混凝土重要的原材料_粗骨料.pdf

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1、 Beton Chinese Edition Ready-mixed Concrete 2012年第08期商品混凝土68博文天地混凝土重要的原材料粗骨料杨文科（中国民航机场建设集团公司，北京 100101）摘 要骨料是制作混凝土最重要的原材料之一。特别是粗骨料，对混凝土的许多性能有重要影响。本文就骨料的品种、不同品种骨料对混凝土性能的影响以及业界对粗骨料的要求看法分别做了介绍。关键词混凝土；粗骨料；强度骨料是制作混凝土最重要的原材料之一，特别是粗骨料，对混凝土的许多性能有重要影响。如抗冻、抗渗、干缩、耐久性等，都与骨料有密切关系。作者二十多年来几乎走遍了全中国，通过不同类型的工程，使用了全国绝

2、大多数地方的不同岩石所做的骨料后，整理成文，对这一问题做的总结和研究。混凝土所用的粗骨料岩石，是地球上分布最广泛的一种材料。岩石有沉积岩、火山岩和变质岩三种，不同的岩石对混凝土有不同的影响。1 骨料品种和成因概述不同的岩石当然成因不同，要想彻底弄清楚就得从工程地质学讲起，为了更简捷明确地描述这一问题，对我国混凝土常用的各种不同岩石的地质学成因，归纳结果如图 1 所示。图 1 简略地描述了沉积岩、火山岩和变质岩的形成过程，以及混凝土工程常用的各种岩石的名称及其形成的大概区域。图 1 沉积岩、火山岩和变质岩形成过程示意图图 1 是作者根据混凝土工程的实际需要从工程地质教科书中简化来的，有些地方可能

3、和地质学的原理不是十分相符，但主要是为了让混凝土工作者能简洁明了地认识岩石的形成及演化过程，对我们做好混凝土工程具有重要意义。1.1 沉积岩在沉积岩中，混凝土工程经常使用的岩石主要是石灰岩，石灰岩是沉积岩中最典型的一种。和其他岩石相比，在我国分布面较广，储量较多，是由远古时期海、湖里的动物死后骨骼沉积而形成的，由于动物骨骼中含有大量的钙离子（Ca2+），所以石灰岩的主要成分是 CaCO3。也有根据含钙离子（Ca2+）、镁离子（Mg2+）、硅离子（Si4+）的多少，称为钙质石灰岩、镁质石灰岩和硅质(泥质)石灰岩。成因有湖相沉积或海相沉积。由于其成因不同，颜色和密度差异也很大。砂岩也是一种典型的沉

4、积岩，有湖相沉积或海相沉积。由于其成因不同，颜色和密度差异很大。我国的绝大多数砂岩由于沉积和成岩时间短，工程力学性能差，不能用于混凝土骨料，如广东韶关、湖北恩施和陕西陕北的砂岩，都因为抗压强度太低，无法用做混凝土粗骨料。作者几十年来没有用砂岩做过粗骨料，只是在一些资料上看到我国个别地方有用砂岩做骨料的，砂岩和石灰岩如图 2 和图 3 所示。图 2 砂岩（左）和石灰岩（右）图 3 广东韶关砂岩1.2 火山岩在火山岩中，大致根据各种岩浆的化学组成不同，喷出时间和冷却程度不同，可分为急冷（喷出地面的岩浆，如玄2012年第08期 Beton Chinese Edition Ready-mixed Co

5、ncrete 商品混凝土69博文天地武岩等）、慢冷和暂时不冷（未喷出在地表深处的岩浆，如中粒式或粗粒式花岗岩等），其性能的差距很大，如图 4 所示。典型的如我国山东泰山的细粒式花岗岩，其密度、强度都非常高。图 4 玄武岩（上左），粗粒式花岗岩（上右）和中粒式花岗岩（下）花岗岩是火山岩中最常见的一种岩石，属酸性岩，但它并不是喷出岩。它是在火山喷发的过程中，由火山底部到火山瓶口这一段岩浆经过长时间的冷凝而成的。根据冷凝时间的长短，由火山口部到火山底部依次形成了不同粒径的、大部分肉眼可见的结晶颗粒。工程上把它们依次称为细粒式、中粒式和粗粒式花岗岩。玄武岩外观呈灰黑色。虽然也是火山岩和酸性岩，但它是在

