提高機制砂石的顆粒球形度是混凝土用集料高品質化的關鍵

張偉，劉丹，徐世君

（臨沂大學建筑學院，山東 臨沂 276005）

0 前言

近年來，隨著我國經濟的快速發展，建設規模的日益擴大，很多地區天然砂資源緊缺，河砂資源面臨枯竭的困境，中國砂石協會聯合國土部、工信部、地方砂石資源管理處等政府主管部門以及上下游行業協會，大力宣傳機制砂石骨料的重要性，積極推廣機制砂石應用。粗細骨料砂石的總體積約占混凝土總體積的 70%～80%。2013 年全國年產銷水泥 24億噸，按照其中的80%用來生產國內的混凝土，按照每方混凝土中平均 0.3 噸水泥來估算，中國年產混凝土就是 64 億m3，不難計算年耗用砂石骨料就是約 48億m3，按照質量計算就是每年需要消耗砂石 130 億噸，其中砂大約是 60 億噸左右，碎石 70 億噸左右。因全國各地資源富貧不一，目前砂和碎石市場價格約為 20～80 元/噸左右。混凝土用砂石加上砂漿用砂，全國砂石行業骨料年產值大約在 4000 億～6000億之間。根據我國中長期經濟發展規劃中的城市基礎設施建設、中西部地區的鐵路建設和城鎮化建設，預計 20 年內，水泥混凝土的高使用量還將持續，巨大的市場需求，使國內天然砂資源逐年減少，市場供應不足，價格飛漲，機制砂行業已迎來飛速發展期。目前，機制砂在河南、山東、重慶、四川、貴州及福建等部分地區已經得到較廣泛的應用。

1 天然砂特點

根據 GB/T 14684－2011《建筑用砂》國家標準，天然砂是自然生成的，經過人工開采和篩分的粒徑小于 4.75mm的巖石顆粒，包括湖砂，河砂（江砂），山砂，淡化后的海砂，但不包括軟質巖、風化巖石的顆粒。在天然砂中，粒徑小于 75μm 的顆粒含量叫含泥量。天然砂是經過長期的水流沖涮滾磨后所形成的球形或類似球形的顆粒。天然砂的細度模數 Mx一般在 2.0～2.6 之間，目前，最主要的是含泥量的控制。隨著天然中粗砂資源的逐漸稀少，經過淡化后的海砂和天然細砂用量將會越來越多。目前市售的天然細砂的細度模數 Mx一般在 1.9 以下。

2 機制砂的特點與缺點

根據 GB/T 14684－2011《建筑用砂》國家標準，機制砂是經除土處理，由機械破碎、篩分制成的，粒徑小于 4.75mm的巖石顆粒，但不包括軟質巖、風化巖石的顆粒。比較常見的用來做機制砂的石料有：河卵石、花崗巖、玄武巖、石英石、鐵礦石、輝綠巖、鵝卵石、煤矸石等。在機制砂中，粒徑小于 75μm 的顆粒含量叫石粉含量。

顆粒外形粗糙，為多棱，部分顆粒尖銳多棱角，細度模數偏高，Mx一般在 2.6～3.5 之間，含有石粉和部分粘土，目前國內大部分機制砂進商品混凝土站時也不滿足GB/T 14684－2011《建設用砂》國家標準規定的顆粒級配要求，具體表現為 160～630μm 之間的顆粒數量不足或者級配不符合國標要求。機制砂和天然砂的外形如圖 1～ 4。

圖1 原狀機制砂

圖2 水洗機制砂

圖3 黃河細砂

圖 4 天然河砂

從高性能混凝土對骨料的技術指標要求來看，目前市場上的部分機制砂，仍然有些缺點必須要克服，才可以更好地利用到高性能混凝土中：（1）機制砂的顆粒粒型一定要經過整形，提高顆粒球形度；（2）降低機制砂中的含泥量。試驗表明：機制砂中的石粉對混凝土外加劑作用的影響比較有限，石粉對混凝土的需水量增加影響也不大，但是制砂中的含泥量（粘土含量）對混凝土外加劑特別是聚羧酸類外加劑作用影響很明顯，這就要求在破碎粗骨料之前，要嚴格控制粗骨料中的含泥量（主要是粘土含量和泥塊含量）；（3）機制砂顆粒偏粗，顆粒級配不能滿足泵送大流動混凝土的技術要求，采取的土辦法就是混合搭配，機制砂和天然砂（主要是細砂）搭配使用。工程實踐表明：細骨料宜選用中砂，粒徑小于 0.315mm 的顆粒（這里主要指的是細砂而不是石粉）所占的比例宜為 15%～20% 才可以滿足大流動泵送混凝土的要求。目前，單一的機制砂很難滿足高性能混凝土對細骨料的技術要求，特別是對含泥量和用水量敏感度較高聚羧酸外加劑的使用，對細骨料機制砂的質量要求更高，否則，很容易出現混凝土的離析、泌水，混凝土粘聚性差，可泵型差，經常會造成混凝土的堵管，混凝土強度離散性大，嚴重影響混凝土質量，甚至發生工程質量事故。目前，混合砂，也就是機制砂和天然細砂的混合搭配使用，已經得到廣泛的認同和工程應用。

