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1、机制砂混凝土配合比优化设计及其外加剂研究摘要当今社会日益繁荣，经济飞速发展，带来基础设施的建设也相应发展迅猛。配置混凝土传统所用的天然砂资源已经越来越匮乏，已经不能满足工程需求了，因此机制砂在社会建设过程中扮演着一个越来越重要的角色，它将填补天然砂资源的紧缺所带来空缺。所谓机制砂，就是通过制砂机和其它附属设备加工而成的砂子。由于机制砂是通过机械设备人为生产出来。过程可以得到控制，因此其成品更加规则，可以根据不同工艺要求加工成不同规则和大小的砂子，更能满足日常需求，凭借这些优点与天然砂相比其占有一定的优势。但是与天然砂相比，机制砂有级配较差，颗粒尖锐而且棱角，表面较粗糙，细度模数偏大等特点，因此
2、在工程界，人们对使用机制砂来配置高强高性能的混凝土还是存有一定疑虑，由于对其性能的不了解，使得机制砂在高强高性能混凝土结构和一些重要部位混凝土的应用受阻。所以如何来了解并改善机制砂的性能使其能得到更为普遍的应用已经变得非常重要。机制砂与天然砂的最主要区别，就是在机制砂的生产过程中不可避免的要产生一定数量的颗粒直径小于75m的石粉，而石粉的含量对机制砂混凝土的性能有着很大的影响，本文中也就会就其含量对其机制砂混凝土性能的影响进行讨论，而在天然砂中就不存在这个问题，同时，在坚固性方面，机制砂也要比天然砂稍差一点，但是仍然可以达到GB/T 141684293标准所规定的的优等品指标，因此在建筑用混凝
3、土中使用不存在问题。但是如果是用在经常遭受摩擦冲击的混凝土构件中，则必须掺用外加剂，外加剂的使用对机制砂混凝土的影响也将在本文中讨论。除了上述的石粉含量和外加剂的使用对机制砂混凝土的性能有很大影响外，母岩的性质和生产工艺对机制砂的性能也有很大的影响，从而影响机制砂混凝土的性能。本文就将从这几个方面来研究他们对机制砂混凝土各项性能的影响，从而对它们进行优化设计来提高机制砂混凝土的性能。关键词：机制砂，混凝土，母岩，石粉，生产工艺，外加剂，性能目 录第一章 绪论.21.1研究背景和意义.2 1.1.1天然砂资源匮乏.2 1.1.2国内相关标准的制约.3 1.1.3机制砂性能的研究尚不成熟.4 1.
4、1.4现代建筑对高性能混凝土的需求.5 1.1.5研究的意义.61.2机制砂混凝土的研究和使用现状.61.3存在的各种问题.91.4研究目标和途径.10 1.4.1研究目标.10 1.4.2研究途径.10第二章 机制砂性能对混凝土的影响.102.1机制砂母岩及其影响.10 2.1.1母岩种类及特性.10 2.1.2母岩质量要求.132.1.3母岩检测.13 2.1.4不同母岩对混凝土效果区别.14 2.2机制砂的生产工艺及其影响.16 2.2.1机制砂生产工艺及设备选型.16 2.2.2机制砂生产工艺流程.17 2.2.3不同工艺生产出来的机制砂，对混凝土是否有影响.17 2.3石粉对混凝土特
5、性的影响及机理.18 2.3.1石粉含量的影响.18 2.3.2机制砂石粉含量实验分析及含量要求.18 2.3.3石粉对混凝土性能的影响.19第三章 外加剂对机制砂混凝土性能的影响.21 3.1外加剂作用机理和效果.21 3.2外加剂机制砂混凝土与天然砂混凝土效果上的明显区别.23 3.3外加剂在面对机制砂的时候所需改进.23第四章 机制砂混凝土配合比.23 4.1机制砂混凝土配合比对混凝土性能的影响.234.2机制砂混凝土配合比优化设计.24第5章 结语.25参考文献.26致 谢26第一章 绪论1.1研究背景和意义1.1.1天然砂资源匮乏随着我国经济的飞速发展，基础设施的建设相应加快。而在建
6、筑中混凝土是必不可少的，砂又是混凝土的核心。目前我国大多数地区使用的都是天然砂，即由自然条件作用（主要是岩石风化）而形成的，粒径在5mm以下的岩石颗粒。由于天然砂不适宜长途运输，因此属于一种地方资源。而且在短期内不可再生，由于建筑需求日益增加，导致很多地区天然砂资源短缺，一些本来天然砂资源就不丰富的地方甚至出现砂荒。例如重庆、贵州、云南、恩施这些地方，河砂资源很少，甚至根本就没有，给当地的基础建设带来了极大的不便。物以稀为贵，在天然砂短缺的地区，其价格必然会上涨。在这种经济利益的驱使下，我国很多地区出现了乱挖、乱采天然砂的现象，破坏河道挖沙、毁田挖沙等现象在很多地区都有发生，特别是在一些落后的
