摘要
根据混凝土配合比简易设计法，设计石屑高性能混凝土配合比，并通过实验对配合比设计思路进行验证，提出采用该方法配制石屑高性能混凝土应注意的问题，研究结果对石屑混凝土的应用有较好的指导意义。
一
前言
石屑是石场在生产碎石时产生的一种附属品，目前只用于基础垫层或平整场地等用途。但石屑的颗粒级配和物理性质与河砂接近，能够起到作为细集料填充粗集料空隙的作用，是一种非常适用于代替河砂配制混凝土的材料。在国内，有部分学者研究过石屑代替河砂配制混凝土的可行性，且证明是可行的，但对于石屑混凝土的配制方法研究较少，石屑高性能混凝土的配制方法研究更为罕见。由于石屑较河砂颗粒要粗、棱角性较多，导致用石屑配制混凝土时砂率的确定有别于河砂。又由于石屑中含有小于0.075mm的石粉颗粒含量一般都超过10%，而河砂中小于0.075mm的粉状颗粒含量一般都小于5%，这样也导致用石屑配制混凝土时用水量确定有别于河砂。因此，采用普通混凝土配合比设计规范来设计石屑混凝土配合比并不适用。
为探索适用于石屑全代砂高性能混凝土的配合比设计法，本文尝试采用混凝土配合比简易设计法配制石屑高性能混凝土，并通过实验对设计思路进行验证，实验证明该方法是可行的。采用该方法配制的石屑高性能混凝土和易性好，混凝土密实度高，混凝土抗压强度和耐久性能均表现良好。
二
石屑全代砂高性能混凝土简易配合比设计法
吴中伟院士[1]提出的简易配合比设计法，遵循绝对体积设计原理，以试拌调整法为主。核心思路是确定石屑与碎石最小空隙率，即混凝土中的粗细骨料为一体系，水和水泥为另一体系。根据二者的互补关系，在充分考虑工作性能的基础上，确定合理的水泥浆富余系数。通过确定最小骨料空隙率（即最佳砂率），最小水泥浆量等参数，配制出符合性能要求而又经济合理的混凝土[2]。配合比具体设计步骤如下：
第一步确定石屑高性能混凝土性能指标
高性能混凝土首先要有高工作性能，坍落度指标能达到180mm以上，而且还要具有高耐久性能。
第二步测定石屑与碎石混合空隙率，确定最佳砂率
采用紧密堆积密度的试验方法，检测不同砂率下石屑与碎石的混合容重，根据容重计算出混合料的空隙率，空隙率最小的即为石屑与碎石最佳掺合比例，对应砂率确定为最佳砂率。
第三步确定胶凝材料浆量
根据上一步得出的骨料最小空隙率，采用水泥浆填充骨料空隙，再加入合理的富余浆量，作为混凝土用浆量。富余系数取决于原材料性能及工作性能要求，如外加剂的品种和掺量对浆体富余系数影响较大，要通过试拌来确定。
第四步计算各组分材料用量
根据浆体体积、水胶比、砂率及原材密度等参数，通过配合比体积计算法，算出1立方混凝土各组分材料用量。
三
实验验证
3.1实验原材料
水泥：英德龙山水泥有限公司，“海螺牌”P·Ⅱ42.5R硅酸盐水泥，水泥28d 强度为46.2MPa，水泥密度3090kg/m3。
粉煤灰：河源发电厂，Ⅱ级粉煤灰，烧失量2.0%，需水量比87%，密度2260kg/m3。
矿渣：广东韶钢嘉羊新型材料有限公司，规格种类为S95型，流动力比102mm，烧失量1.0%，密度2860kg/m3。
碎石：中山市合力石场，小碎石规格5~16mm，大碎石规格16~31.5mm，鄂式破碎，小石和大石以8:2比例掺配组成5~31.5mm连续级配，密度测定为2670 kg/m3。
石屑：中山市合力石场，石屑颗粒级配为Ⅱ级，细度模数2.88，石粉含量13.2%，密度2630kg/m3。
减水剂：深圳五山建材实业有限公司，萘系缓凝高效减剂，水剂，固含量30.5%，减水率＞18%。
水：自来水。
石屑和碎石的颗粒分析，见表1和2：
表1 石屑颗粒级配
