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Sustainable Concrete of Tongji University
砂是构成混凝土骨架体系的重要材料之一，对混凝土的工作性能、力学性能、耐久性能及长期性能起着非常重要的作用，以前我们主要用活水砂（flowing water sand，指主流冲刷下的天然河砂），活水砂经过多年水流冲刷大浪淘沙后，留下来的都是精华，优点多，如颗粒饱满圆滑、强度高、含泥量少、杂质含量少、不吸水不吸附外加剂等，缺点是各项指标完全依赖于先天条件形成，不适宜后天花大力气进行深加工。但近年来的河砂质量也存在诸多问题：目前湖南省的五大天然砂采区采挖的是沙洲砂（sand bar，指河流、湖泊、水库中由水流、波浪作用堆积而成的泥沙质小岛）和深埋砂（deep sand，指河道水流以下隔着一层一定厚度土层结构以下的砂卵石层，当前采区土层厚度在10余米至30余米不等）。
2017年以来受环保压力的影响，天然砂石开采逐渐被限制，机制砂石应用越来越多，机制砂石作为加工产品按理说其质量是可以满足要求的，但目前机制砂石的质量极不满足要求，主要是以下几点原因造成：一是制度缺失，机制砂的质量管理与控制没有引起足够重视，连最基本的生产控制、出厂检验等环节都没有；二是目前货源紧张价格翻番的情况下，基于成本压力，搅拌站在选择、采购机制砂时主要考虑的是价格，而不是品质；三是加工工艺和加工设备因素，大多数矿山企业和设备厂家不能根据岩石的岩性特征、解理面状况、强度和硬度等特性来进行工艺设计和设备组合选型；四是母岩品种和质量的影响，岩石在大自然的造岩运动中形成，母岩的发育程度和风化程度千差万别，并不是所有的岩石都适合做骨料，特别做机制砂，母岩质量是影响机制砂石质量的最根本原因。
职能部门没有将机制砂石作为工业产品，对产品质量缺乏监管。砂石矿山企业和加工企业没有质量控制理念、制度、工序、抽样、检验等手段，砂石矿山的采矿权证、安全、环保、林业等有人严管，唯独质量没人管，可以说99%以上的砂石开采和加工企业没有设立技术部或试验室。在当前天然砂石奇缺价高，正品机制砂石供应青黄不接的情况下，在砂石资源缺乏但需求量大的区域，大多数搅拌站在以“杂烩砂”的形式进行混凝土生产，而“杂烩砂”的组成则相当混乱，通常由能够采购到的各种形态的砂状物以注重节约成本的形式杂烩组成，通过这种大杂烩，混凝土成本仅砂这一项就可节约大量成本，有混凝土企业通过“杂烩砂”将混凝土成本最多降幅达到40元/m³，因此“杂烩砂”的市场动力很大。砂石贵1元，混凝土成本涨2元，质量好的砂价格自然高些，却争不过价格低的杂烩砂。一个地区预拌砼量是固定的，基本上是低成本竞争态势，形成好砂用不起，杂烩砂盛行的局面。2018-2019年天然砂与机制砂的价差大约在60元/吨左右，每方混凝土用砂量按800kg计，用天然砂比用机制砂的混凝土成本高出48元/m³，这48元/m³的差价，除了部分指定用天然砂的重点工程能消化部分成本外，其余都得由搅拌站自己买单，在本来就利薄的混凝土行业，搅拌站根本就承受不起，因此，天然砂可以说是有价无市。