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摘要：利用石屑代替河砂是解决河砂资源紧缺的一种可能途径，目前石屑在核电工程中的应用还较少。本文通过对石屑混凝土的研究现状，以及对核电工程石屑与天然砂及民用石屑各项技术指标的对比研究，提出符合核电工程技术规格书要求的石屑技术指标，将石屑替代天然砂应用于核电工程，从而减少资源浪费及场地占用，节约建设成本。
1 前言
混凝土是核电工程建设中用量最大的建筑材料，其中砂是混凝土的重要组成部分，由于近年来基础建设的增加以及城镇化的加速，天然河砂供应日趋紧张，且天然砂是一种地方性资源，短期内不可再生，也不利于长距离运输，长期滥采滥用，对自然环境产生了严重破坏。另一方面，石屑作为碎石生产过程中的副产品，在石料加工过程中产生了大量的石屑，据统计，每加工100t碎石，大约产生20-30t的石屑，不仅占用场地而且污染环境。【1】因此，将石屑应用于混凝土取代河砂具有较高的经济和社会价值。
本文主要通过对石屑混凝土的研究现状，以及对核电工程石屑与天然砂及民用石屑各项技术指标的对比研究，提出符合核电工程技术规格书要求的石屑技术指标，利用石屑代替天然砂应用于核电工程，在保证混凝土性能的前提下，降低混凝土生产成本，充分利用碎石生产过程中产生的石屑，减少资源浪费，缓解天然砂的供需矛盾，减少耕地占用，保证核电站的可持续发展。
2石屑混凝土的研究现状
石屑是采石场加工矿石时通过最小筛孔(通常为2.36mm或4.75mm)的筛下部分,也称筛屑。石屑的颗粒级配和物理性质与天然砂接近。与天然砂相比，石屑具有质地坚硬表面粗糙多孔，有尖锐棱角，粘结性能良好等特点，并且含有大量粒径小于0.16mm的石粉。一定量的石屑对混凝土的强度、和易性、抗冻性、抗渗性能都有明显的改善，因而石屑是一种比较适宜的代砂材料。
我国在二十世纪90年代初就开始了石屑代砂的试验和研究。但其在实际工程中的应用仍较少，主要是由于对石屑性能的研究不足，对石屑的质量以及其对混凝土性能影响的规律掌握不足。【2】
由于各地石屑性质差异大，因此研究结果差异较大，应根据石屑本身特性，进行一定试验，找到最佳石屑代砂比例。
3石屑混凝土在核电工程的应用现状
面对全球气候变暖的巨大压力，调整能源机构，节能减排，核电作为一种清洁能源，安全高效发展核电成为必然趋势。以CAP1400压水堆核电站为例，混凝土需求量达80万方，需要碎石约80万吨，开采天然砂约60万吨，这对自然环境也产生了一定的影响。
核电站生产碎石一般采用颚式破碎机、圆锥破碎机，每生产100m3碎石约产生20%的石屑，不仅占用场地且污染环境，若能加以利用，不仅可以缓解建设需求与天然骨料短缺之间的矛盾，避免过度开采对人居环境的影响，减少石料加工带来的污染问题，还能改善混凝土的和易性、抗渗抗冻性，对于保证工程质量和降低工程造价有着一定的社会和技术效益。
核电工程由于质保等级要求高，对混凝土及其原材料的质量要求较高，目前石屑混凝土在核电工程仅应用于基础垫层、材料堆场及平整场地等用途，未用于核岛、常规岛以及其他适宜部位。根据《常规岛及其BOP混凝土技术规格书》技术要求，混凝土所用的砂子应符合标准《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》JGJ52-2006的要求，具体技术指标如下：
若要将石屑应用于核电工程混凝土，首先需对石屑的各项技术指标进行系统性的研究，掌握其对混凝土性能影响的规律。
4石屑的技术指标研究
本文根据《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》JGJ52-2006及技术规格书，将石屑各项技术指标与天然砂进行对比研究，探索其是否符合标准及技术规格书的要求。
试验样品：核电石屑：核电石料厂；天然砂：文登祥源福利II区中砂；民用石屑：某民用搅拌站。
4.1颗粒级配
颗粒级配对混凝土强度及工作性能影响效果显著，配制混凝土时宜优先选用II区中砂。颗粒级配分析方法采用JGJ52-2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》规定的方法，对核电石屑、民用石屑及天然砂进行试验，筛分结果见表1、表2、表3：
表1 核电石屑的筛分结果
根据JGJ52-2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》中要求，砂的级配区按0.63mm的累计筛余划分为三个级配区。其中I区为71%~85%，II区为41%~70%，III区为16%~40%。
由表1可见，核电石屑在0.63mm累计筛余52%，与天然砂接近，符合II区中砂。与天然砂相比，核电石屑大于2.5mm颗粒含量比天然砂高5%，中间颗粒（1.25~0.315mm）含量比天然砂低21%，0.16mm及以下含量比天然砂高16%，核电石屑颗粒级配在累计筛余在2.5mm及0.16mm超出分界线，总超出量大于5%，不符合规范要求。核电石屑细度模数符合标准及技术规格书的要求。
