机制砂石的现状、发展趋势与技术要求

宋笑，赵林林，彭润勃

（1.湖南省建材标准化技术委员会，湖南 长沙 410000；2.北京砼享未来工程技术研究院，北京 100024；3.沈阳建筑大学材料科学与工程学院，辽宁 沈阳110000；4.中南林业科技大学土木工程学院，湖南 长沙 410000）

0 概述

砂石是构成混凝土骨架体系的基础材料，对混凝土的工作性能、力学性能、耐久性能起着非常重要的作用。2017 年以前，湖南大部分地区主要用天然河砂卵石配制混凝土，河砂卵石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、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，也造成砂石产品不被作为工业产品对待，没有过程质量控制，没有出厂检验等行业陋规。

近年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：一是监管制度缺失，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，这也许就是用惯了天然砂石不注重过程质量控制留下来的陋习；二是目前货源紧张，在价格翻番的情况下，基于成本压力，搅拌站在选择、采购机制砂石时主要考虑的是价格，而不是品质，形成劣币驱逐良币的怪圈；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。

1 现状

砂石产业是以自然资源开发利用为基础和依托的，自然资源在产业发展中占据主体核心地位，砂石是国民经济建设中最重要且最基础的原材料之一，砂石产业“大而不强”的现实突出表现为“四大六低一难”：产品产量大、企业数量大、职工队伍大、资源能源消耗大；劳动生产率低、集约化程度低、科技含量低、产品附加值低、抗风险能力低、质量重视程度低；整套矿产权证手续办理困难。

可以整体概括为：天然砂石禁采，机制砂石起步，当前砂石呈卖方市场，混凝土用砂石五花八门、五颜六色，杂烩砂、劣质砂大行其道。

1.1 量变

从天然砂石“禁采”到机制砂石“量产”预计需要3～5 年。2017 年上半年前，长株潭区域机制砂使用量占总用砂量不足 10%，至 2018 年底，长株潭各种非天然砂的使用量占总用砂量的 80% 以上，长株潭预拌混凝土砂石总用量约 1.2 亿吨/年。

1.2 变质（非质变）

机制砂质量参差不齐，多数产品达不到相应技术要求。主要体现在颗粒级配呈“两头多中间少”、级配断档、不规则颗粒多、石粉多（石粉中粘土和泥土含量高）、吸附性强、需水量大，配制的混凝土和易性差、可泵性差、坍落度损失快、容易堵管，混凝土容易开裂、混凝土匀质性差、混凝土结构强度偏低等，引起用惯了天然砂的广大混凝土技术人员的反感。

1.3 当前混凝土行业用砂情况

1.3.1 目前常用的砂种比较

河砂：经过长年累月大浪淘沙，留下来的都是精华，颗粒饱满圆滑，配制的混凝土拌合物浆体丰富饱满密实、流动性好。

机制砂：是后天加工得来，可以根据预定指标进行生产，理论上是最完美的砂，颗粒一般带有棱角，在混凝土中与浆体结合力最强。

洗砂：包括古河道阶地砂和山砂，湖南具有丰富的阶地砂和山砂资源，开采阶地砂和山砂有利于改良土壤使不毛之地宜林宜农、保护水土流失、促进当地村镇经济发展（建议为洗砂正名，并尽快制订《阶地砂和山砂绿色生产与应用技术规程》）。

（建筑垃圾）再生骨料：相对来说含粉量多、需水量大、坚固性差，混凝土拌合物浆体流动性损失快、混凝土收缩大强度偏低。关键是不同来源不同物性再生骨料压碎指标、吸水率不均匀，无法规模化利用，因此建议在技术上没有根本性突破前提下，大家都用（社会责任），大家都少用（质量责任）。

海砂：经过淡化处理、控制氯离子含量不超过 2/万的海砂可以用于工程。

废渣及尾矿制砂：目前市场上发现在用的有钢渣砂、生石灰颗粒砂等，这二种砂的缺点是体积安定性不良或重金属离子含量高等，后期处理费用高、质量风险大。

1.3.2 杂烩砂盛行

自 2017 年下半年河砂禁采以来，湖南砂石市场价格疯涨，经常有价无货，且质量参差不齐。杂烩砂大行其道，使用单一砂种的情况基本没有，可以说不杂烩无砂用，单一砂种要么指标不理想（级配、细度模数），要么成本不合算。杂烩砂比混合砂（JGJ 52 定义）的内涵更宽，既有基于指标改进的搭配混合，更有基于降低成本的无节制搭配混合。