筛孔尺寸/mm9.504.752.361.180.600.300.150.075盘底
累计筛余/%016.543.053.067.675.484.089.8100
表2 碎石颗粒级配
筛孔尺寸/mm31.526.519.016.09.54.752.36盘底
累计筛余/%0.05.543.857.486.599.699.8100
3.2配合比设计
本次试验设计的石屑高性能混凝土配合比，强度等级设定为C40、C45和C50，坍落度设定为180~200mm，扩展度要求达到450mm以上，抗氯离子渗透电通量要求在1500库仑以下，抗水渗透性能要求不小于P12级。对每个配合比进行试拌，并检测混凝土容重、坍落度、扩展度、和易性和抗压强度，以及抗氯离子渗透性能与抗水渗透性能。
（1）确定水胶比
根据水泥强度，按照普通混凝土配合比设计规程计算水胶比，C40、C45和C50混凝土对应的水胶比分别是0.40、0.37和0.34。
（2）确定最佳砂率
先确定石屑与碎石混合料的最小空隙率。采用石屑填充碎石，检测石屑与碎石混合料（体积为10L）的紧密容重，砂率从36%开始，逐步增加，直到出现最大容重的拐点为止。再根据最大容重计算的空隙率，即为最小空隙率，对应砂率为最佳砂率。不同砂率对应的混合空隙率见表3。
表3 不同砂率对应的混合空隙率
砂 率(%)[1**********]6
两次平均混合料容重（kg/m3）[***********]222006
空隙率（%）27.725.925.124.123.724.3
由表3可见，砂率为44%时混合料容重最大，容重为2022 kg/m3，根据石屑与碎石混合后的表观密度2650 kg/m3，计算出石屑与碎石混合的最小空隙率α=23.7%，对应最佳砂率即为44%。
（3）确定配合比材料用量
根据上一步得出的最小空隙率α，浆体富余系数经试拌确定为10%，则浆体体积=α＋10%=33.7%，即每立方米混凝土胶凝材料用量为337L/m3。
以0.4水胶比为例计算配合比。为了提高石屑混凝土的耐久性能，采用矿渣等量替代水泥20%，粉煤灰等量替代水泥10%，水泥实际用量为70%。水泥表观密度3.09 g/cm3，矿粉表观密度为2.86 g/cm3，粉煤灰表观密度为2.26 g/cm3。
胶凝材料重量/浆体积=1/（0.7/3.09＋0.2/2.86＋0.1/2.26+0.4）=1.35。即1L浆体积用1.35kg胶凝材料。则胶凝材料总重=337L×1.35=455kg/ m3。
水泥=455×70%=318.5kg 粉煤灰=455×10%=45.5kg
矿渣=455×20%=91.0kg 水=455×0.4=182kg
砂石骨料总重量=（1000－337）×2.65=1757kg。其中，石屑1757×44%=773kg，石1757×56%=984kg。所有材料总重量为2394kg。
（4）石屑高性能混凝土配合比
按以上计算步骤，通过变化配合比参数，见表4，计算出3个强度等级的石屑高性能混凝土配合比，见表4。
表4 混凝土配合比设计表
编 号水胶比材料用量（kg/m3）
水泥粉煤灰矿渣小石大石石屑水减水剂
HPC-400.40318.545.591.[1**********]808.19
HPC-450.37331.847.494.[1**********]759.48
HPC-500.34346.549.599.[**************].38
3.3 实验结果与分析
（1）混凝土工作性能及强度检测
按简易设计法设计的配合比拌制石屑高性能混凝土，检测混凝土工作性能及抗压强度，试验检测结果见表5，混凝土抗压强度发展趋势见图1。