7、地区，缺少环保意识，不注重生态环境的保护，只为追求利益，导致生态系统被破坏。这其中特别是对河道的破坏，挖沙船在将河道里的砂挖出来后，就会在河床上留下很多很深的水潭，儿童在这中水潭里溺亡的新闻实在不少。由于这种过度且无序地开采对环境和社会都带来了很多严重的危害，国家和各地方政府陆续采取的相关措施来限制这中过度开采。比如从2002年开始，国家就限制长江的采砂量为每年5000t。在这种天然砂资源匮乏的情况下，推广机制砂的使用就变得势在必行，而攻克机制砂混凝土的相关技术难题使其性能达到相关使用标准就成了这个推广过程的第一关。1.1.2国内相关标准的制约 针对国内机制砂和天然砂的使用情况，为了规范和推进
8、机制砂混凝土的应用，使其市场更加有序，国家于2002年发布了新标准建筑用砂（GB/T14684-2001）,该标准首次明确规定了使用机制砂的相关技术要求。毫无疑问，该新标准的推行对机制砂的推广应用具有很重要的意义。但是在这项标准中，一些相关规定还是限制了机制砂混凝土的应用。其对不同硬度的混凝土用机制砂中石粉含量进行了限制。该标准规定强度等级小于C30的机制砂混凝土所用机制砂中的石粉含量应该小于或等于7%，强度等级在C30到C60之间的机制砂混凝土所用机制砂中的石粉含量应该小于或等于5%，强度等级大于C60的机制砂混凝土所用机制砂中的石粉含量应该小于或等于3%。这项规定在很大程度上阻碍了机制砂混
9、凝土的发展与推广应用，主要表现在两个方面。第一就是增加了机制砂的生产工艺的难度性，从而提高了机制砂的生产成本；第二就是浪费了大量矿产资源，污染环境。说其增加了生产难度，提高了生产成本是因为目前国内外生产机制砂都是通过破碎法生产，而通过这种生产方法生产出来的机制砂一般石粉含量在10%20%。而为了使机制砂成品的石粉含量控制在3%、5%、7%，那么在生产过程中就得控制的更低，即相应为1%、3%、5%，如此低的石粉含量，几乎就是要把机制砂中石粉全部洗净，很显然这的确增加了生产难度，并且提高了生产成本。说其浪费了大量矿产资源，污染环境是因为目前机制砂中常用的除粉工艺是用水洗，每一立方机制砂大约需水24
10、m。而随水一起流走的粉体材料一般要占到10%20%，这样既浪费了矿产资源又浪费了水资源。而且在排除的污水中，石粉在水中逐渐积累形成泥浆，量大并且难以处理，这样带来的结果就是严重污染了环境，同时流失了大量的矿产资源。1.1.3机制砂性能的研究尚不成熟我国发布的公路桥涵施工技术规范（JTJ041-2000）中已经规定：“在河砂不易得到时，也可用山砂或用硬质岩加工的机制砂”，但是在实际工程中，往往不是如此。例如在建造一些重大的桥梁时，仍然采用的是天然砂而不敢采用机制砂，其原因就在于我们对机制砂性能的研究尚不成熟，对其在某些特殊环境下会产生哪些变化还不是很清楚，某些研究成果还研究领域还存在一定的争议，
11、因此在桥梁这种关系社会安全的重大工程中，不敢轻易采用机制砂。具体的有以下几个方面：1.1.3.1大部分研究仅限于石灰岩，缺少其他岩性机制砂的研究目前国内对机制砂性能的研究局限于石灰岩的研究，很少有其他岩性机制砂的研究。但是我国地域面积广阔，各地的各种矿石储量都不相同，但是在建筑的时候需要因地制宜，即取用储量最为丰富的矿石。在那些石灰岩储量丰富的地区，因为有关于石灰岩机制砂的相关研究，用石灰岩生产机制砂还能得到推广。但是在一些石灰岩储量稀少的地区，而其他岩石储量丰富，由于缺少相应岩性机制砂的研究，人们对其各方面的性能还是心存疑虑，于是该种岩性机制砂的应用就会受阻，导致其他岩性的机制砂的应用和质量
