根據(jù)混凝土配合比簡易設(shè)計(jì)法，設(shè)計(jì)石屑高性能混凝土配合比，并通過實(shí)驗(yàn)對配合比設(shè)計(jì)思路進(jìn)行驗(yàn)證，提出采用該方法配制石屑高性能混凝土應(yīng)注意的問題，研究結(jié)果對石屑混凝土的應(yīng)用有較好的指導(dǎo)意義。
前言
石屑是石場在生產(chǎn)碎石時產(chǎn)生的一種附屬品，目前只用于基礎(chǔ)墊層或平整場地等用途。但石屑的顆粒級配和物理性質(zhì)與河砂接近，能夠起到作為細(xì)集料填充粗集料空隙的作用，是一種非常適用于代替河砂配制混凝土的材料。在國內(nèi)，有部分學(xué)者研究過石屑代替河砂配制混凝土的可行性，且證明是可行的，但對于石屑混凝土的配制方法研究較少，石屑高性能混凝土的配制方法研究更為罕見。由于石屑較河砂顆粒要粗、棱角性較多，導(dǎo)致用石屑配制混凝土?xí)r砂率的確定有別于河砂。又由于石屑中含有小于0.075mm的石粉顆粒含量一般都超過10%，而河砂中小于0.075mm的粉狀顆粒含量一般都小于5%，這樣也導(dǎo)致用石屑配制混凝土?xí)r用水量確定有別于河砂。因此，采用普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)范來設(shè)計(jì)石屑混凝土配合比并不適用。
為探索適用于石屑全代砂高性能混凝土的配合比設(shè)計(jì)法，本文嘗試采用混凝土配合比簡易設(shè)計(jì)法配制石屑高性能混凝土，并通過實(shí)驗(yàn)對設(shè)計(jì)思路進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)證明該方法是可行的。采用該方法配制的石屑高性能混凝土和易性好，混凝土密實(shí)度高，混凝土抗壓強(qiáng)度和耐久性能均表現(xiàn)良好。
石屑全代砂高性能混凝土簡易配合比設(shè)計(jì)法
吳中偉院士[1]提出的簡易配合比設(shè)計(jì)法，遵循絕對體積設(shè)計(jì)原理，以試拌調(diào)整法為主。核心思路是確定石屑與碎石最小空隙率，即混凝土中的粗細(xì)骨料為一體系，水和水泥為另一體系。根據(jù)二者的互補(bǔ)關(guān)系，在充分考慮工作性能的基礎(chǔ)上，確定合理的水泥漿富余系數(shù)。通過確定最小骨料空隙率（即最佳砂率），最小水泥漿量等參數(shù)，配制出符合性能要求而又經(jīng)濟(jì)合理的混凝土[2]。配合比具體設(shè)計(jì)步驟如下：
第一步確定石屑高性能混凝土性能指標(biāo)
高性能混凝土首先要有高工作性能，坍落度指標(biāo)能達(dá)到180mm以上，而且還要具有高耐久性能。
第二步測定石屑與碎石混合空隙率，確定最佳砂率
采用緊密堆積密度的試驗(yàn)方法，檢測不同砂率下石屑與碎石的混合容重，根據(jù)容重計(jì)算出混合料的空隙率，空隙率最小的即為石屑與碎石最佳摻合比例，對應(yīng)砂率確定為最佳砂率。
第三步確定膠凝材料漿量
根據(jù)上一步得出的骨料最小空隙率，采用水泥漿填充骨料空隙，再加入合理的富余漿量，作為混凝土用漿量。富余系數(shù)取決于原材料性能及工作性能要求，如外加劑的品種和摻量對漿體富余系數(shù)影響較大，要通過試拌來確定。
第四步計(jì)算各組分材料用量
根據(jù)漿體體積、水膠比、砂率及原材密度等參數(shù)，通過配合比體積計(jì)算法，算出1立方混凝土各組分材料用量。
實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
3.1實(shí)驗(yàn)原材料
水泥：英德龍山水泥有限公司，“海螺牌”P·Ⅱ42.5R硅酸鹽水泥，水泥28d 強(qiáng)度為46.2MPa，水泥密度3090kg/m3。
粉煤灰：河源發(fā)電廠，Ⅱ級粉煤灰，燒失量2.0%，需水量比87%，密度2260kg/m3。
