博聞廣議：機制砂應用需要關(guān)注的幾個問題

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本文選自《商品混凝土》雜志2023年第8期

機制砂應用需要關(guān)注的幾個問題

聞寶聯(lián)

2019年8月19日，英國《自然》雜志發(fā)表評論稱，砂子和礫石的采掘速度已經(jīng)超過了其自然恢復的速度。因此，天然河砂供應已明顯處于吃緊局面，并非“取之不盡，用之不竭”。同時，由于開采天然河砂會對環(huán)境造成破壞，政府對河砂開采管制嚴格。機制砂的應用現(xiàn)在已經(jīng)普遍被大家所接受，而在機制砂開始普遍應用的今天，幾個問題還是需要關(guān)注一下，因為這直接影響到混凝土的性能。

1 母巖的影響

機制砂是指通過制砂機和其它附屬設備加工，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、閃長巖、輝綠巖等，不同的巖石制成的人工砂在強度、粒度上都有差異，相應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，整個地殼中火成巖體積占66%，變質(zhì)巖占20%，沉積巖僅占8%。火成巖根據(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50萬～150萬大氣壓環(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。這一點需要引起注意，特別是對機制砂而言，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，最終會形成火山凝灰?guī)r?；鸪伤樾嘉飮姵鰰r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，那它就會在傾刻間形成熔結(jié)凝灰?guī)r（圖1）。其他凝灰?guī)r會在方解石或硅質(zhì)沉積巖的壓實和膠結(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。

?；?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?；槠?。

流紋巖是一種相當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性小，故分布有限，僅見于火山口附近。

結(jié)晶過程相對困難，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)幾個斑晶的微晶質(zhì)基質(zhì)或部分玻璃質(zhì)基質(zhì)組成。基質(zhì)有時呈微文象狀或花斑狀。玻璃質(zhì)流紋巖當中有黑曜巖、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，對水和外加劑的強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，快速噴出時二氧化硅結(jié)晶不完整，活性高，磨細作為摻合料可以用，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，是做機制砂石的理想材料，而泥巖、板巖、頁巖等泥質(zhì)巖不可以作為機制砂石的材料，因為其吸附性強、強度低，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)飽和單軸抗壓強度來確定，大于60MPa為堅硬巖石，30～60MPa之間為較硬巖石。軟巖是指單軸抗壓強度小于30MPa的巖石。

值得一提的是巖漿巖也容易風化，風化產(chǎn)物以泥土為主，以前文章專門提到，不再贅言，但需注意，因為它會影響到硅質(zhì)機制砂的使用效果。

2 制砂工藝的影響

河砂是天然石頭在水的作用下，長時間反復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)億萬年不斷風化、磨蝕、機械撞擊等自然形成，具有天然的連續(xù)級配。而機制砂屬于機械破碎形成，天然不連續(xù)。

制砂工藝分為干法和濕法。

干法機制砂往往屬于“兩頭多、中間少”，啞鈴型分布，如圖4，這對混凝土工作性能很不利。河砂經(jīng)歷億萬年風化、撞擊形成了天然連續(xù)級配，“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)點是不會受到水資源的限制，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干法制砂進行水洗除泥，占用很多水資源，洗掉泥土同時也把細顆粒帶走，看著很干凈，但往往級配不良，如圖5。

濕法制砂的另一個問題就是絮凝劑，機制砂場內(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，機制砂場用循環(huán)水沖洗機制砂去泥的過程中，循環(huán)水中的絮凝劑會以水溶液或吸附在砂中泥的形式存在于機制砂中，而機制砂含水率、含泥率均較高，這導致機制砂場所產(chǎn)出的機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。

對機制砂而言細度模數(shù)宜在2.3～3.2之間。砂的級配，采用分計篩余指標對細骨料級配進行質(zhì)量控制，而非累計篩余，如表1。

對于機制砂的應用，要盡量調(diào)成連續(xù)級配，缺哪一檔補哪一檔，干法制砂含粉量一般偏高，與濕法摻用不失為一個良好的選擇。

在《建設用砂》GB/T 14684—2022和《建設用卵石、碎石》GB/T 14685—2022中明確提到了對于砂石骨料的粒形要求：石料顆粒的長度大于該顆粒所屬粒級的平均粒徑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、無張力與裂縫，則無需整形，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)整形很難應用于大部分工程。

圖6為整形后的機制砂。

3 配合比的設計

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，另外幾種呢？圖7給出了天然砂和機制砂的幾種狀態(tài)。

機制砂，特別是硅質(zhì)巖的機制砂，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計上的一些差異，在《普通混凝土配合比設計規(guī)程》JGJ 55—2011中，砂的用量采用的是絕干法，對河砂而言，這樣用問題不大，但對于現(xiàn)在的機制砂而言，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域，新的問題還會層出不窮，必須不斷發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題，以保障混凝土的應用性能。

供稿人：聞寶聯(lián)

編輯員：李海亮

審核人：孫繼成，寧夏

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