海南岛不同产地机制砂的特性分析

安燕朝，宋新乐＊，王登科，廖天，王亚婕，周叙霖

（1. 海南瑞泽新型建材股份有限公司，海南 三亚 572024；2. 海南瑞泽新材料研究院有限公司，海南 三亚 570024）

0 前言

“青山绿水就是金山银山”是新时代生态文明建设的重要理念。海南省地处中国南海门户，建设自由贸易区（港）是中央的重大战略部署，大量基础设施建设均需要优质的砂资源。但海南省是天然河砂极其稀缺的省份，天然河砂的可开采量日益减少，质量越来越差。寻找天然河砂的替代品是当前海南混凝土行业面临的迫切需要。花岗岩、玄武岩是海南最主要的岩石（为技术交流的方便，本文所称为建设工程领域的习惯称呼，岩石的具体化学成分和矿物成分分析见本文）。目前，国内机制砂研究多集中在石灰石机制砂，并且取得了大量的工程应用。但花岗岩、玄武岩等其他岩性的机制砂研究很少，且由于火成岩的化学、矿物组成差异大，岩石结构和构造变化显著，很多研究结论不一致，甚至相互矛盾。本文主要针对海南省典型岩石制成的机制砂的特性进行分析，为海南后续研究混凝土提供基础资料准备。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

水泥：华盛 P·O42.5 水泥，主要物理性能指标见表1。

表1 水泥主要物理性能指标

（2）标准砂。

（3）石灰石粉：昌江。

（4）机制砂样品来源及代号见表 2。

表2 机制砂样品代号及来源

1.2 试验方法

（1）化学成分分析：1-1、1-7、1-9 样品经研磨后通过 X—荧光光谱仪进行检测。

（2）矿物成分分析：1-1、1-7、1-9 样品经研磨后通过 X—射线衍射仪进行检测。

（3）扫描电镜下的表面组织结构。

（4）级配筛分：按照 GB/T 14684—2011《建设用砂》进行试验。

（5）需水量比：用机制砂等量替代标准砂进行砂浆流动度试验，机制砂砂浆流动度达到与标准砂砂浆流动度相当水平时的用水量与标准砂浆用水量（225mL）的比值即为该机制砂的需水量比。

（6）石粉含量与亚甲蓝 MB 值：按照 GB/T 14684—2011《建设用砂》进行试验。

（7）亲水性试验：参照 JTG F 40—2004《公路沥青路面施工技术规范》中矿粉亲水系数试验方法。

2 特性分析

2.1 化学成分分析

对宝石厂、兴石厂和乐石厂生产碎石的石屑原样进行化学分析，结果见表 3。三种样品主要成分均为SiO2、Al2O3及 CaO，此外，1-1 样品中 K2O 含量较高，1-7 及 1-9 样品中 CaO 和 Fe2O3含量较高。参考《地基及基础》（第三版），岩石按 SiO2含量分为酸性岩、中性岩、基性岩和超基性岩，SiO2含量＞65%为酸性岩，65%＞SiO2含量＞52% 的为中性岩，52%＞SiO2含量＞40% 的为基性岩性，SiO2含量＜40% 的为超基性岩性。从表 3 可以看出，1-1 样品属于中性岩；1-7 和 1-9 样品属于基性岩。

表3 机制砂化学成分分析表 %

2.2 矿物成分分析

对 1-1、1-7 和 1-9 三种样品的 XRD 图见图 1。三组机制砂主要矿物相均为长石类矿物，三者均含有钙长石和钠长石。区别在于，1-1 样品中钾长石特征峰明显，1-7 和 1-9 样品中 Fe3O4特征峰明显。该结果与XRF 成分分析结果一致。

2.3 扫描电镜下的表面组织结构

对三种样品的 SEM 图见图 2。三种样品表面均比较粗糙，棱角明显，且表面均粘附有不规则的小颗粒，导致比表面积增加，需水量增加。

2.4 级配筛分

对样品进行筛分，结果见表 4。

图1 不同机制砂样品 XRD 测试结果

图2 不同机制砂样品 SEM 形貌

表4 不同机制砂样品筛分结果（累计筛余） %

筛分结果表明，本次试验所用机制砂级配均满足GB/T 14684—2011《建设用砂》中机制砂的颗粒级配要求。但是，未经水洗的机制砂石粉含量明显偏高；经水洗后，石粉含量虽然降低，但是同时 0.15～0.6mm 之间的颗粒含量有所降低，级配有所破坏，会对混凝土性能有一定影响。