混合砂（JGJ 52 定义）：由天然砂与人工砂按一定比例混合而成的砂。主要基于技术指标调整。

杂烩砂（自定义）：由 2 种及 2 种以上具有砂颗粒形状的物质混合而成的砂。主要基于成本调整。

1.3.2.1 使用杂烩砂的动力

在当前天然砂石奇缺价高，正品机制砂石青黄不接的情况下，在缺砂区域（如长株潭等），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，一方面解决了搅拌站等米下锅的燃眉之急，另一方面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”将混凝土成本降幅高达 40 元/m3，因此“杂烩砂”的市场动力很大。

1.3.2.2 组成杂烩砂的砂种

由于正品机制砂缺失，各种砂价格差悬殊，搅拌站通过对砂进行杂烩，一是使级配合理，二是使成本降低，却不考虑劣质砂给混凝土埋下的质量隐患是无法消除的，质量堪忧。

杂烩砂一般由以下十大类组成：（1）机制砂、（2）河砂（一般用于重点工程指定用砂，由于价高量少普通混凝土一般不用）、（3）石屑粉（生产碎石副产品，颗粒分布呈两头多中间少，断档级配，片状颗粒多粉多）、（4）江砂（特细砂，细度模数 1.6 以下，最低 0.5）、（5）水洗砂（包括山砂、古河道阶地砂等）、（6）海砂（大多没有经过淡化处理，有人在河砂中掺入 20%～50% 混合后偷偷出卖）、（7）风化砂（包括风化山砂和由粘土岩、泥质页岩、泥质砂岩、泥灰岩、泥质板岩及全风化的各种岩石制砂等，这种岩石制成的砂强度低坚固性差，软弱颗粒多，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（包括清洗不干净的清淤砂、盾构土洗砂等，含泥量最高时达 20% 以上）、（9）钢渣砂（存在安定性不良）、（10）固废加工砂［包括建筑垃圾、废弃石灰场余料（包括丢弃的过烧欠烧石灰块等）制砂］等。

1.3.2.3 使用杂烩砂的危害

尤其严重的是搅拌站一般以多种砂杂烩使用，但受搅拌站砂石料斗数量的限制（一般 4 个/生产线），“杂烩砂”没法分别计量，搅拌站也没有专门设备和场地将“杂烩砂”按固定比例混合均匀后再投料，给混凝土的匀质性带来先天缺陷。而未经淡化处理的海砂、风化砂、泥砂、钢渣砂、生石灰颗粒砂等就是埋在混凝土中的“定时炸弹”。去年以来，在本省因使用劣质杂烩砂导致混凝土实体强度严重低于设计强度等级，及混凝土大面积开裂的事故就时有发生，混凝土短命事件预计经年后也会不断出现。

砂石是混凝土的骨架，不合格的砂石将给混凝土的质量带来严重的安全隐患，这应引起行业和主管部门的高度重视。

1.4 现阶段有关河道开采和矿山开采对环境污染的争论

无论河道开采还是矿山开采对环境都有污染，二者对环境破坏的影响比较如下：

（1）都有污染各有特点：一个污染在水下，一个污染在岸上，只是从水下转移到岸上而已，甚至岸上影响比水下影响更大。

（2）视觉上：水下看不见，岸上看得见。

（3）运输上：每个城市都是依河而建，河沙运距相对较近，且水运最绿色最便宜；矿山一般远离城市，运距相对较远，且公路运输重卡污染严重，安全事故多、运费高，对群众日常生活影响大。

（4）环境治理和恢复上：河道开采前或开采后，可以在河堤旁浇筑一道混凝土水下连续墙，保护河道开采对河堤的破坏，河道开采可以清淤有利于防洪和航道运输；矿山开采后可以复垦复绿，建景观公园，如果采用洞采，坑道可以限定在山体范围内，不破坏植被景观，对外界噪音粉尘污染小。阶地砂和山砂开采还可以改良土壤、防止水土流失、宜林宜农。