礦渣：廣東韶鋼嘉羊新型材料有限公司，規(guī)格種類為S95型，流動力比102mm，燒失量1.0%，密度2860kg/m3。
碎石：中山市合力石場，小碎石規(guī)格5~16mm，大碎石規(guī)格16~31.5mm，鄂式破碎，小石和大石以8:2比例摻配組成5~31.5mm連續(xù)級配，密度測定為2670 kg/m3。
石屑：中山市合力石場，石屑顆粒級配為Ⅱ級，細(xì)度模數(shù)2.88，石粉含量13.2%，密度2630kg/m3。
減水劑：深圳五山建材實(shí)業(yè)有限公司，萘系緩凝高效減劑，水劑，固含量30.5%，減水率＞18%。
水：自來水。
石屑和碎石的顆粒分析，見表1和2：
表1 石屑顆粒級配
| 篩孔尺寸/mm | 9.50 | 4.75 | 2.36 | 1.18 | 0.60 | 0.30 | 0.15 | 0.075 | 盤底 |
| 累計(jì)篩余/% | 0 | 16.5 | 43.0 | 53.0 | 67.6 | 75.4 | 84.0 | 89.8 | 100 |
表2 碎石顆粒級配
| 篩孔尺寸/mm | 31.5 | 26.5 | 19.0 | 16.0 | 9.5 | 4.75 | 2.36 | 盤底 |
| 累計(jì)篩余/% | 0.0 | 5.5 | 43.8 | 57.4 | 86.5 | 99.6 | 99.8 | 100 |
3.2配合比設(shè)計(jì)
本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)的石屑高性能混凝土配合比，強(qiáng)度等級設(shè)定為C40、C45和C50，坍落度設(shè)定為180~200mm，擴(kuò)展度要求達(dá)到450mm以上，抗氯離子滲透電通量要求在1500庫侖以下，抗水滲透性能要求不小于P12級。對每個配合比進(jìn)行試拌，并檢測混凝土容重、坍落度、擴(kuò)展度、和易性和抗壓強(qiáng)度，以及抗氯離子滲透性能與抗水滲透性能。
（1）確定水膠比
根據(jù)水泥強(qiáng)度，按照普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程計(jì)算水膠比，C40、C45和C50混凝土對應(yīng)的水膠比分別是0.40、0.37和0.34。
（2）確定最佳砂率
先確定石屑與碎石混合料的最小空隙率。采用石屑填充碎石，檢測石屑與碎石混合料（體積為10L）的緊密容重，砂率從36%開始，逐步增加，直到出現(xiàn)最大容重的拐點(diǎn)為止。再根據(jù)最大容重計(jì)算的空隙率，即為最小空隙率，對應(yīng)砂率為最佳砂率。不同砂率對應(yīng)的混合空隙率見表3。
表3 不同砂率對應(yīng)的混合空隙率
| 砂 率(%) | 36 | 38 | 40 | 42 | 44 | 46 |
| 兩次平均混合料容重（kg/m3） | 1917 | 1963 | 1986 | 2011 | 2022 | 2006 |
| 空隙率（%） | 27.7 | 25.9 | 25.1 | 24.1 | 23.7 | 24.3 |
由表3可見，砂率為44%時混合料容重最大，容重為2022 kg/m3，根據(jù)石屑與碎石混合后的表觀密度2650 kg/m3，計(jì)算出石屑與碎石混合的最小空隙率α=23.7%，對應(yīng)最佳砂率即為44%。
（3）確定配合比材料用量
根據(jù)上一步得出的最小空隙率α，漿體富余系數(shù)經(jīng)試拌確定為10%，則漿體體積=α＋10%=33.7%，即每立方米混凝土膠凝材料用量為337L/m3。
以0.4水膠比為例計(jì)算配合比。為了提高石屑混凝土的耐久性能，采用礦渣等量替代水泥20%，粉煤灰等量替代水泥10%，水泥實(shí)際用量為70%。水泥表觀密度3.09 g/cm3，礦粉表觀密度為2.86 g/cm3，粉煤灰表觀密度為2.26 g/cm3。
