機制砂石的現狀、發展趨勢與技術要求

宋笑，趙林林，彭潤勃

（1.湖南省建材標準化技術委員會，湖南 長沙 410000；2.北京砼享未來工程技術研究院，北京 100024；3.沈陽建筑大學材料科學與工程學院，遼寧 沈陽110000；4.中南林業科技大學土木工程學院，湖南 長沙 410000）

0 概述

砂石是構成混凝土骨架體系的基礎材料，對混凝土的工作性能、力學性能、耐久性能起著非常重要的作用。2017 年以前，湖南大部分地區主要用天然河砂卵石配制混凝土，河砂卵石經過多年水流沖刷大浪淘沙后，留下來的都是精華，優點多，如顆粒飽滿圓滑、強度高、雜質含量少、不吸水、不吸附外加劑等，缺點是各項指標完全依賴于先天條件形成，不適宜后天花大力氣進行深加工，也造成砂石產品不被作為工業產品對待，沒有過程質量控制，沒有出廠檢驗等行業陋規。

近年來受環保壓力的影響，天然砂石開采逐漸被限制，機制砂石應用越來越多。機制砂石作為加工產品按理說其質量是可以滿足要求的，但目前機制砂石的質量極不滿足要求，主要是以下幾點原因造成：一是監管制度缺失，機制砂的質量管理與控制沒有引起足夠重視，連最基本的生產控制、出廠檢驗等環節都沒有，這也許就是用慣了天然砂石不注重過程質量控制留下來的陋習；二是目前貨源緊張，在價格翻番的情況下，基于成本壓力，攪拌站在選擇、采購機制砂石時主要考慮的是價格，而不是品質，形成劣幣驅逐良幣的怪圈；三是加工工藝和加工設備因素，大多數礦山企業和設備廠家不能根據巖石的巖性特征、解理面狀況、強度和硬度等特性來進行工藝設計和設備組合選型；四是母巖品種和質量的影響，巖石在大自然的造巖運動中形成，母巖的發育程度和風化程度千差萬別，并不是所有的巖石都適合做骨料，特別做機制砂。

1 現狀

砂石產業是以自然資源開發利用為基礎和依托的，自然資源在產業發展中占據主體核心地位，砂石是國民經濟建設中最重要且最基礎的原材料之一，砂石產業“大而不強”的現實突出表現為“四大六低一難”：產品產量大、企業數量大、職工隊伍大、資源能源消耗大；勞動生產率低、集約化程度低、科技含量低、產品附加值低、抗風險能力低、質量重視程度低；整套礦產權證手續辦理困難。

可以整體概括為：天然砂石禁采，機制砂石起步，當前砂石呈賣方市場，混凝土用砂石五花八門、五顏六色，雜燴砂、劣質砂大行其道。

1.1 量變

從天然砂石“禁采”到機制砂石“量產”預計需要3～5 年。2017 年上半年前，長株潭區域機制砂使用量占總用砂量不足 10%，至 2018 年底，長株潭各種非天然砂的使用量占總用砂量的 80% 以上，長株潭預拌混凝土砂石總用量約 1.2 億噸/年。

1.2 變質（非質變）

機制砂質量參差不齊，多數產品達不到相應技術要求。主要體現在顆粒級配呈“兩頭多中間少”、級配斷檔、不規則顆粒多、石粉多（石粉中粘土和泥土含量高）、吸附性強、需水量大，配制的混凝土和易性差、可泵性差、坍落度損失快、容易堵管，混凝土容易開裂、混凝土勻質性差、混凝土結構強度偏低等，引起用慣了天然砂的廣大混凝土技術人員的反感。

1.3 當前混凝土行業用砂情況

1.3.1 目前常用的砂種比較

河砂：經過長年累月大浪淘沙，留下來的都是精華，顆粒飽滿圓滑，配制的混凝土拌合物漿體豐富飽滿密實、流動性好。

機制砂：是后天加工得來，可以根據預定指標進行生產，理論上是最完美的砂，顆粒一般帶有棱角，在混凝土中與漿體結合力最強。

洗砂：包括古河道階地砂和山砂，湖南具有豐富的階地砂和山砂資源，開采階地砂和山砂有利于改良土壤使不毛之地宜林宜農、保護水土流失、促進當地村鎮經濟發展（建議為洗砂正名，并盡快制訂《階地砂和山砂綠色生產與應用技術規程》）。

（建筑垃圾）再生骨料：相對來說含粉量多、需水量大、堅固性差，混凝土拌合物漿體流動性損失快、混凝土收縮大強度偏低。關鍵是不同來源不同物性再生骨料壓碎指標、吸水率不均勻，無法規模化利用，因此建議在技術上沒有根本性突破前提下，大家都用（社會責任），大家都少用（質量責任）。