12、控制方面还依然存在缺陷。1.1.3.2机制砂中石粉含量对混凝土性能的影响存在争议目前，各国对机制砂中石粉含量的最高限值不尽相同，某些国家甚至高达20%，而我国的标准本文前面所述，高达3%、5%、7%，这种规格已经是相当严格了。但是尽管有如此严格的限值要求，规定的制定者并没有给出相应的理论依据，这在一定程度上也不利于机制砂的推广使用。而且各方面对目前石粉含量对机制砂混凝土性能的影响也存在争议，使得他在应用中缺乏强有力的理论依据。例如，有研究认为，大幅增加石粉的含量，会导致混凝土在固化的过程中收缩迅速增大。但是另一方面，也有研究认为当石粉的含量达到某一临界值，继续增加石粉的含量将会降低混凝土的收缩
13、。这些研究上的争议也阻碍着机制砂的推广应用。1.1.3.3缺少对高石粉含量机制砂混凝土耐久性的研究现阶段我们对于石粉含量在机制砂混凝土中起的影响作用主要集中在两个方面，一是石粉含量对机制砂混凝土工作性能的影响，二是石粉含量对机制砂混凝土强度的影响。这两者都是影响混凝土工作安全可靠性的重要影响因素，但是混凝土作为一种建筑材料，做好放在那里不是一天两天的事，短则几十年，长则上半年，而在这其中要经受风吹日晒，雨打雪淋，这就必须考虑到一个耐久性的问题。机制砂混凝土的耐久性如何，特别是高石粉含量的机制砂的耐久性，石粉不同于外加剂，尽管有一些微弱的化学性质，但是在混凝土中只能作为一种惰性添加剂，这些都缺少
14、相关的研究，没有更充足的理论依据，当石粉含量高时，对机制砂混凝土的耐久性是否会产生影响，我们无从得知。我们的研究在这些方面的不成熟，也会给机制砂混凝土的推广应用带来困难。1.1.3.4缺少机制砂的MB值对混凝土各项性能的研究MB值又称为亚蓝值，表示机制砂中石粉含量的多少。因为在国标GB/T 14684-2001建筑用砂规定必须用亚甲蓝方法检测混凝土用机制砂中的泥粉含量。该规定要求混凝土用机制砂的MB值必须小于1.4。当机制砂的MB值大于或者等于1.4的时候，用这种机制砂来配置高强度高性能的混凝土的时候，该规定对机制砂中石粉含量的限值更为严格。就如同上述对一般机制砂中石粉含量的最高限值的规定一样
15、，其制定者也没有给出对机制砂MB值规定以及在MB值大于或等于1.4时对机制砂中石粉含量严格控制的理论依据。按照严格的生产要求去执行，却没有强有力的理论依据来支撑，这无疑对机制砂在应用的过程中带来困难。因此，加深这方面的研究是十分重要的。1.1.3.5没有专门的机制砂混凝土配置技术在机制砂的实际应用过程中，目前还是按照天然砂配置混凝土的方法来配置机制砂混凝土的。但是我们知道，机制砂与天然砂有很大区别，在这个配置的过程中，就会在很大程度上忽略了机制砂的某些特性，从而会使其按照传统方法配置出来的混凝土存在或多或少的问题。1.1.4高性能混凝土在现代建筑里越来越重要对高性能混凝的研究是现代混凝土技术的
16、一个主要研究方向。一些学者把高性能混凝土成为21世纪混凝土，可见高性能混凝土在现代建筑中的重要性。其名称的由来要追溯到1990年，在由美国混凝土学会（ACI）和美国国家标准与技术研究院（NIST）共同主办的一次研究讨论会上，正式提出这个概念。大会给出了高性能的具体概念，高性能混凝土是具有某些性能要求的匀质混凝土，必须采用严格的施工工艺，采用优质材料配制，便于浇捣、不离析、力学性能稳定、早期的强度较高、具有韧性和稳定性等各项性能的耐久混凝土，特别适用于高层建筑、桥梁以及暴露在严酷环境中的建筑结构。因为高性能混凝土具有优异的工程技术特性，引起了各个国家的广泛关注和重视，陆续投入了大量的人力、物力、
17、财力来研究和开发相关应用。在很短的时间内，使得高性能混凝土技术取得了很大的进步。现代建筑主要追求的是实用性和观赏性，正因为如此，对混凝土的要求越来越高，在这种背景下，高性能混凝土应运而生。足够的强度，优良的力学性能，良好的施工性能和优异的耐久性能都是高性能混凝土的特点。因此研究机制砂对混凝土性能的影响对社会经济的可持续发展具有重要意义。1.1.5研究的意义由于以上所述的各种原因，研究机制砂混凝土已经是势在必行。弄清楚机制砂对混凝土性能影响的机理及作用原理，攻克机制砂混凝土应用中的关键问题，为机制砂混凝土的推广应用提供可靠且强有力的理论知识基础，对解决天然砂匮乏这一关系国民生活质量的问题，对维持