膠凝材料重量/漿體積=1/（0.7/3.09＋0.2/2.86＋0.1/2.26+0.4）=1.35。即1L漿體積用1.35kg膠凝材料。則膠凝材料總重=337L×1.35=455kg/ m3。
水泥=455×70%=318.5kg 粉煤灰=455×10%=45.5kg
礦渣=455×20%=91.0kg 水=455×0.4=182kg
砂石骨料總重量=（1000－337）×2.65=1757kg。其中，石屑1757×44%=773kg，石1757×56%=984kg。所有材料總重量為2394kg。
（4）石屑高性能混凝土配合比
按以上計(jì)算步驟，通過變化配合比參數(shù)，見表4，計(jì)算出3個強(qiáng)度等級的石屑高性能混凝土配合比，見表4。
表4 混凝土配合比設(shè)計(jì)表
| 編 號 | 水膠比 | 材料用量（kg/m3） | |||||||
| 水泥 | 粉煤灰 | 礦渣 | 小石 | 大石 | 石屑 | 水 | 減水劑 | ||
| HPC-40 | 0.40 | 318.5 | 45.5 | 91.0 | 787 | 197 | 773 | 180 | 8.19 |
| HPC-45 | 0.37 | 331.8 | 47.4 | 94.8 | 787 | 197 | 773 | 175 | 9.48 |
| HPC-50 | 0.34 | 346.5 | 49.5 | 99.0 | 787 | 197 | 773 | 168 | 11.38 |
3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
（1）混凝土工作性能及強(qiáng)度檢測
按簡易設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)的配合比拌制石屑高性能混凝土，檢測混凝土工作性能及抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)檢測結(jié)果見表5，混凝土抗壓強(qiáng)度發(fā)展趨勢見圖1。
表5 混凝土工作性能及抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果
| 編號 | 坍落度 （mm） | 擴(kuò)展度 （mm） | 和易性 | 容重（kg/m3） | 抗壓強(qiáng)度（MPa） | ||
| 7天 | 28天 | 56天 | |||||
| HPC-40 | 200 | 550 | 好 | 2390 | 40.3 | 51.8 | 54.7 |
| HPC-45 | 190 | 500 | 好 | 2420 | 45.7 | 52.2 | 57.0 |
| HPC-50 | 200 | 520 | 好 | 2440 | 46.0 | 55.2 | 63.6 |
圖1 混凝土抗壓強(qiáng)度發(fā)展曲線圖
由表5和圖1可見，3個強(qiáng)度等級的石屑高性能混凝土，工作性能（包括坍落度、擴(kuò)展度、和易性等）指標(biāo)均滿足實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求。石屑高性能混凝土由于摻入了礦渣和粉煤灰，因此用56d齡期抗壓強(qiáng)度進(jìn)行評定，3個強(qiáng)度等級的石屑高性能混凝土56d抗壓強(qiáng)度均滿足配制強(qiáng)度要求，強(qiáng)度發(fā)展曲線基本呈線性增長。
（2）混凝土耐久性能檢測
抗?jié)B透性能是高性能混凝土耐久性的重要指標(biāo)，抗?jié)B透性能包括抗氯離子滲透性能和抗水滲透性能?？孤入x子滲透性能通過電通量試驗(yàn)檢測，抗水滲透性能采用抗水滲透儀檢測，抗?jié)B透級別根據(jù)《混凝土耐久性檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 193-2009）【3】進(jìn)行評價(jià)。具體試驗(yàn)結(jié)果如表6和表7。
