人工砂-新型建設用砂

　　一、人工砂出臺的背景

　　1.建設市場形勢發展的需要。

　　隨著改革開放的深入發展，砂石業同其它建材行業一樣發展很快。我國砂石年產量由改革前6億多噸增加到50億噸，其中，砂約20億噸。目前我國大多數地區應用的砂是天然砂，天然砂資源是一種地方資源、是短時內不可再生和長距離運輸的，隨著基本建設的日益發展，在我國不少地區出現天然砂資源逐步減少、甚至無天然砂的情況，混凝土用砂供需矛盾尤為突出，而砂的價格越來越高，在有些地區高達110元/噸，用砂高峰時還無砂可用，影響了工程建設的進展。

　　目前，混凝土的發展趨勢是發展高性能混凝土（HPC），而HPC的發展必須有高質量的砂石骨料。我國混凝土方面的專家把砂石骨料的質量視為制約我國混凝土發展的瓶頸；分析認為，中國混凝土質量不如西方的主要原因是砂石的質量差；警告說，如果骨料品質低劣與離散性大的現狀得不到改善，HPC就不可能實施。

　　2.環境保護的需要

　　由于砂資源短缺，價格上漲，在經濟利益的驅使下，在我國很多地區都出現了亂采亂挖天然砂的情況，特別在前幾年，毀田挖砂、破壞河道挖砂的情況比目皆是，不但破壞了有限的耕地、防洪堤壩，并由此引發了不少工程事故。另外，由于天然砂的無序生產，在生產、貯存、和運輸過程中還造成對空氣和環境的污染，國務院和各地人民政府不得不相繼出臺了禁采或限采天然砂的規定。例如，從2002年開始，整個長江采砂量控制在每年5000萬噸。北京市376家砂石企業減為151家，2003年5月全面禁采。

　　我國有大量的金屬礦和非金屬礦，在采礦和加工過程中伴隨產生約20%的尾礦，有相當尾礦沒有合理利用，已約有上百億噸的尾礦大量堆積，占用土地，造成環境污染，而如果經過適當分選與加工，不少尾礦就可以制成人工砂，既解決了提環境污染問題，又提高了資源利用率，形成綜合效益。

　　3. 條件已經成熟

　　從20世紀60年代起，因為一些建設工程的環境條件所限，我國水電、建筑部門就開始用當地石材進行機制砂的生產工藝、技術性能和應用于混凝土和砂漿的研究，并開始在工程上使用。從70年代起，我國貴州省已在建筑上大規模使用機制山砂，并制定了地方標準。以后，云南、河南也相繼出臺了人工砂地方標準或使用規程。90年代以來，北京、天津、上海、重慶、廣東、福建、浙江、河北、山西等省市都有了人工砂的生產線，進行過人工砂的使用研究。幾十年大量的工程實踐，證明了使用人工砂在經濟上是合理的，技術上是成熟的。國外，美、英、日等工業發達國家使用人工砂也有幾十年的歷史，將人工砂納入其國家標準的時間至少30年以上。筆者因工作需要，從80年開始砂石研究，特別是從利用各種廢棄資源做骨料的實踐認識到，發展人工砂是建筑骨料今后的必然方向。

　　目前，國內工藝成熟的人工砂生產線已有多條，生產人工砂的設備與技術完全具備，國內、外有不同的品牌、型號的制砂設備可供選擇。

　　綜上所述，發展人工砂的勢在必行。

　　二、人工砂的定義、分類、產品特點與應用范圍

　　根據國標規定，凡經除土處理的機制砂、混合砂都統稱為人工砂。具體機制砂的定義是：由機械破碎、篩分制成的，粒徑小于4.75 mm的巖石顆粒，但不包括軟質巖、風化巖石的顆粒。混合砂的定義是：由機制砂和天然砂混合制成的砂。這里，混合砂沒有規定混合比例，只要求能滿足混凝土各項性能的需要。但必須指出，一旦使用混合砂，無論天然砂的比例占多大，都應當執行人工砂的技術要求和檢驗方法。

