博聞廣議：機(jī)制砂應(yīng)用需要關(guān)注的幾個(gè)問題

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本文選自《商品混凝土》雜志2023年第8期

機(jī)制砂應(yīng)用需要關(guān)注的幾個(gè)問題

聞寶聯(lián)

2019年8月19日，英國(guó)《自然》雜志發(fā)表評(píng)論稱，砂子和礫石的采掘速度已經(jīng)超過了其自然恢復(fù)的速度。因此，天然河砂供應(yīng)已明顯處于吃緊局面，并非“取之不盡，用之不竭”。同時(shí)，由于開采天然河砂會(huì)對(duì)環(huán)境造成破壞，政府對(duì)河砂開采管制嚴(yán)格。機(jī)制砂的應(yīng)用現(xiàn)在已經(jīng)普遍被大家所接受，而在機(jī)制砂開始普遍應(yīng)用的今天，幾個(gè)問題還是需要關(guān)注一下，因?yàn)檫@直接影響到混凝土的性能。

1 母巖的影響

機(jī)制砂是指通過制砂機(jī)和其它附屬設(shè)備加工，形成粒徑小于4.75mm的巖石、礦山尾礦或工業(yè)廢渣顆粒，不包括軟質(zhì)、風(fēng)化的顆粒，俗稱“人工砂”。

可以作為人工制砂的原材料有很多，一般有花崗巖、玄武巖、河卵石、石灰石、安山巖、流紋巖、閃長(zhǎng)巖、輝綠巖等，不同的巖石制成的人工砂在強(qiáng)度、粒度上都有差異，相應(yīng)的在用途方面也不同。

但并非所有的巖石都可以制砂，首先要了解巖石的巖性。自然界中巖石主要有火成巖、水成巖、變質(zhì)巖。據(jù)統(tǒng)計(jì)，整個(gè)地殼中火成巖體積占66%，變質(zhì)巖占20%，沉積巖僅占8%?；鸪蓭r根據(jù)其產(chǎn)出的地質(zhì)環(huán)境不同，一般可分為火山巖和侵入巖兩大類，火成巖指高溫熔融的巖漿在地下或噴出地表后冷凝而成的巖石。巖漿一般處于50萬(wàn)～150萬(wàn)大氣壓環(huán)境中，內(nèi)部含有很多氣態(tài)物質(zhì)，如水分、甲烷、硫等等。一旦接近或是噴出地表，氣壓迅速降低，巖漿體積急速膨脹，形成很多孔隙。這一點(diǎn)需要引起注意，特別是對(duì)機(jī)制砂而言，比表面積大，吸附性更為明顯。

以下列出幾種噴出巖：

凝灰?guī)r，廣義上指由成巖的火成碎屑礦物（灰燼以及其他從火山口噴出的沉積物）組成的松軟多孔的巖石。凝灰?guī)r是由泡沫巖漿浮至表面與熱氣體及熾熱粒子形成混合物后由火山噴出形成的。松散的火成碎屑物沉積后，最終會(huì)形成火山凝灰?guī)r?；鸪伤樾嘉飮姵鰰r(shí)的環(huán)境將決定凝灰層的性質(zhì)。如果火成碎屑物的溫度足夠高，那它就會(huì)在傾刻間形成熔結(jié)凝灰?guī)r（圖1）。其他凝灰?guī)r會(huì)在方解石或硅質(zhì)沉積巖的壓實(shí)和膠結(jié)作用下緩慢成巖。因形成條件和噴出物成分各有不同，凝灰?guī)r的結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成以及礦物成分也各有差異。大部分凝灰?guī)r含多種大小不一的碎屑，從細(xì)粒的粉塵和灰燼、稍大的中?；鹕降[，到大塊的火山巖和火山彈都有。

玻化凝灰?guī)r主要由灰燼大小的火山玻璃碎屑構(gòu)成，而成巖凝灰?guī)r含各種結(jié)晶巖碎片，如流紋巖、粗面巖或安山巖。結(jié)晶凝灰?guī)r中，源于部分凝固的巖漿的結(jié)晶碎片比巖化碎片或玻化碎片多。