表3为民用搅拌站石屑筛分结果，其结果与核电工程石屑基本一致，细度模数为2.6，累计筛余在0.63mm为56%，累计筛余在0.16mm超出分界4%，基本符合符合II区中砂的要求。
4.2含泥量(石粉含量)
石粉和泥粉都是粒径小于80μm的颗粒，但两者对混凝土的作用是不同的。石粉结构密实，适量的石粉含量可以改善混凝土骨料级配，增加混凝土浆体含量，改善拌合物的工作性，提高混凝土的抗压强度及耐久性。有研究表明，在人工砂石粉含量不大于14%时，随着石粉含量的增大，可以改善混凝土拌合物的和易性，提高混凝土的抗压强度。【3】
表4 天然砂与石屑含泥量（石粉含量）检测结果
根据JGJ52-2006《普通混凝土用砂、石质量及检验标准方法》中人工砂及混合砂中石粉含量试验进行测定，亚甲蓝值＜1.4时，判定石屑中以石粉为主，MB值≥1.4时，则判定以泥粉为主的石粉。
通过实验测定，核电工程石屑亚甲蓝值为0.9＜1.4，说明核电石屑中粒径小于75μm的颗粒以石粉为主，石粉含量可改善混凝土拌合物的和易性，提高混凝土的抗压强度及耐久性能。
对民用石屑亚甲蓝值的测定，当加入亚甲蓝30mL,MB值＞1.4时，搅拌后将悬浊液滴于滤纸上，沉淀物周围未出现色晕，由此判定民用石屑以泥粉为主。而泥粉一般会降低混凝土和易性，抗冻性，抗渗性，增加干缩。而且对于高强度的混凝土的抗压，抗拉，抗折，轴压，弹性模量，收缩，抗渗，抗冻等性能均有不良影响，因此不能用于配制核电工程用混凝土。
4.3泥块含量
泥块含量是指砂中公称粒径大于1.25mm，经水浸洗、手捏后小于630μm颗粒的含量。泥块含量对混凝土抗压强度、抗渗性能、收缩性能均有影响。
通过试验研究表明，石屑中的泥块含量均符合标准及技术规格书的要求。
4.4表观密度、堆积密度、空隙率
砂的表观密度、堆积密度、空隙率是影响混凝土配合比设计的重要因素，砂子的空隙率越大，需要的胶凝材料就越多。根据JGJ52-2006《普通混凝土用砂、石质量及检验标准方法》进行试验，石屑的表观密度、堆积密度、空隙率均符合要求。
表5 天然砂与石屑泥块含量检测结果
通过试验对比可以看出，天然砂与核电石屑表观密度、堆积密度、空隙率均符合技术规格书的要求，且核电石屑的空隙率最小，密实度最好，民用石屑空隙率最大，密实度最差，其堆积密度和空隙率均不符合核电工程技术规格书的要求。
5实验结果分析
通过对天然砂、核电石屑、民用石屑各项技术指标的研究与对比，核电石屑的表观密度、堆积密度、空隙率、泥块含量指标均符合核电技术规格书及标准规范要求。而民用石屑的含泥量、堆积密度、空隙率等均不符合要求。核电石屑的颗粒级配与天然砂相比，呈现“两头大、中间小”的趋势，且石粉含量超出规范要求，这样配制出的混凝土保水性差，易离析泌水，因此不适合全部代天然砂配制强度较高的混凝土。可通过核电石屑与砂复配技术，配制出颗粒级配良好，符合要求的细骨料。本文采用核电石屑掺量30%、40%、50%、60%进行进一步试验，寻找核电石屑与天然砂的最佳级配。
5.1 颗粒级配
表8 核电石屑与天然砂砂按比例掺配的筛分结果
通过实验可以看出，采用石屑和天然砂按照上述方法进行调配，石屑掺量在30%、40%、50%时，各级累计筛余均符合II区砂的要求，级配良好、可用于配制强度较高的混凝土。
5.2石粉含量
表9 天然砂与石屑按比例掺配石粉含量检测结果
根据JGJ52-2006《普通混凝土用砂、石质量及检验标准方法》中对人工砂或混合砂中石粉含量的要求，如需配制C30以上强度的混凝土，石粉含量应小于等于7.0。通过掺配试验结果可知，石屑掺量在30%、40%时符合要求，掺量大于40%时，只能用于配制C25以下的混凝土。
5.3表观密度、堆积密度、空隙率
在混凝土配合比设计中，采取合理的级配使骨料具有较小的空隙率，可以减少混凝土中水泥浆体的量，可以更充分发挥骨料的作用。
通过掺配试验，可以得出，石屑掺量在40%时，空隙率为36%，级配最合理。
6结论
（1）核电石料厂生产的石屑与天然砂相似，其表观密度、堆积密度、空隙率、泥块含量指标符合技术规格书及标准规范要求。（2）民用石屑含泥量主要以泥粉为主，不适宜配制混凝土。核电石屑主要以石粉为主，且石屑掺量在30%、40%，其石粉含量可控制在7%以内，符合配制高强度混凝土的要求。（3）通过核电石屑与天然砂按4:6掺配，可配制出符合规范要求，级配良好的细骨料。
参考文献
[1]霍曼琳 采石场废弃石屑在水泥胶砂试件中代砂掺量的试验研究_工业建筑2016年第46卷第1期
[2]吴树敏石屑混凝土研究进展,建筑技术，2010年1月第41卷第1期
[3]谢丽莉，人工砂石粉含量对混凝土性能影响的试验研究，四川水力发电2012.01
论文作者:廖青,李伟,陈海波,黄友芬,高奇
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第33期
论文发表时间:2019/3/6
标签：核电论文; 混凝土论文; 含量论文; 空隙论文; 密度论文; 颗粒论文; 工程论文; 《建筑学研究前沿》2018年第33期论文;