粉用量m_f0分别为57kg和57kg、细骨料用量m_s0为794kg、粗骨料用量m_g0为1096kg、用水量m_wa为170kg。

⑶将石屑中超量部分的石粉作为惰性矿物掺合料，并按一定的取代系数K计算确定取代水泥量，并保持容重不变，计算确定石灰岩废石屑混凝土的配合比参数。取代系数K取0.50，经配合比计算确定的C35石灰岩废石屑混凝土的配合比参数如下：石灰岩废石屑用量 水泥用量m′_c0＝m_c0-Km_s0Δδ＝265-0.50×806×3.0％＝253kg；活性矿物掺合料用量m′_f0＝m_f0，粉煤灰和矿渣粉用量分别为57kg和57kg；粗骨料用量m′_g0＝m_g0＝1096kg；用水量m′_wa＝m_wa＝170kg。实施例4的基准混凝土和石灰岩废石屑混凝土的配合比、拌合物性能及力学性能分别见表3和表4。

实施例5

以强度等级C45的石灰岩废石屑混凝土为例，依次按以下步骤进行混凝土配合比设计：

⑴按《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》JGJ 52的规定方法，测试确定5#石灰岩废石屑的石粉含量δ为20.0％，石粉含量限值δ₀为7.0％，计算5#石灰岩废石屑的石粉超量值Δδ，Δδ＝δ-δ₀＝20.0％-7.0％＝13.0％；

⑵按照《普通混凝土配合比设计规程》JGJ 55的规定，采用绝对体积法计算确定C45基准混凝土的配合比参数，其中粉煤灰和矿渣粉掺量分别为胶凝材料总量的10％和15％。经配合比计算确定的C45基准混凝土的配合比参数如下：水泥用量m_c0为344kg、粉煤灰和矿渣粉用量m_f0分别为46kg和69kg、细骨料用量m_s0为735kg、粗骨料用量m_g0为1102kg、用水量m_wa为165kg；

⑶将石屑中超量部分的石粉作为惰性矿物掺合料，并按一定的取代系数K计算确定取代水泥量，并保持容重不变，计算确定石灰岩废石屑混凝土的配合比参数。取代系数K取0.55，经配合比计算确定的C45石灰岩废石屑混凝土的配合比参数如下：石灰岩废石屑用量水泥用量m′_c0＝m_c0-Km_s0Δδ＝344-0.55×792×13.0％＝287kg；活性矿物掺合料用量m′_f0＝m_f0，粉煤灰和矿渣粉用量分别为46kg和69kg；粗骨料用量m′_g0＝m_g0＝1102kg；用水量m′_wa＝m_wa＝165kg。实施例5的基准混凝土和石灰岩废石屑混凝土的配合比、拌合物性能及力学性能分别见表3和表4。

表3基准混凝土和石灰岩废石屑混凝土的配合比

表4基准混凝土和石灰岩废石屑混凝土的拌合物性能及力学性能

由表3和表4数据可知，实施例1～例5采用本发明设计的废石屑混凝土与采用JGJ55设计的混凝土相比，采用本设计方法将石屑中超量部分的石粉作为惰性矿物掺合料，并按一定的取代系数K取代部分水泥量，有效降低体系水泥用量，且混凝土的工作性能得到显著改善，尤其是坍落度经时损失降低，混凝土的力学性能与基准混凝土基本相当。可见，采用本发明的设计方法可以实现10％～20％石粉含量的石灰岩废石屑的资源综合利用，具有一定的技术经济合理性和显著的社会经济效益。

Claims (3)

1.一种高石粉含量的石灰岩废石屑混凝土配合比设计方法，其特征在于，包含以下步骤：

⑴按《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》JGJ 52的规定方法，测试确定工程实际使用的石灰岩废石屑的石粉含量δ，并根据石粉含量限值δ₀计算石灰岩废石屑的石粉超量值Δδ，Δδ＝δ-δ₀；

⑵按照《普通混凝土配合比设计规程》JGJ 55的规定，采用绝对体积法计算确定基准混凝土的配合比参数：水泥用量m_c0、活性矿物掺合料用量m_f0、细骨料用量m_s0、粗骨料用量m_g0、用水量m_wa；

⑶将石屑中超量部分的石粉作为惰性矿物掺合料，并按一定的取代系数K计算确定取代水泥量，并保持容重不变，计算确定石灰岩废石屑混凝土的配合比参数：石灰岩废石屑用量m′_s0、水泥用量m′_c0、活性矿物掺合料用量m′_f0、粗骨料用量m′_g0、用水量m′_wa；其中：石灰岩废石屑用量水泥用量m′_c0＝m_c0-Km′_s0Δδ；活性矿物掺合料用量m′_f0＝m_f0；粗骨料用量m′_g0＝m_g0；用水量m′_wa＝m_wa；

所述取代系数K根据石灰岩废石屑的石粉含量及石灰岩废石屑混凝土强度等级采用线性插值进行取值；所述石灰岩废石屑混凝土的设计强度等级为C10～C55；

当石灰岩废石屑的石粉含量10％≤δ≤15％且石灰岩废石屑混凝土强度等级为C10～C20时，取代系数K为0.15～0.35；当石灰岩废石屑的石粉含量10％≤δ≤15％且石灰岩废石屑混凝土强度等级为C25～C45时，取代系数K为0.40～0.60；当石灰岩废石屑的石粉含量10％＜δ≤15％且石灰岩废石屑混凝土强度等级为C50～C55时，取代系数K为0.65～0.75；

当石灰岩废石屑的石粉含量15％＜δ≤20％且石灰岩废石屑混凝土强度等级为C10～C20时，取代系数K为0.10～0.30；当石灰岩废石屑的石粉含量15％＜δ≤20％且石灰岩废石屑混凝土强度等级为C25～C45时，取代系数K为0.35～0.55；当石灰岩废石屑的石粉含量15％＜δ≤20％且石灰岩废石屑混凝土强度等级为C50～C55时，取代系数K为0.60～0.70。

2.根据权利要求1所述的高石粉含量的石灰岩废石屑混凝土配合比设计方法，其特征在于，混凝土强度等级为C55～C30时，所述石粉含量限值δ₀为7.0％；混凝土强度等级≤C25时，所述石粉含量限值δ₀为10.0％。

3.根据权利要求1或2所述的高石粉含量的石灰岩废石屑混凝土配合比设计方法，其特征在于，所述石灰岩废石屑的MB值≤1.0，石粉含量δ为10％～20％。