1.5 价格看涨

天然砂石禁采，大量矿山关停，在产矿山上规模制砂生产线的不多，导致货源紧张价格疯涨。2017 年上半年搅拌站天然砂到岸价约 60 元/吨，至 2018 年底这一价格涨到 180 元/吨，天然砂价格涨幅达 3 倍，这一高价一直维持到 2019 年底，2018～2019 年机制砂价格基本维持在 120 元/吨左右，2019 年下半年张吉怀高铁项目采购的江西河砂到岸价 310 元/吨，宁乡机场项目使用的江西河砂到岸价 235 元/吨。

1.6 绿色砂石矿山建设处于起步阶段

2019 年 12 月 20 日，湖南省矿产资源公开招拍挂第一拍成交，约 1.6 亿吨矿产资源以 4.9 亿元成交，该项目将按年产 1000 万吨的规模进行绿色矿山建设。

1.7 行业认知出现偏差

由于现阶段机制砂质量的不如人意，导致建筑业部分专业人士和政府职能部门管理者对机制砂质量存在疑虑，总是习惯性认为天然砂好于机制砂，因此很多重点工程、重点结构部位、高等级混凝土、超高泵送混凝土、特种混凝土等都不愿使用机制砂，而指定用天然砂。这样的现象一方面说明机制砂质量提升的迫切性，另一方面也给机制砂行业敲响了警钟，应该引起所有从事机制砂石行业各位从业人员的重视。

2 发展趋势

2.1 我国未来砂石骨料的来源和构成格局

未来砂石格局是：机制砂石与天然砂石并存，且机制砂唱第一主角，其他小众砂石补充的格局。

在大力发展机制砂石的同时，未来天然砂石开采也会有规划逐步放开，一是防洪和航道清淤需要，二是资源利用需要。

2.2 未来砂石供求关系和价格趋势

供求关系：2021 年前，呈卖方市场，供小于求；2021 年后，呈买方市场，供大于求。因当前砂石供小于求利润高，导致大量资本涌入，预计未来 3～5 年后机制砂石产能可能将步入建材行业产能过剩的老路。

价格（成本）趋势：在运输、资源费、税收、人工、土地、环保、安全、质量、垄断等各方面的要求不断严格的情况下，整体价格（成本）呈涨势。

需求量趋势：2018 年湖南水泥产量 1.092 亿吨，2019 年全国水泥产量 23.3 亿吨，同比增长 6.1%，预估湖南 2019 年水泥产量不会低于 1.1 亿吨，由此推算，混凝土和砂浆骨料需求量为 8 亿吨左右（不含非水泥基结构用骨料，如水稳层、大型填埋、道砟等）。

2.3 国有化垄断化趋势明显

矿产资源的获取越来越规范，也越来越困难。原来矿产资源可以通过协议转让，价格低、资源费可以分期分批支付，这给予了矿山企业很大的便利。现在要求矿山企业规模化（省级办证要求储量至少 1000 万吨以上）、矿产资源公开挂牌竞价、资源费一次性交清，光资源费一项动辄需要几千万、几个亿甚至几十个亿，就算东拼西凑交清了资源费，后期绿色矿山建设资金又缺了，就此一项就将大部分中小微民营企业堵在门槛之外，至少堵在规模化矿山门槛之外。

各级行政部门思想上都有将砂石资源、砂石营运交由国有企业经营的想法，砂石行业的国进民退趋势已经出现，因此，砂石行业将朝国有化垄断化方向发展。

3 机制砂石技术要求

3.1 重点关注的几个指标

3.1.1 机制砂的含泥量和石粉含量

国标和行标对天然砂规定含泥量，对机制砂的含泥量规定为石粉含量。而石粉里面既有与母岩同质的粉体，也有外带进来的泥土。由于人们习惯将小于0.15mm（筛底以下）的成分称为石粉，而标准中“石粉含量”是指小于 0.075mm 以下的成分，两者相差一个数量级，口述中的石粉含量也往往高得离谱，因此建议将“石粉含量”改为“微石粉含量”更准确。

