石灰石尾矿砂在混凝土中的应用

时间：2024-09-30

姜连甲，殷继伟，马永胜

（1. 哈尔滨精典新型干混建材科技有限公司，黑龙江哈尔滨 150070；2. 哈尔滨佳连混凝土技术开发有限公司，黑龙江哈尔滨 150070）

0 引言

近年来，随着自然资源的枯竭，国家为保证生态环境，逐步开始限制河砂的开采，部分省市已经完全禁止开采。目前可开采、利用的天然砂资源越来越少，完全不足以供应下游企业的需要。这就导致许多预拌混凝土企业，生产所用的天然砂质量参差不齐，许多场地有限的企业更会出现粗砂、中砂、细砂混堆的情况。混凝土日常生产时，质量波动大，不利于混凝土的质量控制。许多企业的技术人员对机制砂嗤之以鼻，认为机制砂的级配差、含泥量高、对外加剂吸附性大。其实机制砂的质量优劣，与母岩的性能、生产设备、生产工艺有很大的影响。

石灰石是用来生产水泥的原料，矿山中部分石灰石的品质较低并不能用于生产水泥，但将这些品质较低的石灰石制成机制砂，可以在混凝土中得到良好的应用。

本文将通过试验分析天然砂与石灰石尾矿砂的区别，如何利用好尾矿砂保证混凝土的质量，同时完成降本增效的目标。

1 原材料性能指标

本文试验所用原材料性能指标见表 1～6。

表 1 P·O42.5 水泥性能指标

表 3 天然砂（河砂）性能指标

表 4 粗骨料（碎石）性能指标

表 5 混凝土泵送剂性能指标

表 2 Ⅱ级粉煤灰性能指标

表 6 机制砂性能指标

2 机制砂中石粉对胶砂强度的影响

筛出机制砂中 80μm 以下的颗粒。将筛出的石粉进行充分拌匀，烘干至恒重。此次试验将机制砂中的石粉看作为石灰石粉，按照 JGJ/T 318—2014《石灰石粉在混凝土中应用技术规程》的要求进行 28d 胶凝材料强度试验。

为了对比效果明显，石粉掺量以 5% 的整数倍进行递增。且保证胶砂流动度不小于 180mm。对比 28d 胶砂强度差异，分析不同掺量下的石粉，对水泥胶砂强度的影响，详见表 7。

表 7 石粉掺量对胶砂强度的影响

依据表 7 的数据可知，胶砂强度随着石粉掺量的提高，胶砂强度随之降低。当掺量为 0%～10% 范围内，水泥胶砂强度下降较缓慢，当掺量在 10%～20% 范围内，胶砂强度急剧下降。而从胶砂流动度来看，机制砂中的石粉掺量较低时，流动度比较好，但当掺量超过30% 以上时，胶砂流动度还是有较明显的影响。

JGJ/T 318—2014 中要求石灰石粉 28d 活性指数≥60%，试验数据显示，石粉的活性指数仅达到了48%。证明石灰石尾矿机制砂中的石粉，并不能完全当作石灰石粉来用。因为磨细石灰石粉的碳酸钙含量要求不低于 75%。而机制砂中的石粉碳酸钙含量较低，并且机制砂中的石粉没有经过系统的研磨，所以石粉的活性远远达不到石灰石粉的要求。

但是通过表 7 的数据可以看到，虽然石粉的活性较低，不能被用做矿物掺合料。但当石粉掺量在1%～10% 的范围内，胶砂强度仍有较高的活性。所以试验证明，在合理的掺量范围内，石粉可以取代少量的水泥。

严格意义来说，虽然石粉取代了少量的水泥，但仍不能称它为掺合料。

石粉可以取代少量的水泥，主要是因为石粉让水泥结构更密实，起到了一定改善微级配的效应，从而提高水泥结构强度。

3 机制砂对混凝土拌合物性能的影响

机制砂与天然砂有着本质的区别，天然砂表面更光滑圆润，配制出的混凝土流动性更好。

机制砂的颗粒多为棱角状，配制混凝土所需的拌合用水量大。所以通常来说相同条件下，机制砂所配制出的混凝土拌合物状态要差于天然砂。

通过相同的原材料，以不同比例复配河砂与机制砂，在保证外加剂掺量、用水量和胶凝材料用量不变，的情况下，比对混凝土的坍落度及拌合物状态。分析机制砂与天然砂，分别对混凝土拌合物流动性、粘聚性、保水性都有哪些影响。

