提高机制砂石的颗粒球形度是混凝土用集料高品质化的关键
张伟，刘丹，徐世君
（临沂大学建筑学院，山东 临沂 276005）
［摘 要］本文通过对天然砂和机制砂颗粒形状的对比剖析，指出目前机制砂存在的问题及今后机制砂石产品的发展方向，对我国又好又快地发展机制砂石行业，具有一定的指导作用。本文还对大型水泥集团或者商品混凝土行业发展产业链中的骨料生产线的具体技术要求提出建议，为配合国家推广应用高性能混凝土指明了方向。
［关键词］机制砂石；颗粒球形度；高性能混凝土；整形机
0 前言
近年来，随着我国经济的快速发展，建设规模的日益扩大，很多地区天然砂资源紧缺，河砂资源面临枯竭的困境，中国砂石协会联合国土部、工信部、地方砂石资源管理处等政府主管部门以及上下游行业协会，大力宣传机制砂石骨料的重要性，积极推广机制砂石应用。粗细骨料砂石的总体积约占混凝土总体积的70%～80%。2013 年全国年产销水泥 24 亿吨，按照其中的80%用来生产国内的混凝土，按照每方混凝土中平均 0.3 吨水泥来估算，中国年产混凝土就是64 亿m3，不难计算年耗用砂石骨料就是约 48亿m3，按照质量计算就是每年需要消耗砂石 130 亿吨，其中砂大约是60 亿吨左右，碎石 70 亿吨左右。因全国各地资源富贫不一，目前砂和碎石市场价格约为 20～80 元/吨左右。混凝土用砂石加上砂浆用砂，全国砂石行业骨料年产值大约在4000 亿～6000 亿之间。根据我国中长期经济发展规划中的城市基础设施建设、中西部地区的铁路建设和城镇化建设，预计 20 年内，水泥混凝土的高使用量还将持续，巨大的市场需求，使国内天然砂资源逐年减少，市场供应不足，价格飞涨，机制砂行业已迎来飞速发展期。目前，机制砂在河南、山东、重庆、四川、贵州及福建等部分地区已经得到较广泛的应用。
1 天然砂特点
根据 GB/T 14684－2011《建筑用砂》国家标准，天然砂是自然生成的，经过人工开采和筛分的粒径小于4.75mm 的岩石颗粒，包括湖砂，河砂（江砂），山砂，淡化后的海砂，但不包括软质岩、风化岩石的颗粒。在天然砂中，粒径小于 75μm 的颗粒含量叫含泥量。天然砂是经过长期的水流冲涮滚磨后所形成的球形或类似球形的颗粒。天然砂的细度模数Mx 一般在 2.0～2.6 之间，目前，最主要的是含泥量的控制。随着天然中粗砂资源的逐渐稀少，经过淡化后的海砂和天然细砂用量将会越来越多。目前市售的天然细砂的细度模数Mx 一般在 1.9 以下。
2 机制砂的特点与缺点
根据 GB/T 14684－2011《建筑用砂》国家标准，机制砂是经除土处理，由机械破碎、筛分制成的，粒径小于4.75mm 的岩石颗粒，但不包括软质岩、风化岩石的颗粒。比较常见的用来做机制砂的石料有：河卵石、花岗岩、玄武岩、石英石、铁矿石、辉绿岩、鹅卵石、煤矸石等。在机制砂中，粒径小于75μm 的颗粒含量叫石粉含量。
颗粒外形粗糙，为多棱，部分颗粒尖锐多棱角，细度模数偏高，Mx一般在 2.6～3.5 之间，含有石粉和部分粘土，目前国内大部分机制砂进商品混凝土站时也不满足
GB/T 14684－2011《建设用砂》国家标准规定的颗粒级配要求，具体表现为 160～630μm 之间的颗粒数量不足或者级配不符合国标要求。机制砂和天然砂的外形如图1～ 4。
从高性能混凝土对骨料的技术指标要求来看，目前市场上的部分机制砂，仍然有些缺点必须要克服，才可以更好地利用到高性能混凝土中：（1）机制砂的颗粒粒型一定要经过整形，提高颗粒球形度；（2）降低机制砂中的含泥量。试验表明：机制砂中的石粉对混凝土外加剂作用的影响比较有限，石粉对混凝土的需水量增加影响也不大，但是制砂中的含泥量（粘土含量）对混凝土外加剂特别是聚羧酸类外加剂作用影响很明显，这就要求在破碎粗骨料之前，要严格控制粗骨料中的含泥量（主要是粘土含量和泥块含量）；（3）机制砂颗粒偏粗，颗粒级配不能满足泵送大流动混凝土的技术要求，采取的土办法就是混合搭配，机制砂和天然砂（主要是细砂）搭配使用。工程实践表明：细骨料宜选用中砂，粒径小于0.315mm 的颗粒（这里主要指的是细砂而不是石粉）所占的比例宜为 15%～20% 才可以满足大流动泵送混凝土的要求。目前，单一的机制砂很难满足高性能混凝土对细骨料的技术要求，特别是对含泥量和用水量敏感度较高聚羧酸外加剂的使用，对细骨料机制砂的质量要求更高，否则，很容易出现混凝土的离析、泌水，混凝土粘聚性差，可泵型差，经常会造成混凝土的堵管，混凝土强度离散性大，严重影响混凝土质量，甚至发生工程质量事故。目前，混合砂，也就是机制砂和天然细砂的混合搭配使用，已经得到广泛的认同和工程应用。