表5 混凝土工作性能及抗压强度实验结果
编号坍落度
（mm）扩展度
（mm）和易性容重（kg/m3）抗压强度（MPa）
7天28天56天
HPC-40200550好239040.351.854.7
HPC-45190500好242045.752.257.0
HPC-50200520好244046.055.263.6
图1 混凝土抗压强度发展曲线图
由表5和图1可见，3个强度等级的石屑高性能混凝土，工作性能（包括坍落度、扩展度、和易性等）指标均满足实验设计要求。石屑高性能混凝土由于掺入了矿渣和粉煤灰，因此用56d龄期抗压强度进行评定，3个强度等级的石屑高性能混凝土56d抗压强度均满足配制强度要求，强度发展曲线基本呈线性增长。
（2）混凝土耐久性能检测
抗渗透性能是高性能混凝土耐久性的重要指标，抗渗透性能包括抗氯离子渗透性能和抗水渗透性能。抗氯离子渗透性能通过电通量试验检测，抗水渗透性能采用抗水渗透仪检测，抗渗透级别根据《混凝土耐久性检验评定标准》（JGJ/T 193-2009）【3】进行评价。具体试验结果如表6和表7。
表6 抗氯离子渗透电通量实验结果
编 号电通量（库仑）抗渗透级别
28d56d
HPC-401232600Q-Ⅲ
HPC-451056522Q-Ⅲ
HPC-50925486Q-Ⅳ
注：根据《混凝土耐久性检验评定标准》，抗氯离子渗透性能等级的测量龄期为28d。
表7 抗水渗透实验结果
编 号水压力（MPa）试件透水情况抗水渗透级别
HPC-401.5无＞P12级
HPC-451.5无＞P12级
HPC-501.5无＞P12级
由表6可见，3个强度等级的混凝土试件28d电通量均低于1300库仑，抗氯离子渗透效果都较好，均满足设计低于1500库仑的要求。混凝土的56d电通量比28d电通量有大幅度降低，均接近于500库仑，表明随龄期的增长，混凝土的抗氯离子渗透性能还会进一步提高。
由表7可见，3个强度等级的混凝土试件在水压力加到1.5Mpa时，试件均未出现透水，抗水渗透级别均达到P12级以上，抗水渗透性能非常好，满足设计要求。
石屑高性能混凝土的抗渗透性能好，分析其原因：第一是简易设计法通过对粗细骨料进行紧密堆积，从而确定石屑与碎石的最佳比例，使骨料间的空隙率达到最小，提高了混凝土的密实性；第二是胶凝材料中掺入了矿渣和粉煤灰两种矿物微粉，矿物微粉的颗粒极细，能有效填充混凝土中的空隙，提高混凝土的抗渗透性能。
四
结论与建议
以上实验结果表明，采用混凝土配合比简易设计法，配制出的石屑高性能混凝土，其工作性能和抗压强度均满足设计要求，混凝土的抗渗透性能也表现良好。实验证明，采用简易设计法设计石屑高性能混凝土配合比是可行的。
石屑与碎石混合空隙率是确定胶凝材用量的最重要指标，混合空隙率越大，所用的胶凝材就越多，因此应优先选用级配良好的石屑配制混凝土。砂率过大会使用水量增大，间接导致胶凝材料和减水剂用量增加，不利于混凝土的经济性。因此，当最佳砂率超过45%时，建议取45%作为最佳砂率。
浆体富余系数是影响混凝土工作性能和强度的重要指标，需要通过试拌来确定。由于石屑的棱角性偏多，影响和易性与流动性，其浆体富余系数一般在8%~12%左右，可以先从8%进行试拌，再逐步增大。
参考文献
【1】 吴中伟. 混凝土配合比简易设计法[J]. 土木工程学报，1955.
【2】 杨荣俊. 高性能混凝土（HPC）配合比简易设计法[C]. 吴中伟院士从事科教工作六十年学术讨论会论文集，2004.
【3】 中国建筑科学研究院.《混凝土耐久性检验评定标准》（JGJ/T 193-2009）【S】. 中国建筑工业出版社，2009.