通过对比 30min 混凝土的坍落度变化、60min 混凝土坍落度变化，分析机制砂与天然砂对外加剂相容性影响的区别，试验结果见表 8。

表 8 机制砂掺量对混凝土拌合物性能的影响

通过表 8 的数据可知，随着机制砂的掺量提高，混凝土的粘聚性变好，主要是因为天然砂的细度模数较大，级配断档。而机制砂中含有大量的石粉，填充了天然砂中所缺少的部分空隙。

随着机制砂的掺量提高，混凝土的保水性变好，主要因为尾矿砂与天然复配后，砂的比表面积更大，对拌合水的吸附及需求量增加，所以混凝土泌水现象有很大的改善。

随着机制砂的掺量提高，混凝土流动性的变化从差到优，再从优到差。从差变化到优，主要是因为天然砂的级配不合理，浆体包裹不住石头，浆体流动石头聚堆，所以混凝土的流动性差。随着尾矿砂比例的增加，使得混凝土级配更合理，浆体带着石头流，流动性变好。

但当机制砂比例超过 50% 时，混凝土的流动性有明显的下降，是因为混凝土中掺入了过多的石粉，使得混凝土特别粘稠，级配变得不合理，混凝土的扩散性降低，流动性变差。

通过表 8 的数据发现，单独使用天然砂时，混凝土初始坍落度小、坍落度损失大，而随着机制砂的比例增加，混凝土初始坍落度变大、坍落度损失变小，主要是因为天然砂中含泥量较高，而尾矿砂的 MB 值仅为0.5，说明尾矿砂对外加剂的吸附能力，要远远小于天然砂。

当机制砂的掺量过高时，由于机制砂的表面形貌特征的问题（图 1），混凝土拌合用水量有很大程度的增加，且由于石粉含量的增加，混凝土变得更加的粘稠。所以在用水量不变的情况下，混凝土的初始坍落变小。

图 1 河砂（左）和机制砂（右）在高倍放大镜下的表面特征

图 2 天然砂配制的混凝土

图 3 机制砂配制的混凝土

图 4 天然砂与机制砂复配后，配制的混凝土

所以通过试验得出，在考虑混凝土拌合性能的角度，天然砂与机制砂的复配比例按照 5:5 的比例最佳。

图 2 是单独使用天然砂配制的混凝土，混凝土粘聚性差、流动性差、工作度满足不了要求。混凝土坍落度损失大，外加剂掺量高。图 3 是单独使用机制砂配制的混凝土，混凝土特别粘稠、流动性差不宜泵送，混凝土边缘呈草帽状。图 4 为将天然砂与机制砂以 5:5 的比例复配后配制的混凝土，混凝土和易性好、扩展度大，坍落度损失小。

4 石灰石尾矿砂对混凝土强度的影响

为保证不受其他因素对混凝土强度的影响。采用单因素变量法比对，分别以不同比例复配机制砂与天然砂。其他材料以相同厂家、相同的批次，按照相同的配合比，在相同的环境下、相同的成型方法、相同的搅拌时间、相同的试验人员，严格按照 GB/T 50081—2002中的要求，将混凝土进行试拌成型。混凝土试拌基准配合比见表 9。

对比混凝土 3d、7d、28d 强度的差异，分析机制砂与天然砂对混凝土强度的影响（表 10）。

表 9 试验基准配合比 kg/m3

通过表 10 的试验数据可知，掺有机制砂的混凝土的强度，较天然砂混凝土有所提高，且随着机制砂的掺量提高，混凝土的早期强度、后期强度都所有提高，但当机制砂的掺量达到 60% 时，强度有所下降。

主要是因为，石灰石尾矿机制砂中的石粉，其中含有一定量的碳酸钙，虽然我们认为机制砂中的石粉属于惰性材料，但对混凝土的强度增长仍是有益的。

二是因为随着机制砂的加入，石粉填充了混凝土中的空隙，改善了微集料的级配，使得混凝土级配更加合理，混凝土更加密实，提高了混凝土的强度。

三是因为天然砂含泥量高而机制砂的 MB 值低，对混凝土的强度影响不大，当机制砂的 MB 值大于 1.4时，认为此时机制砂的石粉性能，近似于泥粉对混凝土有降强的效果。所以相对于许多高含泥量的河砂，掺配MB 值低的机制砂，变相的增加混凝土强度。

四是因为机制砂的表面多为棱角状，增加了混凝土骨料与水泥浆体的胶结能力，也就是常说的“握裹力”更强。

机制砂自身的空隙率要大于天然砂，当机制砂掺量过高时，混凝土的级配不合理空隙率更大。混凝土的强度会有所下降，所以通过试验数据发现，机制砂与天然以 3:7 的比例复配，强度更高。

表 10 强度试验数据