　　機制砂的自身主要特點是：目前基本為中粗砂，細度模數在2.6-3.6之間，顆粒級配穩定、可調，含有一定量的石粉，除150祄的篩余有所增加外，其余篩余均能滿足標準天然砂1區、2區要求，粒型多呈三角體或方矩體，表面粗糙，棱角尖銳。但由于全國各地機制砂的生產礦源的不同、生產加工機制砂的設備和工藝不同，生產出機制砂粒型和級配可能會有很大的區別，比如，有些機制砂片狀顆粒較多，有些機制砂的顆粒級配為兩頭大中間小，但只要能滿足國標中對人工砂的全部技術指標，就可以在混凝土和砂漿中使用。達不到國標人工砂技術（包括級配）要求的，不能遷就使用，因為機制砂的粒型和級配都是可以調整和改進的，在這一點上，人工砂于天然砂有著本質的區別。混合砂隨機制砂的摻入比例而降低其上述特點。

　　由人工砂本身的特點所決定，與條件相同天然砂相比，在配比設計、其它材料、成型養護條件都相同的情況下，用人工砂配置出混凝土的特點是：塌落度減小，混凝土28d標準強度提高；如保持塌落度不變，則需水量增加；但在不增加水泥的前提下水灰比變大后，一般情況下，混凝土實測強度并不降低。按天然砂的規律進行混凝土配比設計，人工砂的需水量大，和易性稍差，易產生泌水，特別在水泥用量少的低強度等級混凝土中表現明顯；而如果根據人工砂的特點進行混凝土配比設計，通過合理利用人工砂中的石粉、調整人工砂的砂率，是完全可以配制出和易性很好的混凝土。普通混凝土配比設計規程的配比設計方法完全適用于人工砂。最適合配制混凝土的人工砂細度模數為2.6-3.0，級配為2區。人工砂在配制填加外加劑的混凝土時，對外加劑的反應比天然砂敏感。人工砂配制的高強度泵送混凝土在泵送過程中不易堵泵。正確使用人工砂的混凝土密實度大、抗滲、抗凍性能好，其它物理力學性能和長期耐久性均能達到設計使用要求。人工砂特別適于配制高強度等級混凝土、高性能混凝土和泵送混凝土。

　　目前，我國最大的三峽工程、黃河小浪底工程均使用人工砂配制混凝土。在已有的工程實踐中，人工砂配制出了從C10-C70的普通混凝土和泵送混凝土，泵送最大高度達400m；配制出跨度達64m的予應力混凝土粱。在試驗室設計強度C100的混凝土90天實際強度達到155Mpa。人工砂可以廣泛應用在混凝土、砂漿和制品中。

　　三、使用和生產人工砂應注意的若干問題

　　1.     正確認識和利用石粉

　　全國多數使用單位對人工砂目前還是陌生的，特別從其外觀上看，與天然砂有明顯的不同。人工砂多數呈灰白色或黑色、看上去石粉很多。這里所稱的石粉是：加工前經除土處理，加工后形成粒徑小于75μm，其礦物組成和化學成分與被加工母巖相同的物質。雖同是小于75μm的顆粒,但石粉與天然砂中的泥成分不同、粒徑分布不同、在混凝土中所起的作用亦不同。僅從細度角度講，經測試表明，小于75μm的石粉顆粒分布主要集中在16μm以上，小于75μm泥的顆粒分布主要集中在16μm以下，石粉平均粒度是泥平均粒度的近5倍。

　　天然砂中的泥對混凝土是有害的，必須嚴格控制其含量。而人工砂中適量的石粉對混凝土是有益的，有適量石粉的存在，彌補了人工砂配制混凝土和易性差的缺陷，同時，它的摻入對完善混凝土特細骨料的級配，（在這一點上，天然砂由于其生產工藝的限制，其特細級配部分是不完善的）提高混凝土密實性都有益處，現代混凝土設計理念，是強調發揮骨料骨架的支撐作用，而發揮骨料骨架的支撐作用最有利條件是使骨料之間空隙最少，密實度最高。進而起到提高混凝土綜合性能的作用。見表1              表1                                                