（1）机制砂中的含泥量应该由两部分组成：

A、外带的泥土，属于外含泥，如覆盖土、夹层土、未硬化堆场带入的泥土等；

B、母岩中的粘土矿物组成部分，属于内含泥。如蒙脱石、伊利石、高岭石等，这些都是由岩石长期风化而形成的粘土矿物，具有吸附性强、吸水膨胀、保水性高等特点。这些粘土矿物组成直接影响外加剂的适应性、混凝土用水量，使拌合物坍落度的经时损失，越搅越稠。绝大多数岩石都存在风化现象，只是风化程度大小不同而已，因此，母岩中基本上都存在粘土矿物，即内含泥。

（2）（微）石粉含量

国标和行标对石粉含量的限制值控制很低，两个标准规定的限值也不一致，与生产应用中石粉含量的实际情况也相差很大。若按标准限值来控制，则大多数机制砂要么只能采用湿法生产，通过水洗才能达到石粉限值要求；要么加大干法生产的风选功率，将大部分石粉选出来另做他用。如果这样，既对环境保护不利，加大能耗，对资源也是一种浪费。其实，高含量石粉机制砂只要通过混凝土或胶砂需水量比或流动度比试验，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、自密实混凝土及贫混凝土的稠度调节剂，在混凝土中可以起到很好的填充作用，与胶凝材料粉体具有一定的叠加效应，使用得当可以降低部分胶凝材料用量。

3.1.2 亚甲蓝试验和需水量比试验

亚甲蓝试验对不同品种石粉的敏感度不同，人为判断因素多、误差大，且试验的复演性差，个人认为亚甲蓝试验不是严格意义上的定量指标。因此，在亚甲蓝试验基础上增加一个需水量比试验更准确。

需水量比试验：按照 GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》测定胶砂流动度，以两者流动度达到130～140mm 的用水量之比确定需水量比（W1/W0），需水量比不大于 110%。需水量比试验见表1。

3.1.3 机制砂的吸水率

机制砂由于经过机械破碎，颗粒中留有裂缝和孔隙，以及母岩中的粘土矿物和干法制砂形成的石粉等，对水都具有一定的吸附性，在配制混凝土时，若骨料吸水率超过 2% 将对混凝土产生明显的不利影响，因此，有必要测定其吸水率，在配合比设计时采用饱和面干含水率更合适，可以避免混凝土拌合物越搅越稠以及流动性损失过快等问题。

表1 需水量比试验

3.1.4 机制砂与外加剂的适应性（流动度差试验）

与天然砂不同，使用机制砂时，有必要考虑机制砂中的粘土成分与外加剂的适应性问题。按照 GB/T 2419测定胶砂流动度，以相同用水量时两者流动度达到之差（L2-L1）来表示，要求 (L2-L1)≥-20mm。流动度差试验见表2。

表2 流动度差试验

3.1.5 机制砂的坚固性

机制砂的坚固性要求比天然砂显得更为重要。因为天然砂是经过许多年大浪淘沙留下来的精华，坚固性方面一般不会出现大的问题。而加工机制砂的母材品种众多，如：母岩中有风化成分、岩石中可能含较多的粘土矿物、尾矿、固体废料、建筑垃圾等，因此，有些机制砂的坚固性指标是不能满足要求的。在对全省机制砂的走访调查中发现多起机制砂坚固性不合格的情况，用手就可以轻易搓碎，而用户却没有足够重视，导致混凝土出现质量事故。而机制砂的坚固性指标直接关系到混凝土的力学性能和耐久性能。

3.1.6 复合细度模数

同一个细度模数的砂样，其级配曲线可能完全不一样，理想的砂各粒径区间含量分布投影图呈橄榄型，即“中间多、两头少”。这样容易填充密实，孔隙率小。细度模数概念太宽泛，不能准确表达级配状态，所以，如果还要套用老的累计筛余级配曲线及细度模数的话，根据朱东敏的建议采用复合细度模数指标更合理。