2014 年 7 月中央電視臺曾經報道過“黃河面砂”問題，筆者看了相關報道。其實只要使用得當，完全可以采用機制砂加黃河面砂來生產混凝土。按照比例，科學合理搭配，不僅建筑物質量有保證，而且可以順利泵送施工，只要黃河面砂的含泥量控制在合理范圍，混凝土裂縫不會因為使用黃河面砂而增加。筆者是支持采用黃河面砂和當地的機制砂按照比例合理搭配來生產預拌混凝土的，混凝土施工和耐久性也完全可以得到保證。當然，你全部用黃河面砂來生產預拌混凝土，那當然不可，砂子太細，需水變大，混凝土收縮也變大，導致混凝土裂縫增加，會對建筑工程質量造成危害。可以說，目前商品混凝土公司的總工或者實驗室主任都是具有工程師職稱的專業技術人員，配制生產各強度等級的泵送混凝土對粗細骨料的技術要求他們是清楚的，相信他們采用機制砂和“滿足含泥量要求的黃河面砂”合理搭配使用，混凝土工程質量是有保證的。筆者由于工作關系，也到過若干鄭州商品混凝土公司考察，也親自試拌了機制砂和黃河面砂搭配使用的商品混凝土，混凝土出料和易性、可泵性較好，但坍落度經時損失問題如果不增加混凝土外加劑的摻量，仍然難以解決，主要問題，還是機制砂的顆粒球形度不高，對混凝土坍損影響較大。河南地區某商品混凝土攪拌站 C30 級泵送混凝土比為典型使用案例，其配合比詳見表 1。

表1 典型的機制砂與細砂搭配使用商品泵送混凝土配合比 kg/m3

3 提高細骨料顆粒—機制砂的球形度的重要性

設骨料顆粒自然體積為 Vg，緊密包裹粗骨料顆粒的球的體積為 Vb，顆粒體積 Vg與球體積 Vb之比為骨料顆粒球形度或者叫圓形度 ﹠，﹠=Vg/Vb，0＜﹠＜1，﹠ 值越大，顆粒形狀越接近球體，反之則顆粒形狀越接近不規則多棱體或針片狀體。天然的球形砂和市場上的部分多棱體機制砂在混凝土中的性能表現，業內同行專家做了大量對比試驗。細骨料品質對混凝土拌合物的工作性能及硬化混凝土的物理力學性能和耐久性能均具有重要影響，其中細骨料顆粒粒形及表面組織是影響混凝土拌合物需水量的重要因素[1]。溫喜廉等[2]利用數字圖形處理技術、顯微鏡和掃描電鏡研究了細骨料海砂、河砂、機制砂和尾砂的顆粒形貌特征及微觀結構，從各細骨料粒級 0.16～5mm 的圓度看，機制砂圓度最小，其次是尾砂，海砂與天然河砂表面組織相近，顆粒圓滑，棱角少，表面較為平整。而機制砂和尾砂棱角大，表面粗糙，有利于提高膠砂抗折強度。劉秀美等[3]通過設計 4 種不同圓度系數的機制砂對混凝土性能的影響試驗，得出圓形度越大，即機制砂顆粒越接近球形，混凝土的工作性能越好，抗壓強度越高這一結論。機制砂的粒形特點使其有利于與水泥的粘結，但是對混凝土的和易性不利，用水量較大，易使低強度等級的混凝土泌水、離析。采用球形度較好的機制砂，達到相同坍落度所需要的漿體量較少，可以降低混凝土成本。

圖5 針片狀較多碎石

圖6 球形度不高的碎石

圖7 球形度較高的碎石

圖 8 球形度較高的碎石

總之，機制砂的顆粒形狀對其緊密堆積存在重要影響，實際在混凝土工程應用中人們更加期望其獲得類似球形的顆粒，這樣它們不僅有利于緊密堆積，更有利于混凝土工作性能的發揮，特別是對混凝土的初始流動能力和經時坍落度損失速率的影響方面，類似球形顆粒的粗細骨料更可以發揮漿體和骨料的聯動滾動效應。目前，針對商品混凝土攪拌站生產的泵送大坍落度混凝土來說，離開機制砂混凝土的良好工作性（和易性）而談機制砂對混凝土的增強作用，沒有多少意義。而針對水工大壩混凝土，由于其施工混凝土坍落度較小，幾乎不存在泵送施工問題，對機制砂的球形度可能要求不需要太高，但水工大壩混凝土同樣對混凝土的和易性有較高要求，這樣對混凝土外加劑就會要求更苛刻。