曾经有人向搅拌站推销价格稍高的精品机制砂，搅拌站通常以一句“成本没法消化，用不起”予以回绝，这更从需求端助长了劣质机制砂的盛行，即所谓劣币驱逐良币。由工艺来定设备，还是由设备来定工艺，这个一直有争议。我认为应根据母岩特性先定工艺，再根据工艺路线选设备，关键还要解决机制砂的“在线监测”问题，只有在线监测这一关攻克了，才能实现全自动生产工艺流程。采用变频破碎和多级筛分技术，可以得到任意级配曲线的机制砂；通过工艺调整可使级配曲线长期稳定；矿物晶体受力后沿一定方向破裂并产生光滑平面的性质称为解理；岩石在自然条件下形成的裂纹或裂缝称为节理；岩体受力或因变质作用产生并沿着一定方向大致成平行排列的致密的裂隙或面状构造称为劈理；由于应力作用下的机械破坏使岩体丧失其连续性和完整性称为断裂，断裂包括裂隙、节理和断层等；在岩石形成过程中产生的，由物质成分、颗粒大小、颜色、结构构造等的差异而表现出的岩石成层构造称为层理。
不同岩石有不同的解理面，岩石受力首先沿解理面破裂，同种岩石采用不同破碎方式的针片状含量不同；石料做扁易做圆难；2.5—10mm的骨料很难破碎做细（超细碎），俗称“钻石王老五”，因此，工艺设计和设备选型对机制砂的质量非常重要。机制砂石看似简单，但因其母岩具有复杂的微观岩相结构、发育程度与风化程度有差别、杂质含量等的不确定性，使其变得不再简单。主要表现在：不完全惰性、强吸附性、有害杂质成分复杂等。①母岩质量指标：饱和极限抗压强度，自由吸水率，弹性模量、膨胀性，冻融循环强度/质量损失率，有害物质含量，安定性（碱活性/氧化活性），放射性。
②母岩加工性能指标：（轧制性能试验）核算产率、能耗、磨耗、颗粒级配、粒形、针片状颗粒含量、石粉含量等。
③混凝土性能试配：机制砂混凝土性能试验（工作性能、力学性能、耐久性能、匀质性能）。涉及工民建的建设用砂标准GB/T14684、GB/T14685、JGJ52等，已经不适应当前砂石质量控制要求，主要体现在：标准指标较宽泛、指标参数有缺项、检测设备不够精准。粒型：理想粒型是球体或立方体，骨料颗粒中存在很多不规则颗粒（不园不正）。标准规定的是针片状含量，检测方法是手工比对，而针状和片状只是骨料颗粒中非常极端的不规则形状，还有更多表现不极端的不规则颗粒，因此针片状含量指标有点以偏概全。英国标准BS812规定了棱角系数可以借鉴。
石粉含量（吸附性指标）：标准规定0.075mm以下的石粉视为含泥，实际上0.15mm以下的石粉含量一般含量很高，且对混凝土性能影响很大，配合比设计中，0.075mm以下的可以作胶凝材料用内掺法，0.15mm以下的可以作填充料用外掺法。
吸水性：因大多数岩石本身不饱水、存在加工裂隙、或多或少含粘土成分，导致机制砂石吸水率偏大，因此，有必要规定需水量比。
坚固性（压碎值、硫酸钠溶液5次循环质量损失率）：国标与行标对机制砂的压碎值规定有差别，国标取单级最大压碎指标，行标取加权平均压碎指标。软弱颗粒含量：软弱颗粒指在147-333N的静压力下能压碎的颗粒，或其硬度低于洛氏硬度为B65-B75的铜棒刻出痕纹者。主要由原岩岩层中的软弱夹层、次生胶结的岩脉（钙质或硅质）等组成，在开采作业中不可能分离这些原岩的软弱成分，它们一起进入机械盘丝洞加工作业中。构成软弱颗粒的组成部分。软弱颗粒不仅导致混凝土强度损失，而且是混凝土耐久性的缺陷空间。当前标准没有此指标要求。