流紋巖是一種相當(dāng)于花崗巖的火山噴出巖（圖2）。這種成分的巖漿粘度大而流動(dòng)性小，故分布有限，僅見于火山口附近。

結(jié)晶過程相對(duì)困難，快速冷卻條件下少有斑晶礦物結(jié)晶，常具有全玻璃質(zhì)結(jié)構(gòu)。大多數(shù)流紋巖的結(jié)晶作用期都比較短，所以這種巖石主要由含有少數(shù)幾個(gè)斑晶的微晶質(zhì)基質(zhì)或部分玻璃質(zhì)基質(zhì)組成?；|(zhì)有時(shí)呈微文象狀或花斑狀。玻璃質(zhì)流紋巖當(dāng)中有黑曜巖、松脂巖、珍珠巖和浮巖。

從以上的分析可見，噴出巖含有很多天生的氣孔，吸附性很強(qiáng)，對(duì)水和外加劑的強(qiáng)烈吸附造成混凝土坍落度損失極大，這必須要引起足夠重視，特別是凝灰?guī)r。

值得注意的是，噴出的巖漿，特別是酸性巖石，二氧化硅含量高，快速噴出時(shí)二氧化硅結(jié)晶不完整，活性高，磨細(xì)作為摻合料可以用，但用作砂石要注意其堿活性，如黑曜巖（圖3）是一種天然火山玻璃，是酸性火山熔巖快速凝固，礦物來(lái)不及結(jié)晶形成的。大部分黑曜巖與流紋巖成分相似，經(jīng)常出現(xiàn)在流紋巖丘和巖流的邊緣。

噴出巖還有安山巖、玄武巖、粗面巖等等，不再一一列舉。

水成巖也叫沉積巖，典型的石灰?guī)r和白云巖，是做機(jī)制砂石的理想材料，而泥巖、板巖、頁(yè)巖等泥質(zhì)巖不可以作為機(jī)制砂石的材料，因?yàn)槠湮叫詮?qiáng)、強(qiáng)度低，而且吸水膨脹性很大。

一般硬質(zhì)巖可以制砂，軟質(zhì)巖不用于混凝土。根據(jù)飽和單軸抗壓強(qiáng)度來(lái)確定，大于60MPa為堅(jiān)硬巖石，30～60MPa之間為較硬巖石。軟巖是指單軸抗壓強(qiáng)度小于30MPa的巖石。

值得一提的是巖漿巖也容易風(fēng)化，風(fēng)化產(chǎn)物以泥土為主，以前文章專門提到，不再贅言，但需注意，因?yàn)樗鼤?huì)影響到硅質(zhì)機(jī)制砂的使用效果。

2 制砂工藝的影響

河砂是天然石頭在水的作用下，長(zhǎng)時(shí)間反復(fù)受沖撞和摩擦而自然形成的巖石顆粒。

河砂也是硅質(zhì)巖經(jīng)億萬(wàn)年不斷風(fēng)化、磨蝕、機(jī)械撞擊等自然形成，具有天然的連續(xù)級(jí)配。而機(jī)制砂屬于機(jī)械破碎形成，天然不連續(xù)。

制砂工藝分為干法和濕法。

干法機(jī)制砂往往屬于“兩頭多、中間少”，啞鈴型分布，如圖4，這對(duì)混凝土工作性能很不利。河砂經(jīng)歷億萬(wàn)年風(fēng)化、撞擊形成了天然連續(xù)級(jí)配，“中間多、兩頭少”，有利于混凝土的性能。

干法制砂生產(chǎn)線的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)受到水資源的限制，即便是水資源貧乏的地域一樣能夠開展干法制砂，但干法一般含粉量和含泥量偏大。濕法制砂加工工藝中對(duì)干法制砂進(jìn)行水洗除泥，占用很多水資源，洗掉泥土同時(shí)也把細(xì)顆粒帶走，看著很干凈，但往往級(jí)配不良，如圖5。

