砂石材料性能對混凝土質量的影響 （戎路）

摘要：

本文從砂石的資源、生產和使用、標準、管理方面說明了其在混凝土中的重要作用，建議政府行政部門加強立法保證砂石利用的持續性。

 

關鍵詞：砂石、粒形、級配、混凝土質量、減碳經濟

 

產品標準是為了檢驗和檢驗產品質量的標準，然而我國的砂石標準多年來已形同虛設，幾乎無人執行。業內盡人皆知當前我國砂石質量普遍太差。石子松堆空隙率過高（理想粒形和級配的石子松堆空隙率為38%），針片狀顆粒過多（西方國家的限值為5%），砂子中含泥量過大，含石量超出標準很多等。砂石質量不僅是影響混凝土質量的主要因素，而且因此而成為影響我國減碳經濟實施的重要因素。首先，使我國混凝土中的水泥用量、用水量和外加劑用量越來越大。一般來說我國混凝土水泥用量和用水量至少比西方國家的多很多，若同國外的先進指標相比，水泥用量差距會更大。假設混凝土年消耗量為20億m3，假設一方混凝土平均多用10Kg，一年就多用200億公斤的水泥，因此而多產生的CO2 也會比國外多很多，更重要的是混凝土質量還因此而受到影響，強度還普遍跟不上發達國家的平均水平，當前工程中頻繁出現的開裂問題，從材料本身來說，主要是不得不多用水、多用水泥的結果。當然，造成工程質量出現問題的原因并不是單一的因素，而且有時也不都是技術問題，但是目前我國基本建設中資源和能源的浪費和混凝土體積開裂敏感性增大的事實，主要的影響因素卻是對砂石質量的忽視。砂石質量關系到建設工程的質量。

砂石質量太差的原因主要是無人認真執行砂石標準和對其質量的監督、檢驗；無人認真執行和監督、檢驗砂石標準的原因主要是對砂石的認識誤區；對砂石質量認識的誤區主要是不了解骨料在混凝土中的重要作用。 

1 對砂石認識的誤區

1.1 認為砂石資源取之不盡、用之不竭 

北京的香山方圓160公頃，最高峰海拔557米，體積約4.5億m2，假定都是巖石，則約有6.8億噸。2009年我國水泥產量約16億噸，約消耗砂石100億噸∕年。一年消耗掉的砂石就約相當于14.7座香山的體積！ 離北京最近的河北省三河縣的石料場，和10幾年前相比，已不見了好幾座山頭。近年來混凝土用砂石資源已經十分緊張，尤其是天然砂的無節制開采已威脅到我們環境的生態平衡，國家對河砂開采的控管是非常英明正確。雖然可以使用人工砂，但是那也需要消耗天然巖石資源。天然資源不可再生，必須“省吃儉用”才能維持長久。

1.2 認為砂石生產技術簡單，因而門檻低，有錢誰都能生產

 砂石生產并非高科技，正因生產工藝簡單，才能成為用量巨大的產品。但也必須生產出符合工程要求的合格砂石。首先，要了解用戶的需要。砂石的生產者必須具備混凝土基本知識，了解和清楚砂石在混凝土中的作用和影響，以便按用戶需要生產，并且能夠培訓顧客，指導顧客正確地選用；不同的巖石具有不同的物理性質和化學性質，砂石生產者還須具備一定的理論知識，以便正確選擇原料和加工工藝。例如由表1和表2可見巖石有不同吸水率和混凝土的線脹系數，會影響混凝土的施工和變形。例如，如果使用砂巖石子，就要比用石灰巖石子多用8kg/m3的水，水膠比必須保持不變，水泥也就相應增多。

