摘要：对3种岩石进行了机制砂的模拟生产和性能测试，结果发现，母岩的种类和特性对机制砂的影响很大，其中花岗岩制得的机制砂具有最好的流动性和较高的胶砂/混凝土强度，凝灰岩机制砂工作性很差，玄武岩机制砂在流动性和强度表现上居中。XRD结果显示，较高Si0₂含量和较少碱金属元素含量的岩石是理想的机制砂原料，反之则表现出较差的工作性，而且碱金属元素的存在对于混凝土的碱骨料反应也有不利的影响。此外还针对2种级配讨论了级配对机制砂性能的影响。提出的评价方法包括母岩的检测、胶砂的流动度评价、强度评价和成分分析。

关键词：机制砂；母岩；快速检验

随着优质天然砂资源的减少，机制砂己经成为一种替代资源，逐步取代天然砂，为混凝土主要原料之一。目前沿河、沿海地区机制砂的使用率并不是很高，但是在内陆城市机制砂已经成为主要用砂。各地区的机制砂性能差异明显，主要体现在吸水率和对混凝土的工作性影响方面。比较其主要影响因素为石材的特性，排除机制砂生产设备对机制砂的粒形和级配的影响，可以说石材、母岩的性能在很大程度上决定了机制砂的性能。

如何在机制砂投产前对母岩性能进行相关的检验，对于保障机制砂的性能和决定矿山是否适合生产性能优异的机制砂至关重要。目前，还鲜有关于机制砂原料性能的对比研究报道，更多的是关于机制砂对混凝土性能影响方面的研究1。笔者结合福建沙县机制砂生产前的相关试验，围绕母岩经破碎后的机制砂性能进行了相关研究，根据GB/T14684—2001《建筑用砂》的要求，总结出一套机制砂原料选择与快速检验方法，适用于机制砂生产前的母岩检测。

1 机制砂的制备

由于岩石的分类方法和种类繁多，本文研究范围选定最常见的3类岩石——花岗岩、玄武岩和凝灰岩作为研究对象，以ISO标准砂级配的黄砂作为参考标准。

1.1 球磨机破碎

采用球磨机破碎方法模拟机制砂的生产过程，尽管与实际生产的颚式破碎机原理有所不同，但是此方法适合小规模的前期检测。将石材敲碎到适合球磨机的粒径大小，一般不大于50mm为宜。盖上栅状球磨机盖，破碎的过程中，小于格栅尺寸的颗粒会不断落到料仓里，这样可以避免过度球磨造成细粉过多，也更接近实际生产工艺。球磨时间根据石材的硬度，石材硬度越高，相同时间落到料仓内的碎料越少，也可以此观察石材的硬度。出料质量在5kg左右便可以停止球磨，接下来进行筛余。

1.2 按级配配制机制砂

将破碎的料过筛，筛网尺寸分别为:0.15、0.31、0.63、1.18、2.26、4.75mm。大于4.75mm的颗粒不用，以免造成胶砂搅拌机叶片的卡死。每次按照1250g配制，级配见表1。

表1 机制砂配制的级配

级配设立依据：2个级配分别为粗砂和中砂，主要区别在于细粉含量，这是影响流动度的重要因素。也可以代表不同的制砂工艺:粗砂代表破碎时间较短、颗粒集中在大颗粒部分；中砂代表破碎时间较长，颗粒集中在中、细部分。

花岗岩、玄武岩和凝灰岩破碎筛分后制备的机制砂分别见图1-图3。

图1 花岗岩制备的机制砂

图2 玄武岩制备的机制砂

图3 凝灰岩制备的机制砂

从外观上也可以看出，花岗岩机制砂较为明亮，透明颗粒多；玄武岩机制砂为灰黑色，内部较为致密，可见较多的结晶物质；凝灰岩为土黄色，内部有较多粉状物质。

2 检测内容

2.1 快速检测指标

(1)饱和面干吸水率

饱和面干吸水率是决定机制砂混凝土工作性、收缩以及耐久性的重要指标。吸水率过高会严重影响混凝土的工作性及经时损失，也会造成更大的干缩以及耐久性的降低。黄砂及3种机制砂(中砂)的饱和面干吸水率测试结果见表2。

表2 黄砂及3种机制砂的饱和面干吸水率%

(2)胶砂流动度及损失

胶砂流动度是决定机制砂能否满足混凝土工作性的决定性指标。为了更接近实际混凝土的使用情况，配比设计也更接近混凝土的配比，按m(水泥):m(机制砂):m(水)=500:1250:200，脂肪族系列减水剂[固含量(30±0.5)%，减水率21%]掺量占水泥质量的1.8%配制胶砂，胶砂流动度测试结果见表3

表3 胶砂流动度测试结果

(3)混凝土坍落度及损失

按m(水泥):m(水):m(机制砂):m(石)=367:183.5:850:995及m(水泥):m(水):m(黄砂):m(石)=367:183.5:905:940，脂肪族系减水剂掺量占水泥质量1.8%的配比配制混凝土。混凝土坍落度测试结果见表4