骨料的安定性指标：钢渣骨料、过烧石灰颗粒、膨胀性粘土矿物、氧化活性骨料、碱活性骨料等导致骨料存在安定性不良问题，当前标准没有规定。
分计筛余级配曲线：比老的累计筛余级配曲线直观，有利于实现在线监控。岩石大致可以分为三大类：岩浆岩、沉积岩、变质岩。由于地球内部高温液态物质冷却和结晶而形成的岩石称为岩浆岩，也叫火成岩，常见的岩浆岩品种有花岗岩、橄榄岩、玄武岩、安山岩、流纹岩；由各种不同的沉积物所形成的岩石称为沉积岩，也叫水成岩，常见的沉积岩有砾岩、砂岩、粉砂岩、碳酸盐岩、碎屑岩；由于岩浆中沉积岩在高温或高压影响下，地球内部产生剧烈变化所生成的岩石称为变质岩，常见的变质岩有板岩类、千枚岩类、片岩类、片麻岩类、长英质粒岩类、石英岩类、斜长角闪岩类、麻粒岩类、铁镁质暗色岩类、榴辉岩类、大理岩类、矽卡岩类、角岩类、动力变质岩类、气液变质岩类、混合岩类等。机制砂对混凝土性能的影响大多体现在：需水量高、对外加剂吸附性强使外加剂用量增加甚至失效、坚固性差、含软弱颗粒、含膨胀性粘土矿物、含氧化活性矿物（如黄铁矿、磁黄铁矿等）、含碱活性骨料、含泥土及杂质等方面。机制砂的这些特性直接影响混凝土的工作性能、力学性能和耐久性能。坚固性差、软弱颗粒多、膨胀性粘土矿物和活性矿物等对混凝土的影响甚至是致命的。2.4.4 吸水性和对外加剂的吸附性：大多数岩石本身不是常年处在饱水状态环境中，加工成机制砂后，由于比表面积增大、颗粒存在加工裂缝，且或多或少存在粘土成分，因此机制砂的需水量相对于天然砂要高，同时对外加剂具有一定的吸附性，吸水率大的超过机制砂质量的5%（相当于每方混凝土中砂的吸水量达到约40kg），对外加剂吸附性大的能达到机制砂质量的1.5-2.0%（相当于每方混凝土中砂对外加剂的吸附量达到约12-16kg）。2.4.5 坚固性差和含软弱颗粒：岩石中的风化现象无处不在，只是风化程度不同而已。强风化的硬质岩，甚至未风化~微风化的页岩、泥岩、泥质砂岩等都存在坚固性差和含软弱颗粒多等现象，在硬化混凝土中这些软弱颗粒可能被雨水或潮湿空气溶蚀，留下缝隙孔洞，同时大量的软弱颗粒若富集一处，容易引起应力集中，严重时甚至导致结构失效。
2.4.6 膨胀性粘土矿物：如蒙脱石、斑脱石、高岭土等风化矿物成分，吸水后体积膨胀几倍到几十倍，使硬化混凝土胀裂、剥离、脱落，破坏混凝土结构。
2.4.7 黄铁矿、磁黄铁矿等活性矿物：两者都是铁的硫化物，当硫化铁暴露在水和氧气中时，常温下硫化铁不会氧化，但其中若含有不稳定态硫化亚铁（一般而言，对于天然黄铁矿，硫与铁在化合过程中有可能偏离理想状态，硫偏离理想状态的量（质量分数）通常在1.93%以下，相当于FeS2变为FeS2-x,x≤0.07），这种不稳定态硫化亚铁在有空气的潮湿环境中，会逐步氧化形成硫酸亚铁，二价铁具有强还原性，能被继续氧化形成硫酸铁矿物，在碱性环境中硫酸铁水解为氢氧化铁，在干燥环境下，氢氧化铁失水形成三氧化二铁（铁锈），体积膨胀。