6、火山喷发的过程中由喷出地面的岩浆通过急冷形成的。同时形成的还有因其他矿物成分含量的不同而形成的安山岩和流纹岩等，统称为喷出岩。这些岩石从几千度高温的地下瞬间喷出，到地面温度急剧下降，形成的岩石具有致密坚硬的特点。最典型、最标准的玄武岩为六棱形，如我国福建彰州、内蒙集宁等地的玄武岩，如图 5 所示。有些地方（如海南海口）的玄武岩其局部有肉眼可见的孔隙，我国大部分地区的玄武岩都具有密度大、吸水率低的特点。安山岩是喷出岩的一种，外观为灰黑色，在我国东北、内蒙等地地表较多，也是混凝土比较常用的骨料之一。灰绿岩是火山岩，但不是喷出岩，由地层深处的火山岩浆冷凝而成。由于含 CuSO4 相对较多，所以外观泛

7、有绿色。在我国东北、内蒙等地地表出露较多，也是混凝土比较常用的骨料之一。图 5 福建彰州的玄武岩凝灰岩是火山喷发时喷到天空中的粉尘落地沉积后形成的一种岩石，在我国浙江、上海一带出露较多。1.3 变质岩沉积岩、火山岩形成后，经过长期的地质作用就会变质，形成变质岩。我们可以这样认为，岩石和人一样，可以看作是从生到死循环往复的过程，这些岩石形成以后，长时间演化后就会变质，形成变质岩。如石灰岩，再经长期演化就会变质，成为大理岩，如图 6 所示。花岗岩的情况也是一样，火山爆发时在地面以下形成花岗岩，再经长期演化就会变质，形成片麻岩，如图7所示。片麻岩在我国分布比较广，三峡大坝地基就在片麻岩上。任何石头在

8、空气中暴露，长期风化腐蚀就会变成土，土再经过长期演化也会重新变成沉积岩。这也是我国东北为什么全是黑土地，南方是红土地，主要与当地地表暴露的岩石有关。图 6 大理岩 图 7 片麻岩根据作者在全国二十多个不同省市的工程经验，在我国地表出露的岩石中，以花岗岩、石灰岩居多，玄武岩次之，安山岩和灰绿岩、凝灰岩在局部地区较多。东北地区以玄武岩和安山岩为主；新疆北疆地区玄武岩较多；海南岛海口地区以玄武岩为主；三亚地区以花岗岩为主；上海、浙江杭州、宁波地区以凝灰岩使用居多；陕西、山西、河南、湖北及南方的许多地区主要是石灰岩；内蒙许多地方(特别是东部地区)主要是灰绿岩。2 不同岩石骨料对混凝土性能的影响2.1

9、对强度的影响在过去的混凝土理论中，骨料，特别是粗骨料自身的强度被列为决定混凝土强度的三大因素之一（其他两大因素是水灰比、水泥石与骨料粘结面的强度）。在现代混凝土中，这个结论显然已经出现了较大的偏差。Beton Chinese Edition Ready-mixed Concrete 2012年第08期商品混凝土70博文天地表 1 是作者 2000 年以前在新疆阿勒泰和乌鲁木齐机场所得出的结论，即使用花岗岩、石灰岩、玄武岩三种不同碎石时的混凝土强度值。表 1 使用花岗岩、石灰岩、玄武岩三种不同碎石时的混凝土强度值序号岩石名称水泥用量(kg)水灰比砂率(%)试验组数 n抗冻融次数 n平均抗压(MP