18、社会经济的可持续发展，提高我国混凝土技术，支持国民基础设施建设，保护生态环境有着不可磨灭的作用。1.2机制砂混凝土的研究和使用现状我们知道机制砂与天然砂存在许多差别，其主要表现在石粉含量（颗粒直径小于75m的颗粒），级配与粒形等诸多方面，这些差异性也直接导致了天然砂混凝土和机制砂混凝土性能上的差异性，针对这些差异性，国内外学者都已经进行了很多的研究。1.2.1机制砂的特性最新的国家标准建筑用砂GB/T14684-2001中规定了人工砂的含义，即把经过除土处理而得到的机制砂和混合砂都成为人工砂（Manufactured sand），都要按照人工砂的技术要求和检验方法来进行生产应用。该标准将机制砂
19、（Machine-made sand或 Artificial sand）定义为“由机械破碎、筛分制成的，粒径小于 4.75mm 的岩石颗粒，但不包括软质岩、风化岩的颗粒”，而混合砂的定义是“由机制砂和天然砂混合制成的砂”。通过机械破碎的方式和筛分的特点将机制砂的基本特性定义如下： 生产特点：目前机制砂都是通过破碎生产，已经形成了系统的机制砂生产线。机制砂生产线有振动给料机、颚式破碎机、制砂机、振动筛和胶带传输机等设备组合而成。根据不同的工艺要求，各种型号的设备进行组合，满足客户的不同工艺要求。首先，石料由粗碎机进行初步破碎，然后，产成的粗料由胶带运输机输送至细碎机进一步破碎，细碎后的石料进振动
20、筛筛分出两种石子，满足制砂机进粒粒度的石子进制砂机机制砂，另一部分返回细碎机继续进行细破。进制砂机的石子一部分制成砂，经洗砂机清洗后制成成品砂，另一部分进制砂机再次破碎。由于机制砂的可控制性，即细度模数、粒形和级配都可以人为控制。这是与天然砂最大的区别，也是其优势所在。 外观特征：天然砂的外观大部分呈黄色，而且其中的含泥量不易直接观察出。而机制砂大多颗粒尖锐，呈黑色或灰白色，石粉含量较高，通过干法生产的机制砂，在石粉含量10%的时候，看上去就完全像石粉一样，会使人心存疑虑，担心其配合出来的混凝土的质量问题而不敢使用。 石粉含量：机制砂在破碎生产的过程中，不可避免的会有一定量的石粉产生，这是正常
21、现象，如前文所述，这也是天然砂与机制砂最主要的区别。石粉的概念是加工前经除土处理，加工后形成的粒径小于75m的颗粒，他的化学成分和矿物组成与被加工的母岩都是一样的。另外值得注意的就是泥，泥也是由颗粒直径小于75m的颗粒组成，但是石粉与泥的成分不同，粒径的分布不同，在配制混凝土的使用过程中所起的作用也不相同。天然砂中存在的泥对混凝土的性能是有害的，会降低混凝土的力学性能。与泥不同的是，机制砂中的石粉对混凝土是有益的。正因为有适量石粉的存在，才弥补了机制砂配制混凝土时和易性差的缺陷。与此同时，适量石粉的掺入对完善混凝土特细骨料的级配(在这一点上，天然砂由于其生成形式的限制，其特细级配部分是不完善的
22、)，提高混凝土密实性都是有益的，进而起到提高混凝土综合性能的作用。 粗细程度：目前机制砂基本都为中粗砂，细度模数一般都在3.03.7之间浮动。如果机制砂的细度模数过大，则粗颗粒太多，颗粒直径小于300m 颗粒太少，级配就不合理，混凝土的和易性就会变差。如果机制砂的细度模数过小，则颗粒直径小于75m石粉就太多，混凝土的用水量都会增大，导致混凝土的强度降低，收缩量增大，并且机制砂的生产电耗会增加。这就是说，机制砂中的石粉含量的多少，是与机制砂的细度模数密切相关的，如果细度模数小，则颗粒直径小于75m的颗粒就多，即石粉含量高。反之，细度模数大，石粉含量就低。 级配状况：通过分析颗粒组成的统计结果可知
23、，机制砂中颗粒直径大于2.36mm和小于0.15mm的颗粒偏多，而中间颗粒偏少(尤其是0.3mm1.18mm的颗粒)，有时甚至会出现某一粒级断档的情况。但是就总体上来说，机制砂基本上可以符合天然砂I区和II区砂的技术要求。 颗粒形状：由于机制砂是经机械破碎制成的，所以颗粒形状多数呈三角体或者方矩体（有些片状颗粒较多），表面粗糙，颗粒尖锐并且有棱角，这对集料和水泥的粘结是有利的，但是对混凝土的和易性却是不利的，特别是当应用在强度等级低的混凝土中时，会引起混凝土的较大泌水率，而适量石粉的存在，则可在一定程度上弥补这一缺陷。1.2.2机制砂的制备技术发展概况目前所有的机制砂制备方法可以分为干法制砂和