若用含黄铁矿或磁黄铁矿（其中含不稳定态硫化亚铁）的母岩制作骨料，当水和空气（氧气）通过裂缝和孔洞进入混凝土中时，在混凝土的碱性环境中，骨料中的硫化亚铁就会被氧化，生成氢氧化铁，在环境干燥时，氢氧化铁失水形成三氧化二铁，体积膨胀4倍，使混凝土鼓包、爆裂、脱落，并在混凝土表面留下难看的色斑，硫化亚铁在混凝土中的氧化反应须满足四个条件：温度、湿度、空气、约束，当切断其中1-2个条件氧化反应终止。这四个条件也是黄铁矿骨料混凝土鼓包修补的依据。注：表1中岩石强度分类来自GB/T50266，但实际操作中强度值30MPa要适当提高。岩石在太阳辐射、大气、水和生物作用下出现破碎、酥松及矿物成分次生变化的现象，称为风化，一般有物理风化、化学风化、生物风化三类。这里指强风化后的硬质岩石生产的机制砂，这种砂坚固性差、需水量大、与水泥浆体的粘结性差，生产的混凝土各项性能指标差。组成粘土岩和土壤的主要矿物，是一些含铝、镁等为主的硅酸盐矿物，一般具有层状结构，具有吸水性和离子交换性。对机制砂危害较大的几类粘土矿物主要有：蒙脱石、斑脱石、高岭石等。3.2.1 蒙脱石：由颗粒极细的含水铝硅酸盐构成的层状矿物，也称胶岭石、微晶高岭石，由火山凝结岩等火成岩在碱性环境中风化蚀变而成，是膨润土的主要组成部分，白色，有时微带红色或绿色。吸水性很强，吸水后体积膨胀几倍至十几倍，具有很强的吸附性和阳离子交换性能。3.2.2 斑脱石：别名膨润土、膨土岩。一种以蒙脱石为主要成分的细粒粘土，含少量长石、石英、贝得石、方解石及火山碎屑粉。具有强吸水性，吸水后体积膨胀10-30倍。3.2.3 高岭石：一种含羟基的硅酸铝矿物，以极微小的微晶或隐晶存在的致密块状。高岭石是长石和云母等铝硅酸盐的低温热液蚀变和次生风化的产物，常见于岩浆岩和变质岩的风化壳中，具极完全解理，干燥时具吸水性，但不膨胀。包括有机物、页岩、石膏、氧化铁、煤、轻物质颗粒、软弱颗粒、云母、硫化物及硫酸盐、氯离子等，这类杂质对混凝土强度和耐久性极其不利。如有机物大多是植物腐烂的产物，能使混凝土早期强度大幅度降低；页岩抗风化能力弱，最经不起冻融循环破坏；骨料中的石膏有潜在硫酸盐侵蚀及TSA侵蚀；氧化铁杂质若露在混凝土表面会留下难看的色斑；煤质颗粒的吸附性大没有强度，溶蚀后会留下孔洞；轻物质颗粒包括植物根茎、植物纤维等，若存在混凝土表面会留下孔洞色斑；软弱颗粒会导致混凝土破碎、强度下降、耐久性下降、耐磨性下降，还可能在搅拌中破碎，增加用水量。钢渣骨料中的游离氧化钙、游离氧化镁；废弃石灰场的废渣中的过烧石灰颗粒；黄铁矿和磁黄铁矿（硫化亚铁）、碱活性骨料等，这些活性成分会在混凝土硬化后发生化学反应，反应生成物体积膨胀对混凝土造成破坏。母岩生成带覆盖土过厚、夹层土丰富，岩石不成整块，分散在土壤中，采矿就像土中选石，这样的岩层最适合做水稳层，即使采用湿法（水洗）生产，机制砂含泥量、泥块含量一样超标。泥及泥块能降低混凝土和易性、对混凝土的抗压、抗裂、抗折、抗渗、抗冻、弹性模量、收缩等都有影响，混凝土强度越高影响越大，泥块溶蚀后会在硬化混凝土表面留下鳞状孔洞影响耐久性，搅拌过程中泥块破碎增加用水量。破碎工艺和设备选型不合理，一般小型矿山简单采用粗破和细破两级破碎工艺，没有设计整形工序，如鄂破+圆锥破，这个二级破碎工艺组合对多数岩石种类生产的砂石产品不规则颗粒多。精品机制砂生产一般至少采用粗破+细破+超细破（整形）三级破碎工艺，加多级筛分工艺。破碎工艺和设备的组合形式应根据岩石的特性、解理、强度、硬度等来选配。 