10、a)平均抗折(MPa)1花岗岩3200.453197856.095.972石灰岗3200.4432915750.346.843玄武岩3200.4432925151.017.72这几年在全国各地其他机场，特别是在广州新白云机场反复对花岗岩和石灰岩粗骨料在同等条件进行试验，结果是在同等条件下强度都差距不大。21 世纪以来，作者发现，只要是满足规范要求的各种粗骨料，对 C60 以下的混凝土强度的影响都不明显。我国其他学者和专家经过试验研究，也得出了相似的结论。吴中伟院士、廉慧珍教授合著高性能混凝土一书就认为：对 C50C80 混凝土来说，粗骨料本身的强度并不重要；文梓芸教授主编的大学教材混凝土工程与

11、技术一书也认为：对于普通混凝土，集料的强度对混凝土的强度影响较小。作者认为主要有以下三个因素引起这些变化：（1）过去的粗骨料加工方式是锷破，粗骨料中的针片状颗粒含量太多，使用粗骨料在受力时许多骨料受自身的弯拉因素影响。所以，过去粗骨料自身的弯拉强度对混凝土的强度影响就较大，典型的如粗粒式花岗岩，为显晶质颗粒结构，抗压强度相对较大而抗弯拉强度较小。而现在，大约从20 世纪末到 21 世纪初，我国在重要工程中都是采用锤式或反击式破碎机，使粗骨料的针片状含量大大降低。同时粗骨料的粒径也在不断向小的方向发展，这就使粗骨料对混凝土强度的影响(特别是负面影响)降低。（2）水泥的颗粒越来越细，使水泥石和骨料

12、的粘结状态得到改善。（3）在 20 世纪 90 年代以前，混凝土的水灰比基本在0.5 以上，水泥水化结束后多余的水泡多集中在骨料附近，在粗骨料周边形成了薄弱面。2.2 岩石的力学性能对混凝土其他性能的影响据国内外专家的研究，骨料的力学性能对混凝土的干缩、徐变和温度裂缝都有不同程度的影响。特别是骨料的密度，国外有研究认为，密度小的骨料使混凝土产生裂缝的可能性远大于密度大的骨料。对干缩问题，国外也有同样的结论。另外，国内外的研究都认为，骨料的弹性模量，对混凝土徐变有重要影响。另外，骨料的热膨胀系数对混凝土温度裂缝有影响。如热膨胀系数大的花岗岩骨料，产生温度裂缝的可能性比热膨胀系数小的石灰岩和玄武岩

13、要大得多。甚至在我国许多介绍耐久性的资料中，都要求尽量避免使用热膨胀系数大的骨料，如花岗岩。对这种说法作者不敢苟同，因为作者在全国做的工程，至少有 20%以上都是用花岗岩作骨料的，并没有发现它们的耐久性差于其他骨料。3 两种不同看法3.1 对规范中关于岩石强度要求的不同看法我国各行业的规范按不同的岩石种类对岩石的强度提出了不同的要求。这样的要求容易给人的错觉就是抗压强度高的岩石对混凝土各种性能的影响好于抗压强度差的岩石，而事实上这个问题比较复杂。特别是花岗岩，在同等密度的情况下抗压强度可能高出石灰岩，可对混凝土其他性能的影响又比石灰岩差。而这两种岩石在我国混凝土工程中使用量都较大。所以，这样划

14、分岩石优劣，作者认为是有偏差的。建议改为按岩石的密度和吸水率的高低来判断它的好坏，如表 2所示，用这种方法判断除了对石灰岩在弹性模量方面有些缺点外，其他方面都是比较准确的。3.2 河卵石的使用应该说，没有确凿证据能证明，河卵石的耐久性比碎石差，虽然这种说法在学术界很流行。作者在 20 世纪 80 年代以前做的工程，基本上都是以河卵石为粗骨料的，至今未发现比碎石混凝土劣化快。我国民航在 20 世纪 80 年代以前修建的机场跑道，也基本都是以河卵石为粗骨料的，有些经历了四五十年至今还在使用，并没有发现比碎石混凝土坏得快。认为河卵石比碎石差也许是出于这样一种假象：实验室对试件进行压力试验时，河卵石混

