博闻广议：机制砂应用需要关注的几个问题
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本文选自《商品混凝土》杂志2023年第8期
机制砂应用需要关注的几个问题
闻宝联
2019年8月19日，英国《自然》杂志发表评论称，砂子和砾石的采掘速度已经超过了其自然恢复的速度。因此，天然河砂供应已明显处于吃紧局面，并非“取之不尽，用之不竭”。同时，由于开采天然河砂会对环境造成破坏，政府对河砂开采管制严格。机制砂的应用现在已经普遍被大家所接受，而在机制砂开始普遍应用的今天，几个问题还是需要关注一下，因为这直接影响到混凝土的性能。
1 母岩的影响
机制砂是指通过制砂机和其它附属设备加工，形成粒径小于4.75mm的岩石、矿山尾矿或工业废渣颗粒，不包括软质、风化的颗粒，俗称“人工砂”。
可以作为人工制砂的原材料有很多，一般有花岗岩、玄武岩、河卵石、石灰石、安山岩、流纹岩、闪长岩、辉绿岩等，不同的岩石制成的人工砂在强度、粒度上都有差异，相应的在用途方面也不同。
但并非所有的岩石都可以制砂，首先要了解岩石的岩性。自然界中岩石主要有火成岩、水成岩、变质岩。据统计，整个地壳中火成岩体积占66%，变质岩占20%，沉积岩仅占8%。火成岩根据其产出的地质环境不同，一般可分为火山岩和侵入岩两大类，火成岩指高温熔融的岩浆在地下或喷出地表后冷凝而成的岩石。岩浆一般处于50万～150万大气压环境中，内部含有很多气态物质，如水分、甲烷、硫等等。一旦接近或是喷出地表，气压迅速降低，岩浆体积急速膨胀，形成很多孔隙。这一点需要引起注意，特别是对机制砂而言，比表面积大，吸附性更为明显。
以下列出几种喷出岩：
凝灰岩，广义上指由成岩的火成碎屑矿物（灰烬以及其他从火山口喷出的沉积物）组成的松软多孔的岩石。凝灰岩是由泡沫岩浆浮至表面与热气体及炽热粒子形成混合物后由火山喷出形成的。松散的火成碎屑物沉积后，最终会形成火山凝灰岩。火成碎屑物喷出时的环境将决定凝灰层的性质。如果火成碎屑物的温度足够高，那它就会在倾刻间形成熔结凝灰岩（图1）。其他凝灰岩会在方解石或硅质沉积岩的压实和胶结作用下缓慢成岩。因形成条件和喷出物成分各有不同，凝灰岩的结构、化学组成以及矿物成分也各有差异。大部分凝灰岩含多种大小不一的碎屑，从细粒的粉尘和灰烬、稍大的中粒火山砾，到大块的火山岩和火山弹都有。
玻化凝灰岩主要由灰烬大小的火山玻璃碎屑构成，而成岩凝灰岩含各种结晶岩碎片，如流纹岩、粗面岩或安山岩。结晶凝灰岩中，源于部分凝固的岩浆的结晶碎片比岩化碎片或玻化碎片多。
流纹岩是一种相当于花岗岩的火山喷出岩（图2）。这种成分的岩浆粘度大而流动性小，故分布有限，仅见于火山口附近。
结晶过程相对困难，快速冷却条件下少有斑晶矿物结晶，常具有全玻璃质结构。大多数流纹岩的结晶作用期都比较短，所以这种岩石主要由含有少数几个斑晶的微晶质基质或部分玻璃质基质组成。基质有时呈微文象状或花斑状。玻璃质流纹岩当中有黑曜岩、松脂岩、珍珠岩和浮岩。
从以上的分析可见，喷出岩含有很多天生的气孔，吸附性很强，对水和外加剂的强烈吸附造成混凝土坍落度损失极大，这必须要引起足够重视，特别是凝灰岩。
值得注意的是，喷出的岩浆，特别是酸性岩石，二氧化硅含量高，快速喷出时二氧化硅结晶不完整，活性高，磨细作为掺合料可以用，但用作砂石要注意其碱活性，如黑曜岩（图3）是一种天然火山玻璃，是酸性火山熔岩快速凝固，矿物来不及结晶形成的。大部分黑曜岩与流纹岩成分相似，经常出现在流纹岩丘和岩流的边缘。
喷出岩还有安山岩、玄武岩、粗面岩等等，不再一一列举。
水成岩也叫沉积岩，典型的石灰岩和白云岩，是做机制砂石的理想材料，而泥岩、板岩、页岩等泥质岩不可以作为机制砂石的材料，因为其吸附性强、强度低，而且吸水膨胀性很大。