濕法制砂的另一個(gè)問題就是絮凝劑，機(jī)制砂場(chǎng)內(nèi)所用水不可外排，需循環(huán)使用，因此常采用聚丙烯酰胺等絮凝劑處理生產(chǎn)形成的水，使之在沉淀池澄清后可循環(huán)使用，機(jī)制砂場(chǎng)用循環(huán)水沖洗機(jī)制砂去泥的過程中，循環(huán)水中的絮凝劑會(huì)以水溶液或吸附在砂中泥的形式存在于機(jī)制砂中，而機(jī)制砂含水率、含泥率均較高，這導(dǎo)致機(jī)制砂場(chǎng)所產(chǎn)出的機(jī)制砂含有較多的絮凝劑成分，絮凝劑影響混凝土的工作性能，殘存的絮凝劑分子量越低、越少影響越小。

對(duì)機(jī)制砂而言細(xì)度模數(shù)宜在2.3～3.2之間。砂的級(jí)配，采用分計(jì)篩余指標(biāo)對(duì)細(xì)骨料級(jí)配進(jìn)行質(zhì)量控制，而非累計(jì)篩余，如表1。

對(duì)于機(jī)制砂的應(yīng)用，要盡量調(diào)成連續(xù)級(jí)配，缺哪一檔補(bǔ)哪一檔，干法制砂含粉量一般偏高，與濕法摻用不失為一個(gè)良好的選擇。

在《建設(shè)用砂》GB/T 14684—2022和《建設(shè)用卵石、碎石》GB/T 14685—2022中明確提到了對(duì)于砂石骨料的粒形要求：石料顆粒的長(zhǎng)度大于該顆粒所屬粒級(jí)的平均粒徑2.4倍者為針狀顆粒；厚度小于平均粒徑0.4倍者為片狀顆粒（平均粒徑指該粒級(jí)上、下限粒徑的平均值）。如果成品粒形符合要求，外觀呈立方體狀、無(wú)張力與裂縫，則無(wú)需整形，相反若是成品棱角過于尖銳且針片狀物料含量過高的，不經(jīng)整形很難應(yīng)用于大部分工程。

圖6為整形后的機(jī)制砂。

3 配合比的設(shè)計(jì)

骨料有四種狀態(tài)，絕干、氣干、飽和面干和潮濕。絕干狀態(tài)指骨料中完全未吸水；而氣干狀態(tài)指骨料中含水與大氣中的濕度相平衡，孔隙中有水但并未充滿；飽和面干狀態(tài)指骨料表面干燥但孔隙中充滿水，是一種可能狀態(tài)；潮濕狀態(tài)指內(nèi)部飽和吸水，且表面還吸附有游離水。潮濕很容易辨識(shí)，另外幾種呢？圖7給出了天然砂和機(jī)制砂的幾種狀態(tài)。

機(jī)制砂，特別是硅質(zhì)巖的機(jī)制砂，由于在巖漿上升直至噴出過程壓力的不斷降低，其氣孔的含量和吸水性同時(shí)不斷變大。而河砂主要成分為二氧化硅，吸水量偏低。這樣就造成了配合比設(shè)計(jì)上的一些差異，在《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》JGJ 55—2011中，砂的用量采用的是絕干法，對(duì)河砂而言，這樣用問題不大，但對(duì)于現(xiàn)在的機(jī)制砂而言，由于飽和面干吸水率大了很多，絕干法已經(jīng)不適用，用飽和面干法更適合實(shí)際情況，這也是需要引起重視的。

隨著各種尾礦砂也不斷涌入混凝土領(lǐng)域，新的問題還會(huì)層出不窮，必須不斷發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題，以保障混凝土的應(yīng)用性能。

供稿人：聞寶聯(lián)

編輯員：李海亮

審核人：孫繼成，寧夏

【標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范】

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《建筑物綠色拆除與建筑垃圾綜合利用技術(shù)規(guī)程》CECS

《預(yù)拌混凝土使用說(shuō)明書》團(tuán)標(biāo)

《砂漿和混凝土用石屑》團(tuán)標(biāo)

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