15、凝土基本都是在河卵石的光滑面处破坏的，而碎石却不一定是这样。作者做的 C60 以下混凝土配比，河卵石混凝土除 7 天强度比碎石偏低外，28 天强度和碎石混凝土没有明显差别。事实上，河卵石还有许多优于碎石的性能被忽视了。工程上常用的 0.54cm 规格河卵石，和碎石比有明显孔隙率低的特点。在一些特殊的工程如水下封混凝土（桥梁的水下灌注桩、沉井等），河卵石显示出比碎石更大的优越性。在达到同等强度时用河卵石作骨料可以大大降低水灰比、降低水泥用量并提高扩展度。在任何工程中，在同水灰比情况下，河卵石混凝土的坍落度以及在振动棒作用下的扩展度都远大于碎石混凝土。过去，有人对碎石混凝土和河卵石混凝土在同表 2

16、 岩石质量等级划分表性能等级视比重(g/cm3)吸水率（0.52cm）(%)质量评价7 天浸水抗压强度(MPa)代表岩石一等2.80以上0.6以下优300以上 玄武岩等二等2.68以上1以下良100以上石灰岩、绿灰岩、细粒式花岗岩等三等2.55以上1.2以下普通100以上粗粒式花岗岩、强度较差的硅质和泥炭质石灰岩等（下转第 40 页）Beton Chinese Edition Ready-mixed Concrete 2012年第08期商品混凝土40研究探索灰的掺量增加，水泥的强度下降幅度较大，但仍可达到 32.5水泥的技术要求。笔者认为这主要是水泥混合材在水泥水化过程中的优势互补效应所致。根

17、据上述试验分析我们可以初步得出，废弃混凝土在 42.5 水泥中的掺量为 15%，在 32.5 水泥中掺量为 25%比较适宜。3 废弃混凝土作为水泥混合材的作用机理探讨经相关研究表明：废弃混凝土主要成分依次为二氧化硅、水化硅酸钙凝胶。因此，可以初步认定废弃混凝土磨细粉具有一 定的活性，可以作为水泥的掺合料。混凝土主要由黄砂、石子、水泥等组成，黄砂和石子主要起到骨架支撑作用，在混凝土硬化过程中其固有特性不发生改变。水泥与水拌合后，熟料矿物（C3S、C2S、C3A、C4AF）发生水化反应，生成相应的水化产物 C-S-H 凝胶和钙矾石等，随着时间的推延，具有塑性的水泥浆体经过凝结、硬化，逐渐成为具有一

18、定强度的硬化水泥浆体，从而将砂石骨料胶结成整体，产生强度，成为坚硬的混凝土。水泥活性混合材的本质特征是具有直接或潜在的水化活性，即其组成中含有与水接触或在一定的激发条件下能发生水化反应形成胶凝性水化产物的相应组分，这是寻求和矿粉水泥混合材的基本出发点。硬化水泥浆体在混凝土中约占 20%（按质量计）以上，这是水泥混凝土所有组分当中资源和能源消耗最大、环境负荷最重、经济成本最高的部分。硬化水泥浆体中除水泥水化产物之外，还包括一定量的因粒度较大而未水化水泥熟料颗粒，且水灰比越低，未水化水泥越多。吴中伟等认为：当水灰比为 0.35 时，理论上（无水分损失）未水化水泥占硬化水泥浆体固体组分的 16.2%

19、。在实际施工条件下，未水化水泥远高于此值。在 C50、C60 及以上强度等级的混凝土水泥石当中，未水化水泥量甚至超过 30%。这部分未水化水泥颗粒再次粉磨细化后从水泥水化产物的包裹中分离出来，与水充分接触，再次水化并形成胶凝能力，是水硬性的直接贡献值，其次水泥粉磨过程中的机械力学作用使物料尤其是硬化水泥浆体的结构发生变化，晶格的扭曲及晶体结构的畸变使之处于热力学介稳阶段，大大的提高了其水化反应活性。从 B8 的试验中可以得到验证。粗骨料在混凝土中占 45%左右，黄砂占 30%左右。粗骨料有玄武岩和石灰石等。其中的石灰石可以直接作为水泥生产的混合材来考虑，石灰石作为水泥生产用混合材的报道很多，这