2014 年 7 月中央电视台曾经报道过“黄河面砂”问题，笔者看了相关报道。其实只要使用得当，完全可以采用机制砂加黄河面砂来生产混凝土。按照比例，科学合理搭配，不仅建筑物质量有保证，而且可以顺利泵送施工，只要黄河面砂的含泥量控制在合理范围，混凝土裂缝不会因为使用黄河面砂而增加。笔者是支持采用黄河面砂和当地的机制砂按照比例合理搭配来生产预拌混凝土的，混凝土施工和耐久性也完全可以得到保证。当然，你全部用黄河面砂来生产预拌混凝土，那当然不可，砂子太细，需水变大，混凝土收缩也变大，导致混凝土裂缝增加，会对建筑工程质量造成危害。可以说，目前商品混凝土公司的总工或者实验室主任都是具有工程师职称的专业技术人员，配制生产各强度等级的泵送混凝土对粗细骨料的技术要求他们是清楚的，相信他们采用机制砂和“满足含泥量要求的黄河面砂”合理搭配使用，混凝土工程质量是有保证的。笔者由于工作关系，也到过若干郑州商品混凝土公司考察，也亲自试拌了机制砂和黄河面砂搭配使用的商品混凝土，混凝土出料和易性、可泵性较好，但坍落度经时损失问题如果不增加混凝土外加剂的掺量，仍然难以解决，主要问题，还是机制砂的颗粒球形度不高，对混凝土坍损影响较大。河南地区某商品混凝土搅拌站C30 级泵送混凝土比为典型使用案例，其配合比详见表 1。
表 1 典型的机制砂与细砂搭配使用商品泵送混凝土配合比 kg/m3
水
P·O42.5水泥
粉煤灰
矿粉
机制砂
黄河细砂
小石 5~10mm
中石 10～25mm
脂肪族外加剂
170
230
80
60
660
250
165
770
8.0
3 提高细骨料颗粒—机制砂的球形度的重要性
设骨料颗粒自然体积为 Vg，紧密包裹粗骨料颗粒的球的体积为Vb，颗粒体积 Vg 与球体积 Vb 之比为骨料颗粒球形度或者叫圆形度 ﹠，﹠=Vg/Vb，0＜﹠＜1，﹠值越大，颗粒形状越接近球体，反之则颗粒形状越接近不规则多棱体或针片状体。天然的球形砂和市场上的部分多棱体机制砂在混凝土中的性能表现，业内同行专家做了大量对比试验。细骨料品质对混凝土拌合物的工作性能及硬化混凝土的物理力学性能和耐久性能均具有重要影响，其中细骨料颗粒粒形及表面组织是影响混凝土拌合物需水量的重要因素[1]。温喜廉等[2]利用数字图形处理技术、显微镜和扫描电镜研究了细骨料海砂、河砂、机制砂和尾砂的颗粒形貌特征及微观结构，从各细骨料粒级0.16～5mm 的圆度看，机制砂圆度最小，其次是尾砂，海砂与天然河砂表面组织相近，颗粒圆滑，棱角少，表面较为平整。而机制砂和尾砂棱角大，表面粗糙，有利于提高胶砂抗折强度。刘秀美等[3]通过设计4 种不同圆度系数的机制砂对混凝土性能的影响试验，得出圆形度越大，即机制砂颗粒越接近球形，混凝土的工作性能越好，抗压强度越高这一结论。机制砂的粒形特点使其有利于与水泥的粘结，但是对混凝土的和易性不利，用水量较大，易使低强度等级的混凝土泌水、离析。采用球形度较好的机制砂，达到相同坍落度所需要的浆体量较少，可以降低混凝土成本。
总之，机制砂的颗粒形状对其紧密堆积存在重要影响，实际在混凝土工程应用中人们更加期望其获得类似球形的颗粒，这样它们不仅有利于紧密堆积，更有利于混凝土工作性能的发挥，特别是对混凝土的初始流动能力和经时坍落度损失速率的影响方面，类似球形颗粒的粗细骨料更可以发挥浆体和骨料的联动滚动效应。目前，针对商品混凝土搅拌站生产的泵送大坍落度混凝土来说，离开机制砂混凝土的良好工作性（和易性）而谈机制砂对混凝土的增强作用，没有多少意义。而针对水工大坝混凝土，由于其施工混凝土坍落度较小，几乎不存在泵送施工问题，对机制砂的球形度可能要求不需要太高，但水工大坝混凝土同样对混凝土的和易性有较高要求，这样对混凝土外加剂就会要求更苛刻。