表1   不同骨料的吸水率和收縮的關系

不同巖石有不同的熱脹系數（表2）[1]，則在相同條件下會使混凝土有不同的熱脹系數，也就是說混凝土在冷熱變化、干濕交替環境下會有不同的變形性質，以致影響其耐久性。

不同的吸水率(表1)不僅影響混凝土的變形性質，而且還有可能影響混凝土的抗凍性。由于不重視巖石礦物學的基本知識，工程中出現問題往往很少考慮骨料是否會有什么影響，

其實有時有可能和骨料有關，例如混凝土路面發生的D-開裂（圖1）[2]。D-開裂是因開裂的形狀像英文字母D的右半邊（圖1），是因混凝土中飽水的石灰巖骨料受凍融循環作用脹裂（圖2）[2]而引發的。

巖石大多由礦物組成，受力后可沿晶面斷開呈現平整或光滑的表面，在使用顎式破碎機破碎時，會造成針片狀顆粒，影響混凝土拌合物的包裹流動等性能。顎式破碎機價格最低廉，目前國內大多數作坊式的采石場仍然都在使用。這是造成石子粒形差的主要原因。

圖3為某工程抽檢的芯樣，由于骨料粒形和級配很差，砂子含泥量很大，必須使用較大量的水泥漿（水泥+水）和減水劑才能保證拌和物有足夠的流動性，結果造成拌和物的離析、泌漿，澆筑后嚴重不均勻。對這種結果，砂石供應商既不知道，也不關心。

因此，并不是任何人都能生產合格的砂石，不懂混凝土，不懂熟悉巖石礦物組分，會過多地消耗本該給子孫后代留一點的資源，而且還不斷地為他們制造建筑垃圾。

2  砂石和混凝土質量的關系

我國在傳統上把砂石稱作混凝土的骨料，是因為巖石強度很高，對混凝土強度起很大作用，于是對砂石的選擇主要看重強度，目前市面上的石子，名義上的“連續級配”實際上很多石子都做不到連續級配，級配缺失很常見。

2.1骨料和混凝土強度的關系

過去，在主要使用塑性混凝土的情況下砂石強度確實會不同程度地影響混凝土的強度；上世紀50年代末我國曾經有構件廠使用過干硬性混凝土，水灰比低、漿體含量少，拌和物沒有坍落度，用V-B稠度儀檢測時，工作度為20秒以上，只能用于預制構件，在高頻振動臺上加壓強力振搗，工人勞動強度大，噪聲震耳，而且能耗很大，不久就不再生產了。這樣的混凝土強度取決于石子強度和漿體-石子界面的粘接強度，石子對混凝土強度的貢獻顯而易見。當時，一般使用低塑性混凝土(坍落度10mm～30mm)和塑性混凝土(坍落度30mm～50mm、50mm～70mm、70mm～90mm)；上世紀初開始使用流態混凝土（坍落度100mm以上）；石子對混凝土強度的作用隨漿骨比的增大而減小。在泵送混凝(坍落度150mm以上，當前普遍都超過200mm),石子在混凝土中呈懸浮狀態，骨料對混凝土的強度的影響相比較以前小了很多。現在用顆粒強度很低的輕骨料(陶粒)已配制出高強(C50以上)泵送混凝土就是明證。在現代混凝土中，砂石在混凝土中的作用主要不是強度，但卻是不可或缺的關鍵角色。

 然而，當水膠比一定時，砂石用量和粒徑影響混凝土中界面過渡區的厚度和數量，因此對混凝土的強度有影響。圖4[3]表明，當水膠比很大時，石子粒徑對強度的影響不顯著，水膠比越低，影響越大。水膠比一定時，凈漿強度高于砂漿強度，砂漿強度高于混凝土強度。

2.2 砂石在混凝土中的骨架作用主要是穩定體積。 

大多數混凝土用的普通巖石線脹系數為5×10-6～13×10-6/℃，而硬化硅酸鹽水泥凈漿線脹系數為11×10-6～20×10-6/℃，二者相差約1倍。如果沒有骨料，水泥凈漿硬化后會產生很大的收縮，稍有約束，就會嚴重開裂。