20、里就不再累述。玄武岩和黄砂作为水泥混合材生产熟料的报道相对较少，我们通过 B7、B9 和 C8、C9 的试验中发现他们对水泥强度的贡献和石灰石接近。黄砂粉在混凝土中可起到填充密实作用并参与反应，在常温下可以与水泥水化的 Ca(OH)2 发生化学反应。从 C8、C9 的试验我们看到玄武岩和石灰石的活性指数值较低，在水泥中起到惰性混合材的填充效应。我们知道混合材对强度的贡献表现在混合材化学成分的水化反应活性和超细粉的微粉填充叠加效应，当混合材中含有的化学成分与水泥熟料接近或者具有水硬性时，这些成份可以水化形成 C-S-H 凝胶、钙矾石或其他有强度的产物；对于惰性或低活性的混合材，只有很少的一部分发

21、生水化反应，因为这部分混合材对强度的贡献主要通过微粉填充增加水泥浆体的密实度来提高强度，水泥强度在早期主要依靠熟料和有水化反应活性的混合材提供，28d 强度主要依靠水泥熟料中后期水化反应的部分、有活性混合材水化反应的部分和混合材微粉填充增加水泥浆体的密实度来提高强度。因此废弃混凝土作为水泥混合材在理论上是可行的。4 结论据上分析，废弃混凝土作为水泥生产用混合材，在理论上是可行的。废弃混凝土中的硬化水泥石可以具有自发水化硬化的能力，而具有一定的活性；粗细骨料在胶凝材料中可以一部分参与水化反应，一部分作为填充效应提高水泥浆体的密实度来提高强度。废弃混凝土作为水泥混合材是完全可行的，在废弃混凝土单独

22、粉磨作为掺合料配制水泥时，用 52.5 水泥配制 42.5 水泥可以掺入 25%废弃混凝土磨细粉，配制32.5水泥时可以掺入 30%以上废弃混凝土磨细粉；在作为混合材共同粉磨粉磨生产 42.5 水泥时废弃混凝土适宜掺量为 15%，生产 32.5 水泥时适宜废弃混凝土掺量为 25%。利用废弃混凝土生产水泥，不改变水泥厂原来的生产工艺，利用废弃混凝土做水泥混合材具有良好的技术经济效益，在大力发展低碳环保，循环经济的今天有着广阔的应用前景。参考文献1 孙梨，钱大行废弃混凝土磨细粉与矿粉复合性能试验研究 J 洛阳理工学院学报（自然科学版）,2009,(6):6-8.2 田方，叶青，章天岗废弃混凝土磨细

23、粉作水泥混合材的试验研究J河北工业大学学报（自然科学版），2010，(12):23-25.3 李秋义建筑垃圾资源化再生利用技术M北京：中国建材工业出版社，2011.4 吴中伟，廉慧珍高性能混凝土M北京：中国铁道出版社，1999.作者简介王从军（1971），男，工程师，长期从事水泥、混凝土的质量管理和技术研发工作。通讯地址江苏省淮安市淮涟路铁路东 400 米（223002）水灰比情况下进行比较，作者认为这是不合理的。正确的做法是在同坍落度情况下进行比较。因为施工单位一般在现场配制同坍落度混凝土，根据作者的经验，在同一工地配制同一强度等级的混凝土，采用卵石做粗骨料，都会比采用碎石适当地降低水灰比，并同时适当减少水泥用量。在我国新疆等西北戈壁滩地区，卵石可以就地取材，可由于有些专家说耐久性不好，而使许多重要工程要到几十公里外的山里开山炸石，既大幅度增加了工程费用，又延误了工期、破坏了环境，给相对贫困的地方增加了经济负担。在对环保要求越来越高的今天，特别是在西北戈壁滩地区，我们更应提倡使用河卵石作骨料。作者简介杨文科，男，中国民航机场建设集团公司国际事务部副总经理。通讯地址北京市朝阳区北四环东路 111 号（100101）（上接第 70 页）