24、湿法制砂。传统所用的细碎机例如棒磨机和圆锥细碎机，其要求进料的颗粒直径要小于25mm，因此在将原料送入细碎机进行制砂之前必须进过多次的粗碎将大块的母岩破碎成满足细碎机的进料要求后，再将其送入细碎机进行细碎，一般最少需先行进行3次粗碎。这样无疑增加了生产工艺的复杂程度，并且提高了机制砂生产成本。随着越来越多的学者投入到机制砂的制备技术研究，其制备技术已经向前发展了一个阶段。现在出现的一些高性能细碎机，其进料粒径已经可以达到4060mm，这在很大程度上降低了生产成本，因为可以减少细碎之前的粗碎步骤。根据目前国内外的机制砂生产经验，其大致的生产工艺流程图如下图所示。1.2.2.1湿法制砂目前湿法制砂
25、中最常见的制砂设备是棒磨机，其进料粒径一般为5到25mm，生产处的成品砂中颗粒直径大于5mm的碎石含量比较少。经其生产处的产品进螺旋分级机和旋流器分成废污泥水和成品机制砂。生成的废污泥水要送到沉砂池或者旋转式分级机，回收混在里面流失的细砂，减少资源的浪费。而剩余的污水进一步通过专门的净化设备进行处理再排放。1.2.2.2干法制砂干法制砂如上所述，首先，石料由粗碎机进行初步破碎，然后，产成的粗料由胶带运输机输送至细碎机进一步破碎，细碎后的石料进振动筛筛分出两种石子，满足制砂机进粒粒度的石子进制砂机机制砂，另一部分返回细碎机继续进行细破。进制砂机的石子一部分制成砂，经洗砂机清洗后制成成品砂，另一部
26、分进制砂机再次破碎。在国外一些工程中为了降低石粉含量、减少制砂机磨损、简化工艺流程，通常会采取降低设备破碎比和调低进料粒径等一系列办法来解决这些问题。1.2.2.3机制砂加工设备的发展随着我国基础设施建设的步伐逐渐加快，建筑用砂的需求量越来越大。传统所用的天然砂已经难以满足需求量，因此使用机制砂来代替天然砂已经变得势在必行。而面对如此大的需求量，加快研究机制砂的生产工艺技术对提高机制砂的生产质量和效益变得尤为重要。（1）在大型工程项目中，砂料的生产一直都受到高度重视，因此采用先进的制砂设备，研究新的制砂工艺，可以大大提高机制砂生产工艺的可靠性，保证产品质量，节约工程投资。（2）对于大型工程项目
27、，特别是混凝土量大、强度性能要求高的工程，混凝土骨料加工规模庞大，机制砂的生产宜与粗骨料生产分开，以利于系统生产运行管理，稳定均衡机制砂的生产。（3）逐步实现机制砂独立生产，可实现自动控制，减少生产管理人员的配置，产品质量可实现计算机实时监控，自动调整。（4）机制砂生产规模不超过200t/h和人工料场开采石料质量容易控制时，可以考虑使用干法生产机制砂，这样可以满足环保要求，同时也可以节约项目投资。1.3目前机制砂混凝土存在的各种问题同许多其他新事物一样，新事物的产生与应用肯定要与传统的东西竞争。机制砂也是一样。由于传统的习惯性思维影响，只要有天然砂的存在，尽管其质量有时并比不上机制砂，但是人们
28、还是会选择用天然砂，这就给机制砂的发展应用带来一定的阻力。在国内，只有少数地区建立了正规的砂石交易市场。全国大多数地方的砂石交易还是靠原始的个体信息和状态来完成的，这样就是的买家想买却买不到，而好的砂石又因为没有正规的交易渠道发挥不了真正的价值。这样一来，砂石的价格就被简单的生产方式和最低的资源成本所决定，非法采砂市场此时趁虚而入，从而阻碍了机制砂的发展。砂石是典型的地域化的材料,而且又是能消耗较多自然资源的产品,在建设资源节约型、环境友好型社会和发展循环经济中能发挥着非常重要的作用,但由于过去天然砂生产主体比较分散,涉及到水利、国土、环保、建设、建材和乡镇政府等多个政府管理部门,未能引起应有
