石灰石资源全利用制备混凝土在建筑工程中的应用

 济南长兴建设商砼有限公司 汪丕明

1. 预拌混凝土企业进行科技创新的必要性
（1）技术创新有助于创造产品的成本优势
只有通过不断地技术创新，充分掌握材料的应用技术，掌握实现混凝土的各项性能的最新关键技术，才能更好的平衡混凝土性能、质量和材料成本三者之间的关系，才能在确保混凝土质量的前提下，有效降低材料成本，确立企业的成本优势。
（2）技术创新是企业发展的根本动力
通过企业技术人员有针对性的试验工作，积极发展新材料应用技术、开发新产品、拓展产品的应用范围，企业才能把握市场主动权，提高市场占有率，提高企业声誉，促进企业的全面发展。
（3）技术创新是申请高新技术企业的基础
高新技术企业可以获得税收减免优惠政策（主要是指企业所得税由25%降低为15%）。只有进行技术创新，企业才能获得核心知识产权，才能为申请高新技术企业奠定良好的基础。
2. 本项目的主要研究内容简介
2.1 本项目的主要研究内容
本课题是针对石灰石资源一条龙生产石灰石粉、机制砂和碎石，并将其成功应用到混凝土中而开展的，以使用量最大、使用面最广的C30混凝土为例，结合室内试验研究和实际工程应用，取得了一系列研究和应用成果，主要如下：
（1）明确提出石灰石资源全利用的具体有效途径。提出了石灰石资源一条龙生产石灰石粉、机制砂和碎石的生产工艺流程和关键参数指标，即用于混凝土中的石灰石粉的细度要求为45μm方孔筛筛余不宜超过15%，而其在胶凝材料体系中的含量不宜超过25%，机制砂石粉含量不宜超过8%，实现了石灰石资源的全利用；
（2）在混凝土配合比设计方面，将作为掺合料的石灰石粉和机制砂中的石粉叠加考虑来进行配合比设计。避免了片面考虑对混凝土性能，特别是工作性和外加剂掺量等技术指标带来的影响；
（3）在石灰石粉用量的限值方面，提出石灰石粉在胶凝材料体系中的含量限值：用于水泥基材料的石灰石粉的细度要求为45μm方孔筛筛余不宜超过15%，其在胶凝材料体系中的含量限制不宜超过25%；
（4）在降低混凝土收缩的技术措施研究方面，提出采用聚羧酸减水剂降低石灰石资源全利用制备的混凝土的开裂敏感性，以保证该混凝土良好的体积稳定性。
（5）结合实际工程要求，开展了石灰石资源全利用制备混凝土在建筑工程中的应用，提出了其质量控制技术和措施，并对其进行了质量检测和评定。此项技术降低了混凝土对日益紧缺的天然河砂和传统矿物掺合料粉煤灰等的过度依赖，走出了一条可持续发展的绿色混凝土之路。
2.2石灰石资源全利用制备混凝土在建筑工程中的应用
      为了在实际工程中应用石灰石资源全利用制备混凝土，以实际工程使用量最大的C30混凝土为例，在试验室较充分地研究了混凝土的工作性、强度、体积稳定性和部分耐久性指标，得出了该混凝土的配合比设计方法和关键技术参数指标，在掺加10%石灰石粉的基础上，使用该石灰石资源材质的混凝土的机制砂最佳石粉含量为8%。为此在实际建筑工程中使用C30石灰石资源全利用制备混凝土，以得出该混凝土的应用关键技术。
      本工程为济南长清大学科技园商业商务公寓4#楼，位于济南西部新城，A3号路南侧，A4号路北侧，3号路的西侧，建筑面积约15477.24平米，设计使用年限50年。主体为框架剪力墙结构，基础形式为筏板。建筑高度57.3米。设计为主楼梁板柱为现浇C30混凝土。
      由于工期相对较紧，而当地储备的质量合格的粉煤灰和矿粉相对较少，难以满足建筑工程的连续施工浇筑总量，同时对于使用量较大的细骨料，由于其质量波动性较大，导致所配制的混凝土质量也存在一定的波动，在加上外运质量合格的粉煤灰、矿粉和河砂等混凝土原材料，势必增加工程造价，而在工程附近有一大型采石场，工程所用碎石均来自该采石场。为节约工程造价，保证工程建设的施工连续性和工程质量，在与业主、设计、监理和相关职能部门等单位的协商下，决定采用采石场一条龙生产的石灰石粉、机制砂和碎石等原材料制备混凝土进行该工程建设。
      前期室内试验研究工作所采用的混凝土原材料均采自现场材料，因此室内研究工作对济南长清大学科技园商业商务公寓的施工具有很好的对应指导关系，该建筑工程混凝土具体配合比见表1；
表1 石灰石资源全利用制备混凝土的施工配合比 /kg/m3
水泥 粉煤灰 矿粉 石灰石粉 砂 碎石 水 外加剂
  240 60 50 40 874(机制砂) 947 180 9.8