海砂：經過淡化處理、控制氯離子含量不超過 2/萬的海砂可以用于工程。

廢渣及尾礦制砂：目前市場上發現在用的有鋼渣砂、生石灰顆粒砂等，這二種砂的缺點是體積安定性不良或重金屬離子含量高等，后期處理費用高、質量風險大。

1.3.2 雜燴砂盛行

自 2017 年下半年河砂禁采以來，湖南砂石市場價格瘋漲，經常有價無貨，且質量參差不齊。雜燴砂大行其道，使用單一砂種的情況基本沒有，可以說不雜燴無砂用，單一砂種要么指標不理想（級配、細度模數），要么成本不合算。雜燴砂比混合砂（JGJ 52 定義）的內涵更寬，既有基于指標改進的搭配混合，更有基于降低成本的無節制搭配混合。

混合砂（JGJ 52 定義）：由天然砂與人工砂按一定比例混合而成的砂。主要基于技術指標調整。

雜燴砂（自定義）：由 2 種及 2 種以上具有砂顆粒形狀的物質混合而成的砂。主要基于成本調整。

1.3.2.1 使用雜燴砂的動力

在當前天然砂石奇缺價高，正品機制砂石青黃不接的情況下，在缺砂區域（如長株潭等），大多數攪拌站在以“雜燴砂”的形式進行混凝土生產，而“雜燴砂”的組成則相當混亂，通常由能夠采購到的各種形態的砂狀物以注重節約成本的形式雜燴組成，通過這種大雜燴，一方面解決了攪拌站等米下鍋的燃眉之急，另一方面混凝土成本僅砂這一項就可節約大量成本，有混凝土企業通過“雜燴砂”將混凝土成本降幅高達 40 元/m3，因此“雜燴砂”的市場動力很大。

1.3.2.2 組成雜燴砂的砂種

由于正品機制砂缺失，各種砂價格差懸殊，攪拌站通過對砂進行雜燴，一是使級配合理，二是使成本降低，卻不考慮劣質砂給混凝土埋下的質量隱患是無法消除的，質量堪憂。

雜燴砂一般由以下十大類組成：（1）機制砂、（2）河砂（一般用于重點工程指定用砂，由于價高量少普通混凝土一般不用）、（3）石屑粉（生產碎石副產品，顆粒分布呈兩頭多中間少，斷檔級配，片狀顆粒多粉多）、（4）江砂（特細砂，細度模數 1.6 以下，最低 0.5）、（5）水洗砂（包括山砂、古河道階地砂等）、（6）海砂（大多沒有經過淡化處理，有人在河砂中摻入 20%～50% 混合后偷偷出賣）、（7）風化砂（包括風化山砂和由粘土巖、泥質頁巖、泥質砂巖、泥灰巖、泥質板巖及全風化的各種巖石制砂等，這種巖石制成的砂強度低堅固性差，軟弱顆粒多，在混凝土中根本起不到骨架作用，且需水量大、吸附性大）、（8）泥砂（包括清洗不干凈的清淤砂、盾構土洗砂等，含泥量最高時達 20% 以上）、（9）鋼渣砂（存在安定性不良）、（10）固廢加工砂［包括建筑垃圾、廢棄石灰場余料（包括丟棄的過燒欠燒石灰塊等）制砂］等。

1.3.2.3 使用雜燴砂的危害

尤其嚴重的是攪拌站一般以多種砂雜燴使用，但受攪拌站砂石料斗數量的限制（一般 4 個/生產線），“雜燴砂”沒法分別計量，攪拌站也沒有專門設備和場地將“雜燴砂”按固定比例混合均勻后再投料，給混凝土的勻質性帶來先天缺陷。而未經淡化處理的海砂、風化砂、泥砂、鋼渣砂、生石灰顆粒砂等就是埋在混凝土中的“定時炸彈”。去年以來，在本省因使用劣質雜燴砂導致混凝土實體強度嚴重低于設計強度等級，及混凝土大面積開裂的事故就時有發生，混凝土短命事件預計經年后也會不斷出現。