由圖5[3]可見，混凝土水灰比越大，骨料用量對混凝土收縮的影響越大。在圖6[4]中可見，對混凝土塑性收縮影響的規律也是凈漿＞砂漿＞混凝土，而混凝土水泥用量越大（骨料越少）影響越大。骨料對混凝土自收縮影響的規律也如此(見圖7)[4]。

 

2.3骨料粒徑和粒形對混凝土其他性能的影響

2.3.1 粒徑的影響

圖8[3]和圖9[4]為骨料粒徑與混凝土滲透性和抗凍性的關系。由圖8可見，骨料水灰比越大，骨料粒徑對混凝土滲透性的越大，砂漿的這種影響最?。粓D9表明骨料粒徑大會降低混凝土的抗凍性。

    

圖8  骨料粒徑和混凝土滲透系數的關系  圖9 骨料粒徑對混凝土抗凍性的關系

2.3.2 粒形的影響

對于滿足一定強度和密實性要求的混凝土來說，拌和物的施工性是保證混凝土最后質量的最重要性質。對混凝土施工性來說，骨料的粒形有時比級配的影響還要大。理想的骨料粒形呈等徑狀（即宏觀球形）。表面粗糙程度相同時，等徑狀骨料的比表面積最小，需水量最小，可以同時滿足施工性和強度等硬化混凝土性質。表3 所示為某工程用不同骨料配制C60混凝土時的不同表現。用風化粗?；◢弾r的混凝土的坍落度為195mm時，28天強度可達71.3MPa，而烏石谷的石子屬于致密石灰巖，強度高，但粒形不好，，因混凝土拌和物需水量大，在滿足混凝土強度要求的水灰比下，拌和物流動性較差。如要保證坍落度也達到195mm，其措施一是增大用水量，即增大漿骨比，則既不經濟，又會有更大的開裂敏感性；措施二是提高水膠比，則強度會達不到要求。在表3中，其所用水灰比降不下來，結果是強度達到68.8MPa時，坍落度才不到150mm，顯然不如使用強度較低但粒形好的的風化粗粒花崗巖。

表3 石子對混凝土性質的影響

而且骨料的粒徑也會明顯的影響混凝土的施工性能，針片狀含量過高會影響混凝土的流動度，影響鋼筋混凝土的過筋能力，造成堵塞。                                            

   我國當前的混凝土“難做”和骨料粒形有很大關系。從圖10中可見我國目前常用石子粒形質量的差距。圖10中的c 是針、片狀顆粒形貌，可用其與日本和中國常用石子作比較。在日本石子（a）中找不到針、片狀顆粒，而在中國的常用石子（b）中，則針、片狀顯而易見，即使在尺寸上還夠不上c中的標準，也少見等徑狀。d是我國山東某石料公司產品之一，和日本的產品已幾乎無差別?？梢娺@樣的優質骨料我國不是做不出來。

      

a. 日本的常用石子    b. 中國的常用石子     c. 針片狀顆粒       d. 山東某公司石子

圖10  石子粒形的對比

 

2.4  關于骨料的級配

    骨料的連續級配即不同尺寸顆粒合理搭配的比例，目的是不僅得到最小的骨料空隙率，而且也得到最小的骨料比表面積，但是在骨料的生產中只能從數量上做到級配，卻無法做到整體產品級配的均勻性。因為砂石這種產品是散粒狀的堆積物，在裝、卸、運輸等的動力作用下，原來不同大小的顆?；旌暇鶆虻恼w，會發生小顆粒向下移動而大顆粒留在表面的現象，堆積成錐形后，在表面的大顆粒會沿著錐形的斜面滾落。于是料堆的級配就失去均衡，混凝土生產中在這樣的料堆所取骨料也就沒有了級配。因此西方發達國家的砂石料都是分級供應，使用時按要求自行級配，按級配分級投料。規范中的連續級配不是對生產者而是對使用者規定的。為了保證滿足混凝土的需要，我國砂石標準至少應當對石子明確規定分級供應。我國已經有一些混凝土使用了用單粒級、兩級配或三級配后，混凝土水泥用量減少了很多，但是如果粒形不好，使用的時候就算多種石子配合使用一樣不能將孔隙率有效降低，達不到理想效果。