（1）原材料的质量控制
P•O42.5水泥采用散装水泥，在使用前应对其强度、安定性及其它必要的性能指标进行复验。石灰石粉应尽量使用散装罐存，并明确标识，并对细度、烧失量和活性指数等指标进行不定期的抽查，如果石灰石粉的产源有变化的话，有必要检测其矿物和化学组成。机制砂和碎石应进行搭设厂篷遮阳避雨堆放，对机制砂应不定期地检测其石粉含量，以保证机制砂石粉含量的稳定性，同时检测其亚甲蓝试验以区别机制砂中所含石粉和泥粉含量。如遇机制砂技术参数指标波动较大时，应立即调整混凝土配合比，并通过材料生产工艺，保证生产出的机制砂和碎石质量。聚羧酸减水剂在在进厂时进行相应检测。
（2）混凝土搅拌和运输
      在采用石灰石资源全利用技术生产混凝土时，由于胶凝材料体系的组成更为复杂，混凝土的搅拌时间宜延长10s~20s，保证聚羧酸减水剂、机制砂和胶凝材料等的充分混合，以发挥其综合效应，其搅拌制度。
    混凝土的运输应安排专人专车负责，在运输前应检查混凝土搅拌运输车车内是否存留有积水，运输时应考虑最近的运输路线，混凝土从搅拌机中卸出到施工现场卸料完毕一般不应超过90min，在整个运输过程中严禁加水。
（3）混凝土浇筑和振捣
       混凝土在浇筑前，应对混凝土进行工作性能的检测，如图3所示。在浇筑时，应控制好混凝土的均匀性和密实性，混凝土拌合物运至浇筑地点后，应立即浇筑入模；混凝土柱竖向超过3m时，应借助于串筒或溜管等设备浇筑，混凝土梁板一般同时浇筑，从一端开始向前推进。
       当混凝土坍落度在现场难以达到泵送要求时，应在技术人员的指导下加入适量的减水剂，并快速旋转混凝土搅拌运输车，混凝土达到泵送要求后方可进行浇筑。
        混凝土的浇筑和振捣如图4和图5所示。混凝土浇筑时宜采用高频振捣器或附着式平板振捣器等设备进行振捣密实。为保证混凝土达到充分的密实性，振动操作应快插慢拔，每一振点持续时间应使混凝土表面呈现浮浆或不再沉落为宜。当被振混凝土表面有清晰的轮廓呈现，浮浆为一水平面，且无大量气泡排出，即表明混凝土已被振捣密实。避免混凝土振动时间过长，导致混凝土离析，粗骨料下沉，进而导致结构不均匀。
（4）混凝土的养护
     由于石灰石资源全利用制备的混凝土开裂敏感性较大，因此对其养护提出了更高的要求。混凝土养护的目的是为了让混凝土中的胶凝材料尽可能地充分水化，因而充足的保湿条件对混凝土养护很重要。混凝土浇筑振捣密实后，应立即对其加以覆盖塑料薄膜养护，如图6所示。
     在混凝土终凝后应洒水或喷雾养护，洒水次数和程度以保持混凝土表面湿润为准，其养护时间一般不少于14d。
3. 有益效果
3.1混凝土的质量检测
     在不同龄期对石灰石资源全利用制备的混凝土进行跟踪检验，采用回弹法对该混凝土强度进行普查，同时结合部分钻取芯样法对混凝土强度进行检测，其28d龄期部分回弹法检测结果见表2所示，钻取的部分混凝土芯样，如图7所示。从表2可以看出，石灰石资源全利用制备的混凝土28d强度基本保持在38MPa左右，均满足C30的强度要求，同时从其碳化深度和强度可以看出，该混凝土的匀质性较好，这表明该混凝土的配制和应用技术较为完善，实现了石灰石资源全利用制备的混凝土在实际工程中地成功规模化应用。