复合细度模数定义：在国标细度模数基础上，增加2.36mm 以上和 0.15mm 以下的含量指标限值，分三个等级，表示方法：μf(+2.36, -0.15)，μf为细度模数，取值 2.3～3.7。如：2.8 (12, 6)，表示细度模数 2.8，其中2.36mm 以上颗粒含量低于 12%，0.15mm 以下颗粒含量低于 6%。通过对两头颗粒含量值的限定，避免了两头多中间少的畸形级配机制砂的出现。根据复合细度模数可以分三个等级：Ⅰ级 2.8 (12, 6)；Ⅱ级 2.8 (18, 8)；Ⅲ 级 2.8 (22, 10)。

3.1.7 母岩的放射性

母岩的放射性指标须在Ⅴ级极低危险源以内。

3.2 对机制砂石技术参数的要求趋势（混凝土对机制砂石质量的要求）

3.2.1 粗细程度

既然机制砂由人工后天制成，就应该完全可以控制其级配区间，就不存在粗、中、细、特细四个区间，只需中砂、粗砂级配区间就好（特种用途需求的除外，可由供需双方在合同中规定）。

3.2.2 级配区间

累计筛余百分率对各粒径区间含量表达不直观，用分计筛余百分率范围限定各粒径区间含量，满足“分计筛余百分率限定范围”更合适。

3.2.3 粒型

理想粒型为正方体或圆形颗粒。机制砂片状颗粒是指 1.18mm 以上的机制砂颗粒中最小一维尺寸小于该颗粒所属相应粒级的平均粒径 0.45 倍的颗粒。片状颗粒含量≤15%。

3.2.4 坚固性

（1）母岩应具有一定的强度（一般不低于40MPa），不含或少含风化成分，轻物质、杂质及有害成分含量在限值以内；（2）加工工艺先进合理，不对颗粒造成大的伤害。

3.2.5 吸附性（石粉含量、亚甲蓝值）

对水、外加剂的吸附性在限值范围内（非母岩质的粉体含量在限值范围内）。

3.2.6 含水率

干法制砂含水率规定为 4%～6%，湿法制砂含水率规定为 8%～10%，干粉砂浆用砂含水率规定不大于0.5%。

固定含水率的好处：（1）干法生产通过加湿处理使其含水 5% 左右，可以抑尘、防（颗粒与粉）离析、预湿作用（减少混凝土生产时机制砂的瞬间吸水量，避免坍落度损失过快）；（2）湿法生产通过沥水等措施使其含水降低到 10% 左右，可以解决运输途中滴水污染、搅拌站堆场污水横流、搅拌站下料板结等毛病；（3）固定含水率有利于混凝土生产对用水量的控制；（4）固定含水率有利于解决砂石贸易扣水纠纷。（5）干粉砂浆用砂适用于干法制砂，不加湿，省却生产干粉砂浆时的干燥工序，节约能源。

3.2.7 质量稳定性

在生产过程中，同一批细骨料产品随机抽取 5 个分割样，并进行编号，根据细骨料类别按照表中所列项目进行检验，取 5 个分割样检测值的算术平均值；连续三个批次质量稳定后，同一批细骨料产品可按 3 个分割样进行质量稳定性检验。见表3（摘自《高性能混凝土技术条件》）。

表3 细骨料质量稳定性

3.3 高品质机制砂石应具备的技术特征

摘自《高性能混凝土技术条件》，见表4。

4 结束语

（1）砂石产业在国民经济中发挥着非常重要的作用，湖南省年产值过 1000 亿（含运输），绿色、环保、低碳、节能、可持续是砂石产业发展的方向，为促进砂石产业尽快走上高质量发展之路，行业应从以下方面高度自律：标准体系建设（无规矩不成方圆）、砂石产品质量认证（来路明确，建立合格砂石产品目录，利于追溯）、采矿与加工分离（专业人干专业事）、分级生产分级计价分级使用（物尽其用、保证质量不浪费资源）。

（2）不是所有的母岩都适合做机制砂，特别是高品质机制砂应对母岩有所取舍。新建矿山应事先对岩石做一个全面的分析，改建矿山应根据岩石的特性做到合理利用、优质优用。

（3）无论从技术上还是经济上都不能忽视骨料质量，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，与天然骨料不同，人工骨料在混凝土中的作用应引起高度重视，尤其对人工制砂。

表4 高品质细骨料技术要求