3、骨料質量和砂石標準

我國砂石質量問題產生原因當然比較復雜，但是除了體制問題、買方生存競爭問題等非技術性問題外，很重要的是觀念問題：無論是賣方還是買方，無論是用戶還是市場的調控者，對砂石的認識存在很大的誤區，例如，一般產品標準是為了出廠的合格檢驗用的，帶有強制性──不合格的產品不能出廠，但是我國砂石產品的國家標準居然是“推薦性”的，因而造成沒有任何人執行砂石標準，也沒有人對砂石質量進行檢驗。

當前砂石資源日益匱乏，尤其是天然級配良好的河砂，幾近枯竭。用石子生產中的下腳料生產人工砂，而現在絕大多數的人工砂生產商為了節約生產成本，使用的制砂設備依然很陳舊，生產出來的人工砂級配很差，同時含粉含泥量很高，嚴重影響混凝土的質量，拌合后的混凝土包裹性很差，跑漿嚴重，給施工方和混凝土生產方帶來極大的麻煩。當然也有少數的人工砂質量很好，無論是級配還是粒形都能媲美天然砂，實踐證明，使用優質的人工砂對混凝土不僅無不良影響，反而會改善拌和物的施工性能，尤其是天然河砂和人工砂混合使用，效果極好。

4、建議

① 骨料質量對混凝土質量，進而對混凝土結構工程質量，尤其是混凝土結構的耐久性，舉足輕重，沒有骨料就沒有混凝土，即使有朝一日砂石價格翻倍，也必須使用；骨料質量影響混凝土結構工程的百年大計，不容忽視。實際上，不重視砂石質量，給工程質量帶來隱患，而且也涉及對社會和子孫后代的責任！天然資源不可再生，希望政府部門像調控水泥生產一樣地調控砂石的開采和加工，免得當后人需要對我們留下的劣質結構物進行修補加固或重建時，卻已是資源枯竭。

② 混凝土的生產上，盡管自從有了高效減水劑，緩解了很多的技術問題，但外加劑也不是萬能的，也只是彌補骨料上的一些小的缺陷，骨料的質量還是不容忽視。對骨料用量來說，在水膠比一定的條件下，增大漿骨比時，拌和物流動性增加，混凝土彈性模量減小，體積穩定性下降，開裂敏感性增大，強度和抗滲性提高；漿骨比減小時，拌和物流動性減小，強度和抗滲性會下降，但彈性模量會增大，體積穩定性增強，易裂性減?。黄胶膺@些矛盾目前還是得依賴的是技術人員的水平。

③ 提高砂石質量也需要形成買方市場，砂石用戶首先要轉變觀念，不能為圖便宜或能欠賬等一己私利損害社會的利益。

④ 對砂石質量和生產及管理要求的建議

?改變生產工藝，以保證粒形，例如除初破外不能再用顎式破碎機；

?供應單粒級石子，提高限制粒形的標準，例如針、片狀顆粒至少應小于10%；

?要求水洗骨料，帶水供應（尤其是砂），以便于混凝土生產的質量控制； 

?嚴禁在砂石中摻入泥土；

?加強合同意識和管理部門的合同管理，完善法律文件。

參考文獻

[1] 潘志華，泡沫混凝土的變形和開裂問題及其可能的控制途徑，泡沫混凝土協會官方網 技術研討 2010.2.1

[2]覃維祖，王棟民，丁建彤譯P. K. Mehta，Paulo J. M. Monteiro原著 MicoStructure, properties and Materials, 中國電力出版社，McGraw-hill Education(Asia) 鍵合出版，2008年9月第1版第一次印刷，北京。

[3] A. M. Neville, Properties of Concrete, the sixth print of four and final edition, Pearson Education Limited, 2000.England.