石子在混凝土中的应用及影响

由于近些年大量房地产的开发建设，作为混凝土原材料的砂石资源日渐枯竭，根据国家标准要求的级配优良的砂石已不多见，取而代之的是细度模数较小的细砂或人工砂石的开采和使用，对于混凝土的应用，机制砂石在混凝土中的表现明显异于天然砂石。本文是从石子品种、级配搭配的角度探讨石子在混凝土中的应用^[1]。

卵石是天然岩石经风化与侵蚀等作用后被破碎流入河流中，其中石质坚硬的部分留下来，软弱的部分受磨损失去棱角成为卵石状。一般情况下，河流上游的石粒径较大，越靠下游粒径变小，这样的石子配制出来的混凝土流动性好。碎石是天然岩石通过颚式、滚筒式等方式破碎，经筛分得到碎石，其母岩大都为花岗岩和石灰岩，碎石的优点是通过筛分可以对级配进行选择，但由于生产时采用的破碎方式不同，棱角、针片状可能偏多^[2]。表1是2015年对北京境内石子经采集试验后整理的数据。

1 石子级配对混凝土的作用及影响 

1.1 粒径5～25mm、5～20mm石对混凝土作用

1.1.1 原材料

水泥：太行水泥P·O 42.5，28d强度56.2MPa，标准稠度用水量29.0%；

矿粉：三河S95级，比表面积400m2/kg，流动度比96%，7d活性指数75%，28d活性指数95%；

粉煤灰：新路广F类I级，45um筛筛余10.0%，烧失量2.4%，需水量比92%；

减水剂：北京金隅水泥节能科技有限公司，聚羧酸系，固含量12%，减水率25%；

卵石：产地涞水，5～25mm连续级配，含泥0.4%，针片状含量3%；5～20mm连续级配，含泥0.1%，针片状含量1%；

天然砂：产地涞水，含泥3.6%，细度模数2.8。

砂石试验数据见表2。

1.1.2 配合比

混凝土配合比采用水胶比0.60、0.46及0.28，其配合比见表3；混凝土性能参数见表4。

1.1.3 试验分析

在工作性表现方面，试验中，随石粒径范围降低，混凝土工作性状态变差，由适宜泵送转变为难以泵送，外加剂有增加的需求。与相同粒径范围不同等级混凝土外加剂掺量调整规律不同。在水胶比0.28混凝土试验中发现，由于石子粒径范围导致混凝土工作性变化，通过外加剂掺量调整几乎无效果。

在强度表现方面，水胶比0.60及0.46时，5～20mm级配石子较5～25mm石子级配混凝土28d的强度分别降低8MPa和4MPa，水胶比0.28时混凝土强度则相反，升高6MPa。石子粒径范围及砂浆数量共同作用于混凝土强度。

1.2 石子级配对水胶比0.24混凝土作用

1.2.1 原材料

水泥：琉璃河水泥厂生产的低碱P·O 42.5，28d强度50.8MPa，标准稠度用水量28.0%；

矿粉：三河S95级，比表面积367m2/kg，流动度比96%，7d活性指数79%，28d活性指数108%；

粉煤灰：新路广F类I级，45um筛筛余6.3%，烧失量1.5%，需水量比94%；

减水剂：北京金隅水泥节能科技有限公司，聚羧酸系，固含量12%，减水率25%；

山碎石：首云，分别为5～2 0 m m、9. 5～2 6 . 5 m m、19～26.5mm、9.5mm∶16mm按6∶4搭配；

卵石：产地涞水，5～25mm；

天然砂：产地涞水，含泥1.4%，细度模数2.4。

集料具体筛分数据见表5。

1.2.2 配合比

试验过程中将砂率做适当调整，混凝土配合比见表6；

混凝土性能状态数据见表7。

1.2.3 试验分析

在工作性表现方面，石子级配的改变对混凝土外加剂的影响不大，石子级配对混凝土工作性影响明显。相比单粒级与搭配粒级石子，连续粒级石子的混凝土状态更好。搭配粒级石子由于粒级接近，小石子并未对大石子空隙进行很好的填充，显示混凝土石子多。单粒级石子则由于空隙率大，需要更多填充材料，仅通过外加剂掺量调整效果一般。

在强度表现方面，5～25mm和9.5～26.5mm粒级石子混凝土28d强度最高，5～20mm和9.5mm∶16mm搭配石子混凝土28d强度最低，5～20mm石子混凝土56d强度最低。