表4 混凝土坍落度测试结果

影响胶砂流动度的2个因素为石材的种类和级配。花岗岩机制砂有着和天然砂较为接近的流动性，而凝灰岩机制砂则没有任何流动度可言。

级配对流动度的影响可归纳为:细度模数越小、细颗粒越多，则流动性越差。尽管石粉对于混凝土的性能是有益的，相关文献和标准对于石粉含量的要求为小于15%，但是测试结果表明，当小于0.15mm颗粒含量达到10%时会严重影响流动性，势必造成用水量、外加剂、水泥用量的提升，方可实现理想的流动度。但是中砂混凝土的匀质性会明显优于粗砂，所以当母岩材料较优时应选择中砂级配，以实现较好的工作性。

2.2 后期检测指标

强度测试内容包括:胶砂及混凝土7d抗压强度、母岩抗压强度、碎石压碎指标，测试结果见表5。

表5 强度测试结果

测试结果表明，母岩抗压强度决定了机制砂的压碎指标。母岩强度较高对应的碎石压碎指标较小。较高母岩强度的机制砂一般表现出较高的表观密度和较低的吸水性，按照常理，其胶砂或混凝土的强度应该高于较低母岩强度的机制砂。

但由于机制砂的吸水率普遍高于天然砂，中砂的强度也会高于粗砂，凝灰岩的吸水率最高，此时母岩强度对混凝土、胶砂强度的影响不如水灰比对强度的影响作用明显，结合表3、表4工作性结果可以发现，凝灰岩强度表现出的高值是由于较高的吸水率导致实际参与水化的有效水灰比较小造成的。若将它们工作性调整至相当的水平，势必要大幅增加凝灰岩的用水量，其强度也势必会大幅下降，会明显低于另外二者。

2.3 XRD分析

对3种岩石分别进行了XRD分析，结果见图4。

图4 3种岩石的XRD图谱

从图4可以看出，花岗岩的组成非常单一，基本上由Si0₂组成；玄武岩除了SiO₂外，还含有一定量的不定型物质，其成分为Ni、Mg、Al等；而凝灰岩成分较为复杂，衍射图背底较厚，而且Si0₂峰强度较小，含有较多的KAlSi₃O₈。

结合上述的相关测试可以得出结论，岩石成分中Si0₂含量越高，其它矿物含量越少，尤其是碱金属元素含量越少，制得的机制砂具有更好的性能，如高致密度、高强度、低吸水率、较好的工作性以及更高的胶砂、混凝土强度。碱金属物质的存在遇水极为容易水解释放出OH-，一是造成流动度的快速损失，二是引入的K、Na可能会引起碱集料反应，给混凝土耐久性造成不良影响。

2.4 母岩的目测方法

根据笔者的野外寻矿经验和XRD成分测试结果，以及胶砂、混凝土流动性和力学性能测试结果，通过肉眼观察也可以大致推断母岩是否适宜作为机制砂的生产原料。花岗岩中含有更多发光的晶体物质，而在凝灰岩中则很少见，大都为类似于泥土的无定形物质，玄武岩居中。因此在一定程度上，通过肉眼观察，石材较为明亮、致密、晶体较多的则一般情况下非常适宜作为优质机制砂原料，反之石材暗淡、内部含有较多粉状物质、较为疏松的岩石则具有较高的吸水率、较低的母岩强度，反映在混凝土里则为很差的工作性和较低的强度(不考虑吸水效应的强度，即相当流动度的情况下，会有较低的强度)。该方法给野外的选矿带来一定的判断依据。

3 结语

通过对3种岩石2个级配共6种机制砂的全面研究，建立了一套系统的机制砂投产前的检验方以供相关的机制砂生产企业和施工单位参考。可以避免由于母岩特性导致不适合生产机制砂而产生的设备、人力、财力的浪费，同时对于机制砂的质量控制也有重要作用。随着机制砂的使用率逐步扩大，生产企业有必要对机制砂的质量进行严格把关。

参考文献：

[1]宋德明，宋业政，张存暖.不同石粉含量对机制砂混凝土性能的影响[J].水利建设与管理，2011(2):38-41.

[2]江小红，宋康，张书博.机制砂的发展及应用与存在问题探讨[J].甘肃科技，2011，27(1):82-83.

[3]LiFenglan, ZhuQian. Drying shrinkage of concrete affected by content of stone powder in proto-machine-made sand[J].New Material sand Advanced Materials，2011，152~153:1176-1179.

[4]LiBeixing，Zhou Mingkai, Fang Yanwei. Self-compacting concrete-filled steel tubes prepared from manufactured sand with a high content of limestone fines [J] Journal of Wuhan University of Technology-Materials Science Edition，2011，26(2): 326-329.

作者：秦廉¹，张雄¹，伍根伙²，李仰根²，张洁龙³

1.同济大学 先进土木工程材料教育部重点实验室，上海201804；

2.福建同济生态环境材料有限公司，福建三明365500：

3.上海建工房产公司．上海200086

编辑：赵虹旭