29、的重视和管理。机制砂的生产和市场应由当地政府及相关主管部门共同协调管理，加强监督机构的执法力度，杜绝非法开采和生产，只有做到这样，机制砂才能得到迅速而健康的发展,为社会建设和保护环境做出应有的贡献。1.4研究目标和途径1.4.1研究目标研究机制砂，就是要针对其特性，通过分析混凝土的微观结构和宏观性能，探讨机制砂母岩特性、生产工艺、石粉含量和外加剂多混凝土力学性能、工作性能和、稳定性和耐久性的影响与作用机理，从而为机制砂的推广应用提供坚实的理论基础。1.4.2研究途径通过对比及实验分析来获得相应实验数据，并查阅前人在这一方面做出的相关研究资料，在总结已有结论的同时，得出自己的结论。第二章 机制砂
30、性能对混凝土的影响2.1机制砂母岩及其影响2.1.1母岩种类及特性母岩，顾名思义就是生产机制砂所用的原料矿石。目前广泛使用的母岩有石英岩、片麻岩、花岗岩、玄武岩、石灰岩、大理岩这几种。文献8对这几种母岩的性质特性给出了很详细的介绍。（1）石英岩石英岩主要矿物为石英，可含有云母类矿物及赤铁矿、针铁矿等。石英岩是一种主要由石英组成的变质岩，石英岩的含量大于85%，是石英砂岩及硅质岩经过变质作用形成。一般是由石英砂岩或其他硅质岩石经过区域变质作用，重结晶而形成的。也可能是在岩浆附近的硅质岩石经过热接触变质作用而形成石英岩。石英岩的原岩可以是很多种，包括单矿物石英砂岩，含泥沙钙质石灰砂岩，胶体沉积的硅
31、质岩和深海放射虫硅质岩。可以根据变晶程度、副产物、结构、岩石共生组合及产状等特性来区分不同原岩形成的石英岩。石英岩硬度高，吸水较低，颗粒细腻，结构紧密，而且分布广泛方便开采。（2）片麻岩片麻岩是一种变质岩，而且变质程度深，具有片麻状构造或条带状构造，有鳞片粒状变晶，主要由长石、石英、云母等组成，其中长石和石英含量大于50%，长石多于石英。如果石英多于长石，就叫做“片岩”而不再是片麻岩。片麻岩主要由长石、石英组成，中粗粒变晶结构和片麻状或条带状构造的变质岩。片麻岩一种变质岩。通常为中-高级变质作用的产物。具明显的片麻状构造。主要由长石、石英和各种暗色矿物（云母、角闪石、辉石等）组成。根据岩石的物
32、质成分可分为富铝片麻岩、斜长片麻岩、碱长（二长）片麻岩和钙质片麻岩等。还可依所含矿物种类进一步分为角闪石斜长片麻岩、石榴子石斜长片麻岩、黑云母斜长片麻岩等。其原岩类型比较复杂，可以是正常沉积岩（粘土岩、粉砂岩等），也可以是火山岩、火山碎屑岩或各种侵入岩。在一定的温度和压力条件下，可由区域变质作用或接触变质作用形成。（3）花岗岩花岗岩（Granite）是一种岩浆在地表以下凝却形成的火成岩，主要成分是长石和石英。花岗岩的语源是拉丁文的granum，意思是谷粒或颗粒。因为花岗岩是深成岩，常能形成发育良好、肉眼可辨的矿物颗粒，因而得名。花岗岩不易风化，颜色美观，外观色泽可保持百年以上，由于其硬度高、耐
33、磨损，除了用作高级建筑装饰工程、大厅地面外，还是露天雕刻的首选之材。花岗岩是岩浆在地下深处经冷凝而形成的深成酸性火成岩，部分花岗岩为岩浆和沉积岩经变质而形成的片麻岩类或混合岩化的岩石。花岗岩主要组成矿物为长石、石英、黑白云母等，石英含量是10%50%。长石含量约总量之2/3，分为正长石、斜长石（碱石灰）及微斜长石（钾碱）。不同品种的矿物成份不尽相同，还可能有含辉石和角闪石。花岗岩质地坚硬，难被酸碱或风化作用侵蚀，常被用于建筑物的材料。花岗岩（Granite）的语源是拉丁文的granum，而汉字名词花岗岩则是由日本人翻译而来。明治初期的辞典与地质学书籍将Granite翻译作花岗岩或花刚岩。花形容
34、这种岩石有美丽的斑纹，刚或岗则表示这种岩石很坚硬，也就是有着花般斑纹的刚硬岩石的意思。中国学者则沿用此译名。（4）玄武岩玄武岩(basalt)属基性火山岩。是地球洋壳和月球月海的最主要组成物质，也是地球陆壳和月球月陆的重要组成物质。1546年，G.阿格里科拉首次在地质文献中，用basalt这个词描述德国萨克森的黑色岩石。汉语玄武岩一词，引自日文。日本在兵库县玄武洞发现黑色橄榄玄武岩，故得名。玄武岩的主要成份是二氧化硅、三氧化二铝、氧化铁、氧化钙、氧化镁（还有少量的氧化钾、氧化钠），其中二氧化硅含量最多，约占百分之四十五至五十左右玄武岩的颜色，常见的多为黑色、黑褐或暗绿色。因其质地致密，它的比重