表6 抗氯離子滲透電通量實(shí)驗(yàn)結(jié)果
| 編 號 | 電通量（庫侖） | 抗?jié)B透級別 | |
| 28d | 56d | ||
| HPC-40 | 1232 | 600 | Q-Ⅲ |
| HPC-45 | 1056 | 522 | Q-Ⅲ |
| HPC-50 | 925 | 486 | Q-Ⅳ |
注：根據(jù)《混凝土耐久性檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)》，抗氯離子滲透性能等級的測量齡期為28d。
表7 抗水滲透實(shí)驗(yàn)結(jié)果
| 編 號 | 水壓力（MPa） | 試件透水情況 | 抗水滲透級別 |
| HPC-40 | 1.5 | 無 | ＞P12級 |
| HPC-45 | 1.5 | 無 | ＞P12級 |
| HPC-50 | 1.5 | 無 | ＞P12級 |
由表6可見，3個強(qiáng)度等級的混凝土試件28d電通量均低于1300庫侖，抗氯離子滲透效果都較好，均滿足設(shè)計(jì)低于1500庫侖的要求?；炷恋?6d電通量比28d電通量有大幅度降低，均接近于500庫侖，表明隨齡期的增長，混凝土的抗氯離子滲透性能還會進(jìn)一步提高。
由表7可見，3個強(qiáng)度等級的混凝土試件在水壓力加到1.5Mpa時，試件均未出現(xiàn)透水，抗水滲透級別均達(dá)到P12級以上，抗水滲透性能非常好，滿足設(shè)計(jì)要求。
石屑高性能混凝土的抗?jié)B透性能好，分析其原因：第一是簡易設(shè)計(jì)法通過對粗細(xì)骨料進(jìn)行緊密堆積，從而確定石屑與碎石的最佳比例，使骨料間的空隙率達(dá)到最小，提高了混凝土的密實(shí)性；第二是膠凝材料中摻入了礦渣和粉煤灰兩種礦物微粉，礦物微粉的顆粒極細(xì)，能有效填充混凝土中的空隙，提高混凝土的抗?jié)B透性能。
結(jié)論與建議
以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用混凝土配合比簡易設(shè)計(jì)法，配制出的石屑高性能混凝土，其工作性能和抗壓強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求，混凝土的抗?jié)B透性能也表現(xiàn)良好。實(shí)驗(yàn)證明，采用簡易設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)石屑高性能混凝土配合比是可行的。
石屑與碎石混合空隙率是確定膠凝材用量的最重要指標(biāo)，混合空隙率越大，所用的膠凝材就越多，因此應(yīng)優(yōu)先選用級配良好的石屑配制混凝土。砂率過大會使用水量增大，間接導(dǎo)致膠凝材料和減水劑用量增加，不利于混凝土的經(jīng)濟(jì)性。因此，當(dāng)最佳砂率超過45%時，建議取45%作為最佳砂率。
漿體富余系數(shù)是影響混凝土工作性能和強(qiáng)度的重要指標(biāo)，需要通過試拌來確定。由于石屑的棱角性偏多，影響和易性與流動性，其漿體富余系數(shù)一般在8%~12%左右，可以先從8%進(jìn)行試拌，再逐步增大。
參考文獻(xiàn)
【1】 吳中偉. 混凝土配合比簡易設(shè)計(jì)法[J]. 土木工程學(xué)報(bào)，1955.
【2】 楊榮俊. 高性能混凝土（HPC）配合比簡易設(shè)計(jì)法[C]. 吳中偉院士從事科教工作六十年學(xué)術(shù)討論會論文集，2004.
【3】 中國建筑科學(xué)研究院.《混凝土耐久性檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 193-2009）【S】. 中國建筑工業(yè)出版社，2009.