作者：周启源 蒋雪琴 谭世霖
信息来源：混凝土第一视频网
摘要
根据混凝土配合比简易设计法，设计石屑高性能混凝土配合比，并通过实验对配合比设计思路进行验证，提出采用该方法配制石屑高性能混凝土应注意的问题，研究结果对石屑混凝土的应用有较好的指导意义。
一
前言
石屑是石场在生产碎石时产生的一种附属品，目前只用于基础垫层或平整场地等用途。但石屑的颗粒级配和物理性质与河砂接近，能够起到作为细集料填充粗集料空隙的作用，是一种非常适用于代替河砂配制混凝土的材料。在国内，有部分学者研究过石屑代替河砂配制混凝土的可行性，且证明是可行的，但对于石屑混凝土的配制方法研究较少，石屑高性能混凝土的配制方法研究更为罕见。由于石屑较河砂颗粒要粗、棱角性较多，导致用石屑配制混凝土时砂率的确定有别于河砂。又由于石屑中含有小于0.075mm的石粉颗粒含量一般都超过10%，而河砂中小于0.075mm的粉状颗粒含量一般都小于5%，这样也导致用石屑配制混凝土时用水量确定有别于河砂。因此，采用普通混凝土配合比设计规范来设计石屑混凝土配合比并不适用。
为探索适用于石屑全代砂高性能混凝土的配合比设计法，本文尝试采用混凝土配合比简易设计法配制石屑高性能混凝土，并通过实验对设计思路进行验证，实验证明该方法是可行的。采用该方法配制的石屑高性能混凝土和易性好，混凝土密实度高，混凝土抗压强度和耐久性能均表现良好。
二
石屑全代砂高性能混凝土简易配合比设计法
吴中伟院士[1]提出的简易配合比设计法，遵循绝对体积设计原理，以试拌调整法为主。核心思路是确定石屑与碎石最小空隙率，即混凝土中的粗细骨料为一体系，水和水泥为另一体系。根据二者的互补关系，在充分考虑工作性能的基础上，确定合理的水泥浆富余系数。通过确定最小骨料空隙率（即最佳砂率），最小水泥浆量等参数，配制出符合性能要求而又经济合理的混凝土[2]。配合比具体设计步骤如下：
第一步确定石屑高性能混凝土性能指标
高性能混凝土首先要有高工作性能，坍落度指标能达到180mm以上，而且还要具有高耐久性能。
第二步测定石屑与碎石混合空隙率，确定最佳砂率
采用紧密堆积密度的试验方法，检测不同砂率下石屑与碎石的混合容重，根据容重计算出混合料的空隙率，空隙率最小的即为石屑与碎石最佳掺合比例，对应砂率确定为最佳砂率。
第三步确定胶凝材料浆量
根据上一步得出的骨料最小空隙率，采用水泥浆填充骨料空隙，再加入合理的富余浆量，作为混凝土用浆量。富余系数取决于原材料性能及工作性能要求，如外加剂的品种和掺量对浆体富余系数影响较大，要通过试拌来确定。
第四步计算各组分材料用量
根据浆体体积、水胶比、砂率及原材密度等参数，通过配合比体积计算法，算出1立方混凝土各组分材料用量。
三
实验验证
3.1实验原材料
水泥：英德龙山水泥有限公司，“海螺牌”P·Ⅱ42.5R硅酸盐水泥，水泥28d 强度为46.2MPa，水泥密度3090kg/m3。
粉煤灰：河源发电厂，Ⅱ级粉煤灰，烧失量2.0%，需水量比87%，密度2260kg/m3。
矿渣：广东韶钢嘉羊新型材料有限公司，规格种类为S95型，流动力比102mm，烧失量1.0%，密度2860kg/m3。
碎石：中山市合力石场，小碎石规格5~16mm，大碎石规格16~31.5mm，鄂式破碎，小石和大石以8:2比例掺配组成5~31.5mm连续级配，密度测定为2670 kg/m3。
石屑：中山市合力石场，石屑颗粒级配为Ⅱ级，细度模数2.88，石粉含量13.2%，密度2630kg/m3。
减水剂：深圳五山建材实业有限公司，萘系缓凝高效减剂，水剂，固含量30.5%，减水率＞18%。
水：自来水。
石屑和碎石的颗粒分析，见表1和2：
表1 石屑颗粒级配
