海南島不同產地機制砂的特性分析

安燕朝，宋新樂＊，王登科，廖天，王亞婕，周敘霖

（1. 海南瑞澤新型建材股份有限公司，海南 三亞 572024；2. 海南瑞澤新材料研究院有限公司，海南 三亞 570024）

0 前言

“青山綠水就是金山銀山”是新時代生態文明建設的重要理念。海南省地處中國南海門戶，建設自由貿易區（港）是中央的重大戰略部署，大量基礎設施建設均需要優質的砂資源。但海南省是天然河砂極其稀缺的省份，天然河砂的可開采量日益減少，質量越來越差。尋找天然河砂的替代品是當前海南混凝土行業面臨的迫切需要。花崗巖、玄武巖是海南最主要的巖石（為技術交流的方便，本文所稱為建設工程領域的習慣稱呼，巖石的具體化學成分和礦物成分分析見本文）。目前，國內機制砂研究多集中在石灰石機制砂，并且取得了大量的工程應用。但花崗巖、玄武巖等其他巖性的機制砂研究很少，且由于火成巖的化學、礦物組成差異大，巖石結構和構造變化顯著，很多研究結論不一致，甚至相互矛盾。本文主要針對海南省典型巖石制成的機制砂的特性進行分析，為海南后續研究混凝土提供基礎資料準備。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

水泥：華盛 P·O42.5 水泥，主要物理性能指標見表1。

表1 水泥主要物理性能指標

（2）標準砂。

（3）石灰石粉：昌江。

（4）機制砂樣品來源及代號見表 2。

表2 機制砂樣品代號及來源

1.2 試驗方法

（1）化學成分分析：1-1、1-7、1-9 樣品經研磨后通過 X—熒光光譜儀進行檢測。

（2）礦物成分分析：1-1、1-7、1-9 樣品經研磨后通過 X—射線衍射儀進行檢測。

（3）掃描電鏡下的表面組織結構。

（4）級配篩分：按照 GB/T 14684—2011《建設用砂》進行試驗。

（5）需水量比：用機制砂等量替代標準砂進行砂漿流動度試驗，機制砂砂漿流動度達到與標準砂砂漿流動度相當水平時的用水量與標準砂漿用水量（225mL）的比值即為該機制砂的需水量比。

（6）石粉含量與亞甲藍 MB 值：按照 GB/T 14684—2011《建設用砂》進行試驗。

（7）親水性試驗：參照 JTG F 40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》中礦粉親水系數試驗方法。

2 特性分析

2.1 化學成分分析

對寶石廠、興石廠和樂石廠生產碎石的石屑原樣進行化學分析，結果見表 3。三種樣品主要成分均為SiO2、Al2O3及 CaO，此外，1-1 樣品中 K2O 含量較高，1-7 及 1-9 樣品中 CaO 和 Fe2O3含量較高。參考《地基及基礎》（第三版），巖石按 SiO2含量分為酸性巖、中性巖、基性巖和超基性巖，SiO2含量＞65%為酸性巖，65%＞SiO2含量＞52% 的為中性巖，52%＞SiO2含量＞40% 的為基性巖性，SiO2含量＜40% 的為超基性巖性。從表 3 可以看出，1-1 樣品屬于中性巖；1-7 和 1-9 樣品屬于基性巖。

表3 機制砂化學成分分析表 %

2.2 礦物成分分析

對 1-1、1-7 和 1-9 三種樣品的 XRD 圖見圖 1。三組機制砂主要礦物相均為長石類礦物，三者均含有鈣長石和鈉長石。區別在于，1-1 樣品中鉀長石特征峰明顯，1-7 和 1-9 樣品中 Fe3O4特征峰明顯。該結果與XRF 成分分析結果一致。

2.3 掃描電鏡下的表面組織結構

對三種樣品的 SEM 圖見圖 2。三種樣品表面均比較粗糙，棱角明顯，且表面均粘附有不規則的小顆粒，導致比表面積增加，需水量增加。

2.4 級配篩分

對樣品進行篩分，結果見表 4。

圖1 不同機制砂樣品 XRD 測試結果

圖2 不同機制砂樣品 SEM 形貌

表4 不同機制砂樣品篩分結果（累計篩余） %

篩分結果表明，本次試驗所用機制砂級配均滿足GB/T 14684—2011《建設用砂》中機制砂的顆粒級配要求。但是，未經水洗的機制砂石粉含量明顯偏高；經水洗后，石粉含量雖然降低，但是同時 0.15～0.6mm 之間的顆粒含量有所降低，級配有所破壞，會對混凝土性能有一定影響。