砂石是混凝土的骨架，不合格的砂石將給混凝土的質量帶來嚴重的安全隱患，這應引起行業和主管部門的高度重視。

1.4 現階段有關河道開采和礦山開采對環境污染的爭論

無論河道開采還是礦山開采對環境都有污染，二者對環境破壞的影響比較如下：

（1）都有污染各有特點：一個污染在水下，一個污染在岸上，只是從水下轉移到岸上而已，甚至岸上影響比水下影響更大。

（2）視覺上：水下看不見，岸上看得見。

（3）運輸上：每個城市都是依河而建，河沙運距相對較近，且水運最綠色最便宜；礦山一般遠離城市，運距相對較遠，且公路運輸重卡污染嚴重，安全事故多、運費高，對群眾日常生活影響大。

（4）環境治理和恢復上：河道開采前或開采后，可以在河堤旁澆筑一道混凝土水下連續墻，保護河道開采對河堤的破壞，河道開采可以清淤有利于防洪和航道運輸；礦山開采后可以復墾復綠，建景觀公園，如果采用洞采，坑道可以限定在山體范圍內，不破壞植被景觀，對外界噪音粉塵污染小。階地砂和山砂開采還可以改良土壤、防止水土流失、宜林宜農。

1.5 價格看漲

天然砂石禁采，大量礦山關停，在產礦山上規模制砂生產線的不多，導致貨源緊張價格瘋漲。2017 年上半年攪拌站天然砂到岸價約 60 元/噸，至 2018 年底這一價格漲到 180 元/噸，天然砂價格漲幅達 3 倍，這一高價一直維持到 2019 年底，2018～2019 年機制砂價格基本維持在 120 元/噸左右，2019 年下半年張吉懷高鐵項目采購的江西河砂到岸價 310 元/噸，寧鄉機場項目使用的江西河砂到岸價 235 元/噸。

1.6 綠色砂石礦山建設處于起步階段

2019 年 12 月 20 日，湖南省礦產資源公開招拍掛第一拍成交，約 1.6 億噸礦產資源以 4.9 億元成交，該項目將按年產 1000 萬噸的規模進行綠色礦山建設。

1.7 行業認知出現偏差

由于現階段機制砂質量的不如人意，導致建筑業部分專業人士和政府職能部門管理者對機制砂質量存在疑慮，總是習慣性認為天然砂好于機制砂，因此很多重點工程、重點結構部位、高等級混凝土、超高泵送混凝土、特種混凝土等都不愿使用機制砂，而指定用天然砂。這樣的現象一方面說明機制砂質量提升的迫切性，另一方面也給機制砂行業敲響了警鐘，應該引起所有從事機制砂石行業各位從業人員的重視。

2 發展趨勢

2.1 我國未來砂石骨料的來源和構成格局

未來砂石格局是：機制砂石與天然砂石并存，且機制砂唱第一主角，其他小眾砂石補充的格局。

在大力發展機制砂石的同時，未來天然砂石開采也會有規劃逐步放開，一是防洪和航道清淤需要，二是資源利用需要。

2.2 未來砂石供求關系和價格趨勢

供求關系：2021 年前，呈賣方市場，供小于求；2021 年后，呈買方市場，供大于求。因當前砂石供小于求利潤高，導致大量資本涌入，預計未來 3～5 年后機制砂石產能可能將步入建材行業產能過剩的老路。

價格（成本）趨勢：在運輸、資源費、稅收、人工、土地、環保、安全、質量、壟斷等各方面的要求不斷嚴格的情況下，整體價格（成本）呈漲勢。

需求量趨勢：2018 年湖南水泥產量 1.092 億噸，2019 年全國水泥產量 23.3 億噸，同比增長 6.1%，預估湖南 2019 年水泥產量不會低于 1.1 億噸，由此推算，混凝土和砂漿骨料需求量為 8 億噸左右（不含非水泥基結構用骨料，如水穩層、大型填埋、道砟等）。

2.3 國有化壟斷化趨勢明顯

礦產資源的獲取越來越規范，也越來越困難。原來礦產資源可以通過協議轉讓，價格低、資源費可以分期分批支付，這給予了礦山企業很大的便利。現在要求礦山企業規模化（省級辦證要求儲量至少 1000 萬噸以上）、礦產資源公開掛牌競價、資源費一次性交清，光資源費一項動輒需要幾千萬、幾個億甚至幾十個億，就算東拼西湊交清了資源費，后期綠色礦山建設資金又缺了，就此一項就將大部分中小微民營企業堵在門檻之外，至少堵在規模化礦山門檻之外。