35、比一般花岗岩、石灰岩、沙岩、页岩都重。玄武岩结晶程度和晶粒的大小，主要取决于岩浆冷却速度。缓慢冷却（如每天降温几度）可生成几毫米大小、等大的晶体；迅速冷却（如每分钟降温100），则可生成细小的针状、板状晶体或非晶质玻璃。因此，在地表条件下，玄武岩通常呈细粒至隐晶质或玻璃质结构，少数为中粒结构。常含橄榄石、辉石和斜长石斑晶，构成斑状结构。斑晶在流动的岩浆中可以聚集，称聚斑结构。这些斑晶在玄武岩浆通过地壳上升的过程中形成（历时几个月至几小时），也可在喷发前巨大的岩浆储源中形成。基质结构变化大，随岩流的厚薄、降温的快慢和挥发组分的多寡，在全晶质至玻璃质之间存在各种过渡类型，但主要是间粒结构、填间结构
36、、间隐结构，较少次辉绿结构和辉绿结构。（5）石灰岩石灰岩（Limestone）简称灰岩，以方解石为主要成分的碳酸盐岩。有时含有白云石、粘土矿物和碎屑矿物，有灰、灰白、灰黑、黄、浅红、褐红等色，硬度一般不大，与稀盐酸反应剧烈。石灰岩主要是在浅海的环境下形成的。石灰岩按成因可划分为粒屑石灰岩（流水搬运、沉积形成）；生物骨架石灰岩和化学、生物化学石灰岩。按结构构造可细分为竹叶状灰岩、鲕粒状灰岩、豹皮灰岩、团块状灰岩等。石灰岩的主要化学成分是CaCO3易溶蚀，故在石灰岩地区多形成石林和溶洞，称为喀斯特地形石灰岩是烧制石灰和水泥的主要原料，是炼铁和炼钢的熔剂。（6）大理岩大理岩属于变质岩，又称大理石。因
37、在中国由于云南省大理县盛产这种岩石而得名。由碳酸盐岩经区域变质作用或接触变质作用形成。主要由方解石和白云石组成，此外含有硅灰石、滑石、透闪石、透辉石、斜长石、石英、方镁石等。具粒状变晶结构，块状（有时为条带状）构造。 通常白色和灰色大理岩居多。大理岩是由石灰岩、白云质灰岩、白云岩等碳酸盐岩石经区域变质作用和接触变质作用形成，方解石和白云石的含量一般大于50%，有的可达99%。但是除少数纯大理岩外，在一般大理岩中往往含有少量的其他变质矿物。由于原来岩石中所含的杂质种类不同（如硅质、泥质、碳质、铁质、火山碎屑物质等），以及变质作用的温度、压力和水溶液含量等的差别，大理岩中伴生的矿物种类也不同。例如
38、，由较纯的碳酸盐岩石形成的大理岩中，方解石和白云石占90%以上，有时可含有很少的石墨、白云母、磁铁矿、黄铁矿等，在低温高压条件下方解石可转变成文石；由含硅质的碳酸盐岩石形成的大理岩中，在中、低温时可含有滑石、透闪石、阳起石、石英等，在中、高温时可含有透辉石、斜方辉石、镁橄榄石、硅灰石、方镁石等，在高温低压条件下可出现粒硅钙石、钙镁橄榄石、镁黄长石等；由含泥质的碳酸盐岩石形成的大理岩中，在中、低温时可含有蛇纹石、绿泥石、绿帘石、黝帘石、符山石、黑云母、酸性斜长石、微斜长石等，在中、高温时可含有方柱石、钙铝榴石、粒硅镁石、金云母、尖晶石、磷灰石、中基性斜长石、正长石等。2.1.2母岩质量要求2.1
39、.2.1物理性能要求机制砂配置混凝土首先需要考虑的就是硬度，刚度问题，否则配制出来的混凝土很难达到要求。因此，这就要求所用母岩需要质地坚硬，还要值得考虑的一点就是母岩的极限强度，对于石灰岩，其极限强度应不小于80MPa，对于砂岩，其极限前度应不小于55MPa。如果母岩的质地松软，则在破碎过程中 将达不到应有的效果，而且也不利于后续生产工序的进行。且母岩应不能较高的吸水性，因为机制砂生产工艺的最后一步就是进行水洗，除掉其中过量的石粉，如果母岩有高的吸水性，则在这一步中，成品将吸水而随石粉一起流走，这显然是不能允许的。2.1.2.2化学性能的要求对于化学性能，因为在机制砂的生产过程到使用过程中，能
40、发生化学反应的机会不多。在生产过程中，全部都是物理变化过程。而在使用过程，也就是与水泥配制混凝土的过程中，可能会遇到其他一些物质，因此这就需要机制砂有一定的化学稳定性。而机制砂的化学组成又是与其母岩相同的，因此要求母岩具有一定的化学稳定性。2.1.3母岩检测针对母岩的前期检测，主要有以下几种快速检测指标。下面将举例进行试验说明。（1）饱和面干吸水率饱和面干吸水率决定了混凝土的工作性、耐久性和工作性有很大的影响。如果母岩的吸水率过高会严重影响混凝土的经时损失和其工作性能，同时会造成更严重的干缩和混凝土耐久性的降低。下表1是天然黄沙与3种机制砂的饱和面干吸水率。表1 黄沙和3种机制砂的饱和面干吸水