砂中的颗粒粒径分布不均匀不连续，呈“两头多中间少”状态，如石屑、某些筛分不彻底的天然砂、不经过破碎筛分加工的山砂、湿法生产水洗过程中将0.315mm以下颗粒冲洗掉了，只留下0.315以上部分的机制砂等，这种级配断档型砂配制的混凝土和易性不好，容易离析，且通常砂率会很高，必须加入部分特细砂或调整掺合料粉料用量以弥补砂中的细颗粒断档空隙。自2019年下半年起，湖南省逐步放开河道天然砂石开采，年采挖指标约8000万吨，当前开放的五大采区采挖的基本上都是沙洲砂和深埋砂。沙洲砂和深埋砂的缺点是含泥量高、泥块含量高、杂质多、级配差、砂石比例失调等，某些采区砂含量低到不足20%，绝大多数是卵石，其中6-9（cm）坨占30-40%，必须经过再加工才能作骨料。
当前天然砂开采存在的问题：市场竞争趋烈、价格及税票不统一、中转过驳设点过少且不合理、船舱核载计量标准不统一、吸挖筛分冲洗工艺与沙洲砂和深埋砂的砂卵石层构造特点不相适应、资源费没有明确定价、地方保护过闸不通畅、没有质量过程控制和出厂检验手段、超深吸挖（土层30米+采砂层30米）没有对河堤河床的恢复提出保护措施。
5.1 机制砂与风化砂配制混凝土的需水量和强度差别选取不同产地不同品种、不同风化程度的机制砂和碎石，进行混凝土试配，测定坍落度、扩展度及损失，观察拌合物工作性能的变化，发现含泥量高、含粘土成分的机制砂和碎石比合格机制砂和碎石的外加剂掺量高出2-4倍，且砂的影响比石的影响大。见表4。表4 不同机制砂、碎石配制混凝土对外加剂掺量的影响（1）花岗岩母岩晶粒粗大、晶粒间结合力弱、母岩整体强度低；（3）黑、白云母含量高，其中的伟晶矿脉中的云母含量超过6%；（4）整条矿脉至少有三分之一呈半风化状态，粘土矿物多；（5）制成的机制砂压碎值高、吸水率高、对外加剂吸附性大、配制的混凝土拌合物泌水、不挂浆、即使加大外加剂掺量，对坍落度也提升不大而且损失快。配制的混凝土强度损失大，与合格机制砂按1:1搭配使用，配制的混凝土强度比基准低30%左右。（母岩照片经地质学专家谭建农教授级高工审核，特别感谢！）
7.1 黄铁矿碎石引起的混凝土表面鼓包爆裂脱落事故2018年10月～2019年2月，由于砂石供应紧张，某搅拌站在不知情的情况下，采购了小批量的含黄铁矿碎石，每天进货量100吨左右，与其他碎石按1:3搭配使用，在2019年夏天发现那段时间浇筑的混凝土墙柱梁板混凝土表面出现鼓包爆裂脱落现象，爆点直径2-8cm，深度1-3cm，爆点中心有棕褐色粉末。经检测实体强度满足设计要求，经岩矿分析发现粗骨料细砂岩中含有黄铁矿（含量2-3%），见表5，化学分析（XRF）发现爆点骨料中的全氧化铁（三氧化二铁+氧化亚铁）含量高达19%，个别点硫含量达6-8%，这就是黄铁矿中的硫化亚铁氧化反应的产物。某项目2017年11月～2018年5月浇筑混凝土，4月底在例行抽查中发现混凝土强度偏低，至5月2日停工时，主体结构已施工至地上2层（局部地上3层）。总结：表1表2中，负2层、负1层共800根框架柱，抽查379根，回弹强度满足C40要求的7根，合格率1.8%，达到C35以上的21根，占5.5%，达到C30以上的50根，占13.2%，C30以下的占79.5%。