2.5 石粉含量、亚甲蓝 MB 值、亲水性与需水量试验

对南宝石厂的 1-2、1-4、1-5 和 1-6 样品进行试验，验证石粉含量与亚甲蓝值的关系，见图 3。

由图 3 可知，当机制砂岩性相同（产地均为南宝石厂），石粉含量 7% 与 10% 时的亚甲蓝 MB 值相同，且与 14% 的石灰石粉对比，亚甲蓝 MB 值也相同。说明亚甲蓝值基本不受石粉影响。

对比同一产地机制砂的原样和水洗样的亚甲蓝值（图 4），发现具有较大的差异。在进行石粉含量试验时发现，原样（1-1、1-7、1-9）加水浸泡后溶液十分浑浊，而水洗样（1-2、1-8、1-10）加水浸泡后溶液相对澄清，说明原样中含有大量泥粉，吸水后胀破与水形成悬浊液，而泥粉吸附性较强，导致亚甲蓝值显著增加。

忽略岩性，从亚甲蓝值与需水量比的整体关系分析（详见图 5），亚甲蓝值高的机制砂其需水量比亦高。主要原因与机制砂中泥粉吸水性强相关。

以宝石厂机制砂为研究对象，得到石粉含量与需水量比的关系，见图 6。石粉含量从 0% 到 7%，需水量比降低显著，而随着石粉含量在一定范围增加，需水量比略有上升。主要原因是机制砂多棱角，一定量的石粉增加了浆体含量，起到一定的润滑效应，有利于砂浆流动性的增加。而随着石粉的进一步增加，其对水的吸附占主导，砂浆流动性减弱。

排除石粉含量的干扰，从亲水性系数与需水量比的关系分析（见表 5），二者具有正相关性，但考虑到需水量与机制砂整体级配和粒型有关，而三种样品产地不同，级配和粒型也有区别，因此，亲水性系数与需水量比的关系仍需进一步探讨。

图3 石粉含量与亚甲蓝值的关系

图4 泥粉对亚甲蓝值的影响

图5 亚甲蓝值与需水量比的关系

图6 石粉含量与需水量比的关系

表5 石粉含量与需水量比、石粉亲水性的关系

3 机制砂特性对混凝土施工性能的影响

试验基准配合比及工作性能结果见表 6。砂率根据级配进行调整。减水剂根据施工性能基本一致的原则进行调整。代号 0 作为对比样，其基准配合比与试验相同，减水剂用量为生产统计均值（剔除生产中大幅度波动值），工作性为随机一次取样。

从混凝土施工性能的试验分析说明，不同岩性机制砂对混凝土施工性和配合比成本能具有较大影响，其中机制砂的级配、石粉含量和亚甲蓝值是机制砂特性中影响最显著的。

机制砂级配，特别是水洗 0.15～0.6mm 颗粒的缺失，显著影响混凝土浆体与骨料的粘聚性，容易发生析浆而导致混凝土板结。采用降低用水量或外加剂用量后虽能缓解，但混凝土又变现出流动性不足。

掺加一定的石粉（无论是石灰石粉还是花岗岩石粉）的混凝土施工性能都会有所改善。但由于花岗岩石粉需水量大，达到基本一致的施工性能时，石粉含量的最大限值较玄武岩石粉和石灰岩石粉低。

亚甲蓝值超出 1.45 的机制砂，基本不能配出施工性能满足要求的机制砂。

表6 不同机制砂样品对混凝土工作性的影响

4 结论

（1）海南省花岗岩、玄武岩机制砂的表面组织结构均非常粗糙，造成比表面积大、棱角明显。化学成分分析显示，本文所述花岗岩属于中性岩石，玄武岩属于基性岩石。

（2）机制砂级配较差，未经水洗的石屑、石粉含量非常高；经过水洗除粉，则级配被破坏，特别是0.6mm 以下损失严重。

（3）石粉亲水性与岩石的分类有关，中性岩石的花岗岩具有更强的亲水性，基性岩石的玄武岩则具有憎水性（亲油性），石灰岩石粉则憎水性最强。

（4）石粉亲水性与需水量比具有正相关性，但由于需水量比与机制砂整体级配和粒型相关，所以亲水性与需水量比的确切关系仍需进一步探讨。

（5）石粉亚甲蓝值越大，需水量比越大。

（6）纯石粉含量对亚甲蓝值的影响很小，而石粉中含有泥粉则对亚甲蓝值的影响非常大。

（7）石粉含量对砂浆流动性具有双重作用，一方面增加浆体体积和粘度有利于砂浆的流动，另一方增加对拌合自由水的吸附降低了流动性。石粉含量对流动性应当存在最佳掺量。