表2 部分回弹法检测得到的石灰石资源全利用制备的混凝土强度
轴线 碳化深度/mm 推定值/MPa 达到设计百分比/%
1-11轴交1-B轴 1.5 36.8 123
1-12轴交1-C轴 1.5 38.1 127
1-14轴交1-B轴 1.5 36.8 123
1-16轴交1-G轴 2 37.8 126
1-17轴交1-F轴 1.5 38.7 129

    通过长期跟踪发现石灰石资源全利用制备的混凝土没有开裂现象，没有看到明显裂缝，由此可见通过相关技术措施可以降低该混凝土的开裂敏感性，采用该混凝土浇筑的混凝土梁板柱外观光滑平整，表面无斑点和水纹现象，无孔洞和蜂窝等质量缺陷。
3.2 该项技术的社会效应
    采石场在生产碎石时不可避免的要产生大量废弃物如石屑等，通过石灰石资源全利用制备混凝土的课题实施，实现了石灰石资源一条龙生产石灰石粉、机制砂和碎石等混凝土原材料，变废为宝，实现了废弃物的高效利用，同时也节约了石灰石资源的浪费，也符合国家目前提倡的节能环保政策，如不对其废弃物加以利用，在干燥天气时，到处粉尘飞扬，影响生态环境。该混凝土的成功制备和在实际工程中的应用，提高了工程界对推广使用该混凝土的信心，同时也给当地居民提供了更多的就业机会，也提高了当地混凝土的应用技术水平，在社会上产生了很好的社会效应。
3.3 该项技术的技术效应
    石灰石资源全利用制备混凝土的成功实施有效解决了当地混凝土对日益紧缺的传统矿物掺合料如粉煤灰和矿粉以及天然河砂的供需矛盾关系；由于采用的是石灰石资源一条龙生产石灰石粉、机制砂和碎石，而这种人工机械化生产可以实现产品的可调可控，保证了混凝土矿物掺合料和骨料的质量和稳定性，从而可以保证混凝土的质量，摆脱了混凝土质量对粉煤灰和矿粉以及河砂质量波动性的过度依赖，提高了混凝土的应用技术水平；同时石灰石资源全利用制备的混凝土提高了混凝土的绿色度，走出了一条绿色可持续发展之路，值得大力推广使用。
3.4该项技术的经济效益分析
1. 直接经济效益
    以实际工程所用的C30普通商品混凝土和石灰石资源全利用制备的混凝土进行生产成本对比，可得到采用石灰石资源全利用制备的混凝土的直接经济效益。当地混凝土原材料价格见表3，混凝土配合比见表4。
表3 混凝土原材料价格 元/吨
水泥 粉煤灰 矿粉 石灰石粉 河砂 机制砂 碎石 NC-F1 NC-F1(J)
  315 90 215 20 50 46 40 2000 2000
表4 石灰石资源全利用制备的混凝土和普通商品混凝土配合比 kg/m3
混凝土 水泥 矿物掺合料 砂 碎石 水 外加剂
  粉煤灰 矿粉 石灰石粉
普通C30 240 75 75 — 838(河) 983 175 9.8 NC-F1
C30 240 60 50 40 874(机) 947 175 9.8 NC-F1(J)

结合表3和表4，本公司使用的原材料使用数量计算.得到石灰石资源全利用制备的混凝土原材料成本为184.85元/m3，普通商品混凝土的原材料成本为197.30元/m3。采用石灰石资源全利用技术制备混凝土，比采用河砂和普通掺合料的混凝土原材料成本可节约12.55元/m3，比采用机制砂和普通掺合料的混凝土原材料成本可节约5.8元/m3。按混凝土年产量为60万m3的混凝土搅拌站计算，采用石灰石资源全利用技术制备混凝土，比采用河砂和普通掺合料的混凝土可节约成本700余万元/年，比采用机制砂和普通掺合料的混凝土原材料成本可节约300余万元/年，经济效益显著。
2. 间接经济效益
石灰石资源全利用制备混凝土的间接经济效益十分巨大。采用石灰石资源一条龙生产石灰石粉、机制砂和碎石，这种生产模式可以实现产品性能的调控，保证产品的质量和稳定性，从而可以保证混凝土的质量，降低了粉煤灰和矿粉以及河砂质量波动性对混凝土质量的影响；机制砂中的含泥量低，为聚羧酸减水剂提供了良好的应用条件。而聚羧酸减水剂的应用弥补了应用石灰石粉作为掺合料给混凝土带来的体积收缩，保证了混凝土体积稳定性的合格。石灰石资源全利用制备混凝土在技术上是完全可行的。