同樣，針對粗骨料的碎石，減少針片狀顆粒含量，減少不規則的多棱體含量，提高碎石顆粒的球形度也具有重要意義，它對提高混凝土的流動性和流動性保持能力有利；對比碎石針片狀、不規則多棱體含量高的混凝土，人們可以適當降低砂率，減少單方混凝土用水量，降低了混凝土成本；碎石顆粒的球形度增加，有利于工地現場振搗施工，碎石顆粒在混凝土中分布均勻，可以減少混凝土的收縮裂縫。針片狀較多，球形度較差的碎石如圖 5、圖 6；球形度較高的碎石如圖 7、圖 8。

4 給機制砂石整形，提高其球形度刻不容緩

很久以來，人們都使用天然砂來拌制生產混凝土，對砂石骨料的顆粒級配、粒型、表面特征、針片狀顆粒含量、空隙率等沒有引起足夠的重視，然而隨著天然砂資源的枯竭，人工機制砂面世進入混凝土生產市場，起初也帶來了很多問題，主要原因就是機制砂的顆粒球形度差，顆粒外形粗糙，為多棱，部分顆粒尖銳多棱角，細度模數偏高，級配不合理，含泥量高。目前，廣大的混凝土科技工作者已經認識到了這個問題的迫切性，機制砂石設備生產廠家要務必有“砂石整形機”配套生產線，只要解決了顆粒的球形度問題，其它問題都相對較好解決，如級配問題可以搭配天然細砂，淡化的細海砂；含泥量高的問題，可以通過破碎前或破碎后水洗的辦法解決；石粉的多少問題，在生產線就可以有足夠手段控制其含量。

住房和城鄉建設部和工業和信息化部聯合發文（建標[2014]117號）“住房城鄉建設部工業和信息化部關于推廣應用高性能混凝土的若干意見”，要求各級住房城鄉建設部門、工業和信息化主管部門要加強推廣高性能混凝土的應用，目前來看，推廣應用高性能混凝土的關鍵在機制砂石，機制砂石質量提高的關鍵在于提高其顆粒球形度和控制其本身的含泥量。因此，國內的相關設備生產廠家需要進一步加大研發力度，優化機制砂石生產線的布局，在提高砂石顆粒球形度、減少含泥量和控制石粉含量上下功夫，相信在不久的將來，我國的機制砂石行業一定可以通過科技進步，生產出優質的混凝土骨料，來滿足國家各行各業的建設工程。

5 結語

機制砂石行業，目前，正面臨難得的發展機遇，部分大型水泥集團公司如海螺水泥、冀東水泥、河南同力水泥、河南天瑞水泥、華新水泥集團公司等等，都已在上馬或即將上馬骨料生產線，完善的產業鏈將使這些大型建材集團公司發展得更快更好，筆者列出以下幾點建議，供建材同行們借鑒參考。

（1）機制砂，在生產之前就要嚴格控制粗骨料的含泥（粘土）量和粘土塊含量。后續工序就不需要再水洗了，可以節約大量的水資源。

（2）國產或進口的機制砂生產線，必須要配套砂石顆粒整形機，使砂石顆粒的球形度獲得極大的提高，減少尖角，棱柱體，針片狀顆粒含量。

（3）機制砂要和細砂混合使用，搭配比例后，粗細骨料的顆粒級配要滿足國家或行業標準才可以更好的獲得更高質量的高性能混凝土。

（4）商品混凝土行業，目前也面臨著結構升級轉型發展的契機，因地制宜，發展機制砂石的產業鏈，降低成本，也是一個良好的選擇。

（5）每種砂都有個吸水率問題，無論哪種砂，做混凝土配合比設計、試配的時候，都應以砂的飽和面干狀態來計算、設計，這樣更科學。

（6）看起來最沒有技術含量的砂石，它們對混凝土性能的影響卻很大，也間接地影響各類混凝土的成本，應該引起廣大混凝土工作者足夠的重視。

[1]甄廣常，竇俊榮，鮑曉琴.高性能混凝土對骨料的要求[J].河北工程技術高等專科學校學報，1999，37(1)：37-41.

[2]溫喜廉，歐陽東，李建友.細骨料顆粒形貌特征顯微及微觀結構研究[J].混凝土，2013(6)：62-63.

[3]劉秀美，陶珍東.機制砂的特點及其對混凝土性能的影響[J].粉煤灰，2012(6)：37-38.