各級行政部門思想上都有將砂石資源、砂石營運交由國有企業經營的想法，砂石行業的國進民退趨勢已經出現，因此，砂石行業將朝國有化壟斷化方向發展。

3 機制砂石技術要求

3.1 重點關注的幾個指標

3.1.1 機制砂的含泥量和石粉含量

國標和行標對天然砂規定含泥量，對機制砂的含泥量規定為石粉含量。而石粉里面既有與母巖同質的粉體，也有外帶進來的泥土。由于人們習慣將小于0.15mm（篩底以下）的成分稱為石粉，而標準中“石粉含量”是指小于 0.075mm 以下的成分，兩者相差一個數量級，口述中的石粉含量也往往高得離譜，因此建議將“石粉含量”改為“微石粉含量”更準確。

（1）機制砂中的含泥量應該由兩部分組成：

A、外帶的泥土，屬于外含泥，如覆蓋土、夾層土、未硬化堆場帶入的泥土等；

B、母巖中的粘土礦物組成部分，屬于內含泥。如蒙脫石、伊利石、高嶺石等，這些都是由巖石長期風化而形成的粘土礦物，具有吸附性強、吸水膨脹、保水性高等特點。這些粘土礦物組成直接影響外加劑的適應性、混凝土用水量，使拌合物坍落度的經時損失，越攪越稠。絕大多數巖石都存在風化現象，只是風化程度大小不同而已，因此，母巖中基本上都存在粘土礦物，即內含泥。

（2）（微）石粉含量

國標和行標對石粉含量的限制值控制很低，兩個標準規定的限值也不一致，與生產應用中石粉含量的實際情況也相差很大。若按標準限值來控制，則大多數機制砂要么只能采用濕法生產，通過水洗才能達到石粉限值要求；要么加大干法生產的風選功率，將大部分石粉選出來另做他用。如果這樣，既對環境保護不利，加大能耗，對資源也是一種浪費。其實，高含量石粉機制砂只要通過混凝土或膠砂需水量比或流動度比試驗，是可以使用的，且有些石粉本身非泥，高含量石粉可以是泵送混凝土、自密實混凝土及貧混凝土的稠度調節劑，在混凝土中可以起到很好的填充作用，與膠凝材料粉體具有一定的疊加效應，使用得當可以降低部分膠凝材料用量。

3.1.2 亞甲藍試驗和需水量比試驗

亞甲藍試驗對不同品種石粉的敏感度不同，人為判斷因素多、誤差大，且試驗的復演性差，個人認為亞甲藍試驗不是嚴格意義上的定量指標。因此，在亞甲藍試驗基礎上增加一個需水量比試驗更準確。

需水量比試驗：按照 GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動度測定方法》測定膠砂流動度，以兩者流動度達到130～140mm 的用水量之比確定需水量比（W1/W0），需水量比不大于 110%。需水量比試驗見表1。

3.1.3 機制砂的吸水率

機制砂由于經過機械破碎，顆粒中留有裂縫和孔隙，以及母巖中的粘土礦物和干法制砂形成的石粉等，對水都具有一定的吸附性，在配制混凝土時，若骨料吸水率超過 2% 將對混凝土產生明顯的不利影響，因此，有必要測定其吸水率，在配合比設計時采用飽和面干含水率更合適，可以避免混凝土拌合物越攪越稠以及流動性損失過快等問題。

表1 需水量比試驗

3.1.4 機制砂與外加劑的適應性（流動度差試驗）

與天然砂不同，使用機制砂時，有必要考慮機制砂中的粘土成分與外加劑的適應性問題。按照 GB/T 2419測定膠砂流動度，以相同用水量時兩者流動度達到之差（L2-L1）來表示，要求 (L2-L1)≥-20mm。流動度差試驗見表2。

表2 流動度差試驗

3.1.5 機制砂的堅固性

機制砂的堅固性要求比天然砂顯得更為重要。因為天然砂是經過許多年大浪淘沙留下來的精華，堅固性方面一般不會出現大的問題。而加工機制砂的母材品種眾多，如：母巖中有風化成分、巖石中可能含較多的粘土礦物、尾礦、固體廢料、建筑垃圾等，因此，有些機制砂的堅固性指標是不能滿足要求的。在對全省機制砂的走訪調查中發現多起機制砂堅固性不合格的情況，用手就可以輕易搓碎，而用戶卻沒有足夠重視，導致混凝土出現質量事故。而機制砂的堅固性指標直接關系到混凝土的力學性能和耐久性能。

3.1.6 復合細度模數

同一個細度模數的砂樣，其級配曲線可能完全不一樣，理想的砂各粒徑區間含量分布投影圖呈橄欖型，即“中間多、兩頭少”。這樣容易填充密實，孔隙率小。細度模數概念太寬泛，不能準確表達級配狀態，所以，如果還要套用老的累計篩余級配曲線及細度模數的話，根據朱東敏的建議采用復合細度模數指標更合理。