同样，针对粗骨料的碎石，减少针片状颗粒含量，减少不规则的多棱体含量，提高碎石颗粒的球形度也具有重要意义，它对提高混凝土的流动性和流动性保持能力有利；对比碎石针片状、不规则多棱体含量高的混凝土，人们可以适当降低砂率，减少单方混凝土用水量，降低了混凝土成本；碎石颗粒的球形度增加，有利于工地现场振捣施工，碎石颗粒在混凝土中分布均匀，可以减少混凝土的收缩裂缝。针片状较多，球形度较差的碎石如图5、图 6；球形度较高的碎石如图 7、图 8。
4 给机制砂石整形，提高其球形度刻不容缓
很久以来，人们都使用天然砂来拌制生产混凝土，对砂石骨料的颗粒级配、粒型、表面特征、针片状颗粒含量、空隙率等没有引起足够的重视，然而随着天然砂资源的枯竭，人工机制砂面世进入混凝土生产市场，起初也带来了很多问题，主要原因就是机制砂的颗粒球形度差，颗粒外形粗糙，为多棱，部分颗粒尖锐多棱角，细度模数偏高，级配不合理，含泥量高。目前，广大的混凝土科技工作者已经认识到了这个问题的迫切性，机制砂石设备生产厂家要务必有“砂石整形机”配套生产线，只要解决了颗粒的球形度问题，其它问题都相对较好解决，如级配问题可以搭配天然细砂，淡化的细海砂；含泥量高的问题，可以通过破碎前或破碎后水洗的办法解决；石粉的多少问题，在生产线就可以有足够手段控制其含量。
住房和城乡建设部和工业和信息化部联合发文（建标[2014]117号）“住房城乡建设部工业和信息化部关于推广应用高性能混凝土的若干意见”，要求各级住房城乡建设部门、工业和信息化主管部门要加强推广高性能混凝土的应用，目前来看，推广应用高性能混凝土的关键在机制砂石，机制砂石质量提高的关键在于提高其颗粒球形度和控制其本身的含泥量。因此，国内的相关设备生产厂家需要进一步加大研发力度，优化机制砂石生产线的布局，在提高砂石颗粒球形度、减少含泥量和控制石粉含量上下功夫，相信在不久的将来，我国的机制砂石行业一定可以通过科技进步，生产出优质的混凝土骨料，来满足国家各行各业的建设工程。
5 结语
机制砂石行业，目前，正面临难得的发展机遇，部分大型水泥集团公司如海螺水泥、冀东水泥、河南同力水泥、河南天瑞水泥、华新水泥集团公司等等，都已在上马或即将上马骨料生产线，完善的产业链将使这些大型建材集团公司发展得更快更好，笔者列出以下几点建议，供建材同行们借鉴参考。
（1）机制砂，在生产之前就要严格控制粗骨料的含泥（粘土）量和粘土块含量。后续工序就不需要再水洗了，可以节约大量的水资源。
（2）国产或进口的机制砂生产线，必须要配套砂石颗粒整形机，使砂石颗粒的球形度获得极大的提高，减少尖角，棱柱体，针片状颗粒含量。
（3）机制砂要和细砂混合使用，搭配比例后，粗细骨料的颗粒级配要满足国家或行业标准才可以更好的获得更高质量的高性能混凝土。
（4）商品混凝土行业，目前也面临着结构升级转型发展的契机，因地制宜，发展机制砂石的产业链，降低成本，也是一个良好的选择。
（5）每种砂都有个吸水率问题，无论哪种砂，做混凝土配合比设计、试配的时候，都应以砂的饱和面干状态来计算、设计，这样更科学。
（6）看起来最没有技术含量的砂石，它们对混凝土性能的影响却很大，也间接地影响各类混凝土的成本，应该引起广大混凝土工作者足够的重视。
参考文献
[1] 甄广常，窦俊荣，鲍晓琴．高性能混凝土对骨料的要求[J].河北工程技术高等专科学校学报，1999，37(1)：37-41．
[2] 温喜廉，欧阳东，李建友．细骨料颗粒形貌特征显微及微观结构研究[J]．混凝土，2013(6)：62-63．
[3] 刘秀美，陶珍东．机制砂的特点及其对混凝土性能的影响[J]．粉煤灰，2012(6)：37-38．
［作者简介］张伟（1972—），男，临沂大学建筑学院副教授。主要专业方向：水泥化学，高性能混凝土，水泥助磨剂，混凝土外加剂，干混砂浆等领域。
［通讯地址］山东临沂大学建筑学院 206 室（276005）
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