本次试验中胶凝材料数量维持不变，影响混凝土强度因素主要来自石子粒形、级配及填充效果。山碎石表面棱角多且空隙率较大，在砂浆数量充足的情况下，容易满足工作性要求。搭配石子中较小粒径石子并未对空隙进行很好的填充，反而增加了空隙，需要更多砂浆，影响了填充效果，导致混凝土强度降低。

1.3 不同品质石子对混凝土的作用

1.3.1 原材料

水泥：太行水泥P·O 42.5，28d强度51.2MPa，标准稠度用水量28.6%；

矿粉：三河S95级，比表面积408m2/kg，流动度比99%，7d活性指数85%，28d活性指数97%；

粉煤灰：新路广F类I级，45um筛筛余11.6%，烧失量1.4%，需水量比95%；新路广F类II级，45um筛筛余16.0%，烧失量3.4%，需水量比100%;

减水剂：北京金隅水泥节能科技有限公司，聚羧酸系，固含量12%，减水率25%；

天然砂：产地涞水，细度模数2.78，含泥2.8%，细度模数2.8；

卵石：产地涞水，5～25mm连续级配，含泥0.2%；

山碎石：首云，5～25mm连续级配，含泥0.2%。

集料具体筛分数据见表8。

1.3.2配合比

混凝土配合比采用水胶比0.45、0.38和0.33，其配合比见表9；由于试验过程中，通过降低砂率观察混凝土状态及强度变化，混凝土性能状态数据见表10。

1.3.3 试验分析

在工作性表现方面，应用卵石较山碎石，水胶比0.45混凝土更易于获得较好的流动性能（如数据体现，山碎石混凝土在砂率增加约2%时，才有较好的流动表现，即流速快）；水胶比0.27混凝土由于胶凝材料较多，该影响相对较小，这和集料的表观特征有关，在胶凝材料富余量不多时，光滑的表面更有利于混凝土颗粒的滚动，从而增加流动性能。

在强度表现方面，从不同水胶比的混凝土看，不同石子对混凝土强度影响不明显，无规律性。

1.4 搭配石子级配对混凝土性能影响

1.4.1 原材料（同1.3.1）

1.4.2 配合比

混凝土配合比采用水胶比0.45、0.38和0.33，通过降低砂率、搭配石子双重方法进行，其配合比见表11。石子进行搭配后，混凝土的状态及性能见表12。

1.4.3 试验分析

在工作性表现方面，在0.45、0.38水胶比混凝土中，由于搭配石子的使用，砂率适当降低，混凝土状态较好，在0.33水胶比混凝土中，混凝土外加剂需求量上升，显示水量不够。石子进行搭配后，空隙率减小或不变，对中高水胶比的混凝土有效的增加了混凝土流动性，水胶比0.33混凝土由于胶凝材料较多，该影响相对较小。

在强度表现方面，从不同水胶比的混凝土看，不同石子对混凝土强度影响不明显，无规律性。

2 在工程中的应用

地铁8号线7标木樨园至大红门区间段，地处北京繁华商业地段，地上交通复杂，车流量大，地铁施工均采取暗挖施工。区间段总长为600m，混凝土是从两端向中间浇筑，使用工地地泵，最长的泵送距离近300m，混凝土强度等级为C40P10，要求混凝土流动性良好，不离析，不堵泵，对混凝土和易性要求非常高。为此，施工方和站内技术人员都非常重视，前期进行技术交底，了解施工现场情况，站内根据自己站内原材料情况，石子采用二级配，进行多次试拌，确定混凝土配合比。混凝土配合比见表13；混凝土性能见表14。

站内经过多次试拌后，工程中采用此配合比，保持原材料质量稳定，克服运输过程中耗时、气温高、现场输送距离长等困难，浇筑顺利，方量累计1000余方，未造成混凝土离析、堵泵的情况，混凝土和易性良好。

结论

（1）山碎石配制混凝土单方混凝土质量大于卵碎石配制混凝土质量。

（2）卵碎石较山碎石在中水胶比混凝土中，外加剂需要量降低，更易于获得较好的流动性能，在低水胶比混凝土中，影响相对较小，山碎石混凝土较卵碎石混凝土28d、56d强度均有一定优势。

（3）石级配对低水胶比混凝土状态影响不大。随石子最大公称粒径的降低，中、高水胶比混凝土28d混凝土强度明显降低，低水胶比混凝土则相反。连续级配石混凝土状态好于单粒级石混凝土及搭配石混凝土。

（4）在石子进行搭配后，在中高水胶比中，适当降低砂率后可改善混凝土状态，低水胶比混凝土中，外加剂和水则需适当增加，对强度影响均较小。