筛孔尺寸/mm9.504.752.361.180.600.300.150.075盘底
累计筛余/%016.543.053.067.675.484.089.8100
表2 碎石颗粒级配
筛孔尺寸/mm31.526.519.016.09.54.752.36盘底
累计筛余/%0.05.543.857.486.599.699.8100
3.2配合比设计
本次试验设计的石屑高性能混凝土配合比，强度等级设定为C40、C45和C50，坍落度设定为180~200mm，扩展度要求达到450mm以上，抗氯离子渗透电通量要求在1500库仑以下，抗水渗透性能要求不小于P12级。对每个配合比进行试拌，并检测混凝土容重、坍落度、扩展度、和易性和抗压强度，以及抗氯离子渗透性能与抗水渗透性能。
（1）确定水胶比
根据水泥强度，按照普通混凝土配合比设计规程计算水胶比，C40、C45和C50混凝土对应的水胶比分别是0.40、0.37和0.34。
（2）确定最佳砂率
先确定石屑与碎石混合料的最小空隙率。采用石屑填充碎石，检测石屑与碎石混合料（体积为10L）的紧密容重，砂率从36%开始，逐步增加，直到出现最大容重的拐点为止。再根据最大容重计算的空隙率，即为最小空隙率，对应砂率为最佳砂率。不同砂率对应的混合空隙率见表3。
表3 不同砂率对应的混合空隙率
砂 率(%)[1**********]6
两次平均混合料容重（kg/m3）[***********]222006
空隙率（%）27.725.925.124.123.724.3
由表3可见，砂率为44%时混合料容重最大，容重为2022 kg/m3，根据石屑与碎石混合后的表观密度2650 kg/m3，计算出石屑与碎石混合的最小空隙率α=23.7%，对应最佳砂率即为44%。
（3）确定配合比材料用量
根据上一步得出的最小空隙率α，浆体富余系数经试拌确定为10%，则浆体体积=α＋10%=33.7%，即每立方米混凝土胶凝材料用量为337L/m3。
以0.4水胶比为例计算配合比。为了提高石屑混凝土的耐久性能，采用矿渣等量替代水泥20%，粉煤灰等量替代水泥10%，水泥实际用量为70%。水泥表观密度3.09 g/cm3，矿粉表观密度为2.86 g/cm3，粉煤灰表观密度为2.26 g/cm3。
胶凝材料重量/浆体积=1/（0.7/3.09＋0.2/2.86＋0.1/2.26+0.4）=1.35。即1L浆体积用1.35kg胶凝材料。则胶凝材料总重=337L×1.35=455kg/ m3。
水泥=455×70%=318.5kg 粉煤灰=455×10%=45.5kg
矿渣=455×20%=91.0kg 水=455×0.4=182kg
砂石骨料总重量=（1000－337）×2.65=1757kg。其中，石屑1757×44%=773kg，石1757×56%=984kg。所有材料总重量为2394kg。
（4）石屑高性能混凝土配合比
按以上计算步骤，通过变化配合比参数，见表4，计算出3个强度等级的石屑高性能混凝土配合比，见表4。
表4 混凝土配合比设计表
编 号水胶比材料用量（kg/m3）
水泥粉煤灰矿渣小石大石石屑水减水剂
HPC-400.40318.545.591.[1**********]808.19
HPC-450.37331.847.494.[1**********]759.48
HPC-500.34346.549.599.[**************].38
3.3 实验结果与分析
（1）混凝土工作性能及强度检测
按简易设计法设计的配合比拌制石屑高性能混凝土，检测混凝土工作性能及抗压强度，试验检测结果见表5，混凝土抗压强度发展趋势见图1。