2.5 石粉含量、亞甲藍 MB 值、親水性與需水量試驗

對南寶石廠的 1-2、1-4、1-5 和 1-6 樣品進行試驗，驗證石粉含量與亞甲藍值的關系，見圖 3。

由圖 3 可知，當機制砂巖性相同（產地均為南寶石廠），石粉含量 7% 與 10% 時的亞甲藍 MB 值相同，且與 14% 的石灰石粉對比，亞甲藍 MB 值也相同。說明亞甲藍值基本不受石粉影響。

對比同一產地機制砂的原樣和水洗樣的亞甲藍值（圖 4），發現具有較大的差異。在進行石粉含量試驗時發現，原樣（1-1、1-7、1-9）加水浸泡后溶液十分渾濁，而水洗樣（1-2、1-8、1-10）加水浸泡后溶液相對澄清，說明原樣中含有大量泥粉，吸水后脹破與水形成懸濁液，而泥粉吸附性較強，導致亞甲藍值顯著增加。

忽略巖性，從亞甲藍值與需水量比的整體關系分析（詳見圖 5），亞甲藍值高的機制砂其需水量比亦高。主要原因與機制砂中泥粉吸水性強相關。

以寶石廠機制砂為研究對象，得到石粉含量與需水量比的關系，見圖 6。石粉含量從 0% 到 7%，需水量比降低顯著，而隨著石粉含量在一定范圍增加，需水量比略有上升。主要原因是機制砂多棱角，一定量的石粉增加了漿體含量，起到一定的潤滑效應，有利于砂漿流動性的增加。而隨著石粉的進一步增加，其對水的吸附占主導，砂漿流動性減弱。

排除石粉含量的干擾，從親水性系數與需水量比的關系分析（見表 5），二者具有正相關性，但考慮到需水量與機制砂整體級配和粒型有關，而三種樣品產地不同，級配和粒型也有區別，因此，親水性系數與需水量比的關系仍需進一步探討。

圖3 石粉含量與亞甲藍值的關系

圖4 泥粉對亞甲藍值的影響

圖5 亞甲藍值與需水量比的關系

圖6 石粉含量與需水量比的關系

表5 石粉含量與需水量比、石粉親水性的關系

3 機制砂特性對混凝土施工性能的影響

試驗基準配合比及工作性能結果見表 6。砂率根據級配進行調整。減水劑根據施工性能基本一致的原則進行調整。代號 0 作為對比樣，其基準配合比與試驗相同，減水劑用量為生產統計均值（剔除生產中大幅度波動值），工作性為隨機一次取樣。

從混凝土施工性能的試驗分析說明，不同巖性機制砂對混凝土施工性和配合比成本能具有較大影響，其中機制砂的級配、石粉含量和亞甲藍值是機制砂特性中影響最顯著的。

機制砂級配，特別是水洗 0.15～0.6mm 顆粒的缺失，顯著影響混凝土漿體與骨料的粘聚性，容易發生析漿而導致混凝土板結。采用降低用水量或外加劑用量后雖能緩解，但混凝土又變現出流動性不足。

摻加一定的石粉（無論是石灰石粉還是花崗巖石粉）的混凝土施工性能都會有所改善。但由于花崗巖石粉需水量大，達到基本一致的施工性能時，石粉含量的最大限值較玄武巖石粉和石灰巖石粉低。

亞甲藍值超出 1.45 的機制砂，基本不能配出施工性能滿足要求的機制砂。

表6 不同機制砂樣品對混凝土工作性的影響

4 結論

（1）海南省花崗巖、玄武巖機制砂的表面組織結構均非常粗糙，造成比表面積大、棱角明顯。化學成分分析顯示，本文所述花崗巖屬于中性巖石，玄武巖屬于基性巖石。

（2）機制砂級配較差，未經水洗的石屑、石粉含量非常高；經過水洗除粉，則級配被破壞，特別是0.6mm 以下損失嚴重。

（3）石粉親水性與巖石的分類有關，中性巖石的花崗巖具有更強的親水性，基性巖石的玄武巖則具有憎水性（親油性），石灰巖石粉則憎水性最強。

（4）石粉親水性與需水量比具有正相關性，但由于需水量比與機制砂整體級配和粒型相關，所以親水性與需水量比的確切關系仍需進一步探討。

（5）石粉亞甲藍值越大，需水量比越大。

（6）純石粉含量對亞甲藍值的影響很小，而石粉中含有泥粉則對亞甲藍值的影響非常大。

（7）石粉含量對砂漿流動性具有雙重作用，一方面增加漿體體積和粘度有利于砂漿的流動，另一方增加對拌合自由水的吸附降低了流動性。石粉含量對流動性應當存在最佳摻量。