復合細度模數定義：在國標細度模數基礎上，增加2.36mm 以上和 0.15mm 以下的含量指標限值，分三個等級，表示方法：μf(+2.36, -0.15)，μf為細度模數，取值 2.3～3.7。如：2.8 (12, 6)，表示細度模數 2.8，其中2.36mm 以上顆粒含量低于 12%，0.15mm 以下顆粒含量低于 6%。通過對兩頭顆粒含量值的限定，避免了兩頭多中間少的畸形級配機制砂的出現。根據復合細度模數可以分三個等級：Ⅰ級 2.8 (12, 6)；Ⅱ級 2.8 (18, 8)；Ⅲ 級 2.8 (22, 10)。

3.1.7 母巖的放射性

母巖的放射性指標須在Ⅴ級極低危險源以內。

3.2 對機制砂石技術參數的要求趨勢（混凝土對機制砂石質量的要求）

3.2.1 粗細程度

既然機制砂由人工后天制成，就應該完全可以控制其級配區間，就不存在粗、中、細、特細四個區間，只需中砂、粗砂級配區間就好（特種用途需求的除外，可由供需雙方在合同中規定）。

3.2.2 級配區間

累計篩余百分率對各粒徑區間含量表達不直觀，用分計篩余百分率范圍限定各粒徑區間含量，滿足“分計篩余百分率限定范圍”更合適。

3.2.3 粒型

理想粒型為正方體或圓形顆粒。機制砂片狀顆粒是指 1.18mm 以上的機制砂顆粒中最小一維尺寸小于該顆粒所屬相應粒級的平均粒徑 0.45 倍的顆粒。片狀顆粒含量≤15%。

3.2.4 堅固性

（1）母巖應具有一定的強度（一般不低于40MPa），不含或少含風化成分，輕物質、雜質及有害成分含量在限值以內；（2）加工工藝先進合理，不對顆粒造成大的傷害。

3.2.5 吸附性（石粉含量、亞甲藍值）

對水、外加劑的吸附性在限值范圍內（非母巖質的粉體含量在限值范圍內）。

3.2.6 含水率

干法制砂含水率規定為 4%～6%，濕法制砂含水率規定為 8%～10%，干粉砂漿用砂含水率規定不大于0.5%。

固定含水率的好處：（1）干法生產通過加濕處理使其含水 5% 左右，可以抑塵、防（顆粒與粉）離析、預濕作用（減少混凝土生產時機制砂的瞬間吸水量，避免坍落度損失過快）；（2）濕法生產通過瀝水等措施使其含水降低到 10% 左右，可以解決運輸途中滴水污染、攪拌站堆場污水橫流、攪拌站下料板結等毛病；（3）固定含水率有利于混凝土生產對用水量的控制；（4）固定含水率有利于解決砂石貿易扣水糾紛。（5）干粉砂漿用砂適用于干法制砂，不加濕，省卻生產干粉砂漿時的干燥工序，節約能源。

3.2.7 質量穩定性

在生產過程中，同一批細骨料產品隨機抽取 5 個分割樣，并進行編號，根據細骨料類別按照表中所列項目進行檢驗，取 5 個分割樣檢測值的算術平均值；連續三個批次質量穩定后，同一批細骨料產品可按 3 個分割樣進行質量穩定性檢驗。見表3（摘自《高性能混凝土技術條件》）。

表3 細骨料質量穩定性

3.3 高品質機制砂石應具備的技術特征

摘自《高性能混凝土技術條件》，見表4。

4 結束語

（1）砂石產業在國民經濟中發揮著非常重要的作用，湖南省年產值過 1000 億（含運輸），綠色、環保、低碳、節能、可持續是砂石產業發展的方向，為促進砂石產業盡快走上高質量發展之路，行業應從以下方面高度自律：標準體系建設（無規矩不成方圓）、砂石產品質量認證（來路明確，建立合格砂石產品目錄，利于追溯）、采礦與加工分離（專業人干專業事）、分級生產分級計價分級使用（物盡其用、保證質量不浪費資源）。

（2）不是所有的母巖都適合做機制砂，特別是高品質機制砂應對母巖有所取舍。新建礦山應事先對巖石做一個全面的分析，改建礦山應根據巖石的特性做到合理利用、優質優用。

（3）無論從技術上還是經濟上都不能忽視骨料質量，骨料在混凝土中的重量占比在 70% 以上，在 C30中的成本占比在 60% 以上，與天然骨料不同，人工骨料在混凝土中的作用應引起高度重視，尤其對人工制砂。

表4 高品質細骨料技術要求