表5 混凝土工作性能及抗压强度实验结果
编号坍落度
（mm）扩展度
（mm）和易性容重（kg/m3）抗压强度（MPa）
7天28天56天
HPC-40200550好239040.351.854.7
HPC-45190500好242045.752.257.0
HPC-50200520好244046.055.263.6
图1 混凝土抗压强度发展曲线图
由表5和图1可见，3个强度等级的石屑高性能混凝土，工作性能（包括坍落度、扩展度、和易性等）指标均满足实验设计要求。石屑高性能混凝土由于掺入了矿渣和粉煤灰，因此用56d龄期抗压强度进行评定，3个强度等级的石屑高性能混凝土56d抗压强度均满足配制强度要求，强度发展曲线基本呈线性增长。
（2）混凝土耐久性能检测
抗渗透性能是高性能混凝土耐久性的重要指标，抗渗透性能包括抗氯离子渗透性能和抗水渗透性能。抗氯离子渗透性能通过电通量试验检测，抗水渗透性能采用抗水渗透仪检测，抗渗透级别根据《混凝土耐久性检验评定标准》（JGJ/T 193-2009）【3】进行评价。具体试验结果如表6和表7。
表6 抗氯离子渗透电通量实验结果
编 号电通量（库仑）抗渗透级别
28d56d
HPC-401232600Q-Ⅲ
HPC-451056522Q-Ⅲ
HPC-50925486Q-Ⅳ
注：根据《混凝土耐久性检验评定标准》，抗氯离子渗透性能等级的测量龄期为28d。
表7 抗水渗透实验结果
编 号水压力（MPa）试件透水情况抗水渗透级别
HPC-401.5无＞P12级
HPC-451.5无＞P12级
HPC-501.5无＞P12级
由表6可见，3个强度等级的混凝土试件28d电通量均低于1300库仑，抗氯离子渗透效果都较好，均满足设计低于1500库仑的要求。混凝土的56d电通量比28d电通量有大幅度降低，均接近于500库仑，表明随龄期的增长，混凝土的抗氯离子渗透性能还会进一步提高。
由表7可见，3个强度等级的混凝土试件在水压力加到1.5Mpa时，试件均未出现透水，抗水渗透级别均达到P12级以上，抗水渗透性能非常好，满足设计要求。
石屑高性能混凝土的抗渗透性能好，分析其原因：第一是简易设计法通过对粗细骨料进行紧密堆积，从而确定石屑与碎石的最佳比例，使骨料间的空隙率达到最小，提高了混凝土的密实性；第二是胶凝材料中掺入了矿渣和粉煤灰两种矿物微粉，矿物微粉的颗粒极细，能有效填充混凝土中的空隙，提高混凝土的抗渗透性能。
四
结论与建议
以上实验结果表明，采用混凝土配合比简易设计法，配制出的石屑高性能混凝土，其工作性能和抗压强度均满足设计要求，混凝土的抗渗透性能也表现良好。实验证明，采用简易设计法设计石屑高性能混凝土配合比是可行的。
石屑与碎石混合空隙率是确定胶凝材用量的最重要指标，混合空隙率越大，所用的胶凝材就越多，因此应优先选用级配良好的石屑配制混凝土。砂率过大会使用水量增大，间接导致胶凝材料和减水剂用量增加，不利于混凝土的经济性。因此，当最佳砂率超过45%时，建议取45%作为最佳砂率。
浆体富余系数是影响混凝土工作性能和强度的重要指标，需要通过试拌来确定。由于石屑的棱角性偏多，影响和易性与流动性，其浆体富余系数一般在8%~12%左右，可以先从8%进行试拌，再逐步增大。
参考文献
【1】 吴中伟. 混凝土配合比简易设计法[J]. 土木工程学报，1955.
【2】 杨荣俊. 高性能混凝土（HPC）配合比简易设计法[C]. 吴中伟院士从事科教工作六十年学术讨论会论文集，2004.
【3】 中国建筑科学研究院.《混凝土耐久性检验评定标准》（JGJ/T 193-2009）【S】. 中国建筑工业出版社，2009.
作者：周启源 蒋雪琴 谭世霖
信息来源：混凝土第一视频网