2019年1月某科研院复查检测报告结果如表8、表9、表10：表8 负2层、负1层、1层C40框架柱、底板混凝土芯样强度表8中，负2、负1和1层C40框架柱、底板混凝土抽取36组芯样，强度满足C40的0组，达到C35以上的0组，达到C30的1组，C30以下的占91.7%。表9 负2层、负1层、1层C35框架柱、框架梁混凝土芯样强度表9 中，负2层、负1层、1层C35 框架柱、框架梁混凝土抽取19组芯样，强度满足C35 的1组，达到C30的0 组，C30以下的占 94.7%。表10 负 2 层、负 1 层、1 层 C30 框架梁混凝土芯样强度表10 中，负2 层、负1 层、1层 C30 框架梁混凝土抽取 3 组芯样，强度全部低于 C15。从两次检测看，结果非常不理想。经查询搅拌站试验室资料、生产记录和原材料进货记录，对破碎芯样中的骨料和浆体进行检测分析，同时查询了周边其他兄弟搅拌站同期同厂家同型号原材料记录，及了解到的施工单位现场操作情况，分析如下：1、山砂质量：风化成分多水洗不充分、云母含量高、坚固性差、含泥量大、级配差、粒型差。2、矿粉质量：有掺假矿粉在使用，烧失量大、活性低。3、外加剂质量：减水率低，骨料吸水性大，搅拌楼为了达到大坍落度，手动补水。4、粗骨料质量：从芯样看，粗骨料中有卵石和碎石，有黑色、黄色和褐色，黑色为灰岩、黄色为泥、褐色为风化白云石。1、有现场加水现象，导致水胶比增大，入模拌合物接近离析临界点，强度低、碳化深度大（达6mm）；2、有待卸时间过长现象,混凝土接近初凝，导致强度低、结构疏松；3、超高卸料，5m左右高度，没有分层浇筑，一次性下料没设溜槽或导管，下料高度大于2m，箍筋又密，拌合物落下碰到箍筋，相当于过了一道筛，导致浆骨分离、匀质性差，强度低；4、有过振现象，振动棒放在混凝土拌合物中，相当一段时间无人看管，导致离析，匀质性差；5、无有效养护措施，导致水化反应过程发展差，强度低。1、混凝土实体匀质性差，有些芯样看不到粗骨料，有杂物及离析现象，气孔多，结构酥松；2、从芯样破碎面可以看到很多云母，闪闪发亮，大的云母面积约有4mm²，均匀分布在混凝土中的云母没有强度，一旦受力云母表面就会产生应力集中，首先破坏；3、从破碎芯样看，浆体与骨料表面的粘接力不足，强度高的粗骨料破坏面沿骨料表面与浆体分离，破坏面中留有很多光滑的粗骨料剥离的孔洞；4、混凝土中胶砂体的强度偏低，这是混凝土强度低的最主要原因，主要由山砂质量差引发，加上水胶比偏大、匀质性差、施工操作不规范、养护不规范等因素累积，导致整体强度大面积偏低。造成劣质机制砂的关键原因是母岩质量差，其次是加工工艺、加工设备不合理、以及监管制度和检验控制手段缺失等。近三年以来，因砂石质量原因造成的混凝土质量事故呈上升趋势。因此，无论职能部门、还是投资矿山砂石加工生产者、以及砂石用户等都应高度重视母岩质量，在设立矿权、投资矿山建设、采购砂石材料之前，须对母岩质量进行全面的分析检验，并须进行混凝土试配试验，以确保砂石产品质量满足混凝土工作性能、力学性能、耐久性能要求，牢记百年大计始于基础。来源 / 混凝土与水泥制品杂志 宋笑
编辑 / 谢明君
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