41、率 %黄沙花岗岩机制砂玄武岩机制砂凝灰岩机制砂1.151522.066.08（2）胶砂流动度及损失胶砂流动度评价机制砂混凝土能否满足工作要求的一个重要性能指标。本项目也选取黄砂、花岗岩机制砂、玄武岩机制砂、凝灰岩机制砂来进行实验研究。为了与实际机制砂混凝土的使用情况更接近，按m（水泥）：m（机制砂）：m（水）=500:1250:200，脂肪族系列减水剂【固含量（300.5）%减水率21%】掺量占水泥质量的1.8%来配置胶砂，测试胶砂流动度结果如表2。表2 胶砂流动度测试结果项目黄砂花岗岩玄武岩凝灰岩粗砂中砂粗砂中砂粗砂中砂初始流动度/mm220210195180150成团，没有流动度松散粉状，
42、没有流动度30min流动度/mm185180165150很干 （3）混凝土坍落度和损失混凝土坍落度主要是指混凝土的塑化性能和可泵性能，在施工中这些都是必须要考虑的。选取黄砂、花岗岩机制砂、玄武岩机制砂、凝灰岩机制砂来配置混凝土进行坍落度的实验研究。按m（水泥）：m（机制砂）：m（水）：m（石）=367:850:183.5:995配置机制砂混凝土，按照m（水泥）：m（黄砂）：m（水）：m（石）=367:905:183.5:940来配置黄砂混凝土，其坍落度测试结果见表3所示。表3 混凝土坍落度测试结果项目黄砂花岗岩玄武岩凝灰岩粗砂中砂粗砂中砂粗砂中砂初始坍落度/mm2302101951801305
43、0没有工作性1h后坍落度/mm190165140120500没有工作性影响着胶砂流动性的主要因素是石材的种类和级配。由上述实验可以看出，花岗岩机制砂与天然砂有相近的流动度，玄武岩机制砂次之，而凝灰岩机制砂则没有流动性可言。而级配对流动性的影响大致可以归纳为：机制砂的细度模数越小，细颗粒越多，则配制的混凝土流动性越差。2.1.4不同母岩对混凝土效果区别为了验证研究不同岩性的母岩对混凝土性能的影响，在相同的实验条件下，选取天然黄砂、石英岩机制砂、玄武岩机制砂配置了强度等级为C50的混凝土试样，对其力学性能和工作性能进行检测，结果如表4所示。表4 不同岩性对混凝土性能的影响母岩工作性/mm抗压强度/
44、mm坍落度扩展度3d28d天然黄砂21048055.5559.20石英岩机制砂20015052.5758.50玄武岩机制砂16039037.0560.80从表4中可以得出，与天然砂配制的混凝土相比，机制砂配制的混凝土在工作性能上要逊色很多。在早期的强度测试，即从坍落度这一栏可以看出，玄武岩早起的强度下降较多，但是后期的强度却有明显回升，甚至可以超过天然黄砂。对于工作性，石英岩机制砂的坍落度和扩展度都有下降，扩展度的下降幅度甚至达到了70%。这其中的原因主要有一下几个方面。首先，玄武岩机制砂中的石粉含量是石英岩机制砂中的两倍，在相同的水灰比下，石粉含量越多，颗粒之间小的颗粒增多，所需要的水量就增
45、大，而在相同的实验条件下，给水量是相同的，因此其坍落度下降。另外，高石粉含量的玄武岩机制砂中的级配可能不合理，导致配制出来的混凝土和易性较差，易离析，这也可是玄武岩扩展度大的原因。其次，玄武岩表面粗糙，且裂缝较多，使得其中的大颗粒的吸附作用更大，这也是玄武岩机制砂的需水量增多的原因。对于强度性能方面，可以看到石英砂的强度几乎是与天然黄砂相同的，这是因为石英砂与天然黄砂的成分基本相同，使得两者的强度几乎相同。而对于玄武岩，其前期强度较低，是因为玄武岩机制砂的细度模数大，需水量大，流动性小，导致紧实性较差。而后期强度回升，甚至超过了天然黄沙，是因为玄武岩中包裹在玻璃体中的活性硅铝质氧化物的溶出，发生二次水花，优化了界面过渡期的微结构，并且与此同时，一定程度上加快了水泥水花，从而是后期的强度升高。通过以上的实验，可以得出以下四个结论：（1）由于岩性的不同，在用相同机制砂生产设备生产出来的机制砂在石粉含量、堆积密度、表面密度、细度模数等物理性质差异较大。机械强度较大且表面硬度大的母岩经过破碎生产出来的机制砂，大颗粒直径的和细颗粒直径的颗粒含量过多，导致级配较差，不适