一般硬质岩可以制砂，软质岩不用于混凝土。根据饱和单轴抗压强度来确定，大于60MPa为坚硬岩石，30～60MPa之间为较硬岩石。软岩是指单轴抗压强度小于30MPa的岩石。
值得一提的是岩浆岩也容易风化，风化产物以泥土为主，以前文章专门提到，不再赘言，但需注意，因为它会影响到硅质机制砂的使用效果。
2 制砂工艺的影响
河砂是天然石头在水的作用下，长时间反复受冲撞和摩擦而自然形成的岩石颗粒。
河砂也是硅质岩经亿万年不断风化、磨蚀、机械撞击等自然形成，具有天然的连续级配。而机制砂属于机械破碎形成，天然不连续。
制砂工艺分为干法和湿法。
干法机制砂往往属于“两头多、中间少”，哑铃型分布，如图4，这对混凝土工作性能很不利。河砂经历亿万年风化、撞击形成了天然连续级配，“中间多、两头少”，有利于混凝土的性能。
干法制砂生产线的优点是不会受到水资源的限制，即便是水资源贫乏的地域一样能够开展干法制砂，但干法一般含粉量和含泥量偏大。湿法制砂加工工艺中对干法制砂进行水洗除泥，占用很多水资源，洗掉泥土同时也把细颗粒带走，看着很干净，但往往级配不良，如图5。
湿法制砂的另一个问题就是絮凝剂，机制砂场内所用水不可外排，需循环使用，因此常采用聚丙烯酰胺等絮凝剂处理生产形成的水，使之在沉淀池澄清后可循环使用，机制砂场用循环水冲洗机制砂去泥的过程中，循环水中的絮凝剂会以水溶液或吸附在砂中泥的形式存在于机制砂中，而机制砂含水率、含泥率均较高，这导致机制砂场所产出的机制砂含有较多的絮凝剂成分，絮凝剂影响混凝土的工作性能，残存的絮凝剂分子量越低、越少影响越小。
对机制砂而言细度模数宜在2.3～3.2之间。砂的级配，采用分计筛余指标对细骨料级配进行质量控制，而非累计筛余，如表1。
对于机制砂的应用，要尽量调成连续级配，缺哪一档补哪一档，干法制砂含粉量一般偏高，与湿法掺用不失为一个良好的选择。
在《建设用砂》GB/T 14684—2022和《建设用卵石、碎石》GB/T 14685—2022中明确提到了对于砂石骨料的粒形要求：石料颗粒的长度大于该颗粒所属粒级的平均粒径2.4倍者为针状颗粒；厚度小于平均粒径0.4倍者为片状颗粒（平均粒径指该粒级上、下限粒径的平均值）。如果成品粒形符合要求，外观呈立方体状、无张力与裂缝，则无需整形，相反若是成品棱角过于尖锐且针片状物料含量过高的，不经整形很难应用于大部分工程。
图6为整形后的机制砂。
3 配合比的设计
骨料有四种状态，绝干、气干、饱和面干和潮湿。绝干状态指骨料中完全未吸水；而气干状态指骨料中含水与大气中的湿度相平衡，孔隙中有水但并未充满；饱和面干状态指骨料表面干燥但孔隙中充满水，是一种可能状态；潮湿状态指内部饱和吸水，且表面还吸附有游离水。潮湿很容易辨识，另外几种呢？图7给出了天然砂和机制砂的几种状态。
机制砂，特别是硅质岩的机制砂，由于在岩浆上升直至喷出过程压力的不断降低，其气孔的含量和吸水性同时不断变大。而河砂主要成分为二氧化硅，吸水量偏低。这样就造成了配合比设计上的一些差异，在《普通混凝土配合比设计规程》JGJ 55—2011中，砂的用量采用的是绝干法，对河砂而言，这样用问题不大，但对于现在的机制砂而言，由于饱和面干吸水率大了很多，绝干法已经不适用，用饱和面干法更适合实际情况，这也是需要引起重视的。
随着各种尾矿砂也不断涌入混凝土领域，新的问题还会层出不穷，必须不断发现问题、分析问题、解决问题，以保障混凝土的应用性能。
供稿人：闻宝联
编辑员：李海亮
审核人：孙继成，宁夏
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