注：表中未注明的各種試驗材料與條件均一致。

　　從工程實踐來看，成功使用帶石粉人工砂的實例也很多，香港的嘉華集團，干法生產的花崗巖人工砂，石粉含量控制在10%，不僅生產C30、C40的普通混凝土，而且配制C60以上的高強混凝土，使用時間已達24年以上，建造了很多著名的建筑。筆者與北京城建一公司曾用干法生產的石灰巖人工砂（石粉含量11%的未洗砂）配制混凝土，于1996年在北京甘家口危改小區建了一棟現澆剪力墻結構的九層住宅樓，目前質量很好。

　　為防止人工砂在開采、加工過程中因各種因素摻入過量的泥土，而這又是目測和傳統含泥量試驗所不能區分的，在使用前必須先進行亞甲藍MB值的檢驗或快速檢驗。亞甲藍MB值的檢驗或快速檢驗是專門用于檢測小于75μm的物質主要是石粉還是泥土的試驗方法。這樣就避免了因人工砂石粉中泥土含量過高而給混凝土帶來的負作用。

　　目前，因傳統習慣和執行標準等原因，不少人工砂生產企業常用水洗的辦法控制人工砂中石粉的含量，結果既浪費了資源，又形成了新的污染。因此，在人工砂的生產過程中宜把除土處理放在原料加工前進行，加工后盡量保留和利用人工砂的石粉。

　　2.     嚴格控制人工砂質量

　　我國幅源遼闊，全國各地的人工砂因礦產原料、加工工藝、加工設備等不同，其顆粒形狀、粒級分布、石粉含量等會有不小的差別。比如，同是采石廠的尾礦石屑，目前浙江一帶的石屑片狀含量很高，而河北、河南的石屑顆粒形狀就比較好，而從定義上說，都是人工砂。如何統一標準使全國的人工砂都能使用得好，用得放心，在標準編制過程中進行了大量的試驗驗證工作，找出了保證使用要求的人工砂質量控制數據和方法。比如，新標準規定了人工砂采用檢測壓碎指標的試驗方法來進行堅固性試驗。壓碎指標不僅能直接檢驗出砂的抵抗破裂的能力，防止人工砂在加工過程中產生的微裂紋影響混凝土的強度，而且，對風化軟顆粒砂、針片狀顆粒含量高的砂甚至泥土含量大的砂都有較強的鑒定作用。因此，只要人工砂的質量完全達到新國標的技術要求，無論人工砂的礦產原料、加工工藝、加工設備如何，就可以使用，相反，人工砂的質量達不到新國標的技術要求，再好的礦產原料、加工工藝、加工設備生產的人工砂也不能應用。使用者應要求人工砂生產企業改進質量，人工砂生產者也完全可以改進并達到新國標的質量要求，這就是人工砂比天然砂有質量保證的一個優勢。但如果按老習慣不講質量要求，這也是人工砂的一個劣勢，因為，全國天然砂的質量區別不大，使用者一般都有經驗，而人工砂質量區別較大，使用者缺乏經驗。為保證人工砂的質量，新國標把人工砂的顆粒級配、石粉含量（包括亞甲藍檢驗）、泥塊含量和堅固性檢驗都定為人工砂出廠和施工現場復試的必試項目。只要嚴格按新標準各項規定進行檢驗，使用人工砂是完全可以保證工程質量的。

　　3. 完善生產、使用者的責任制

　　目前，由于天然砂大多數是集體、個體開采或經營，而且很多天然砂根本不是生產廠家提供，而是由個體分散挖掘，經營者收購售出，生產中基本無質量控制手段，因此，砂質量的控制全靠使用單位進場后的試驗，建筑用砂的質量責任幾乎全落在了使用者的身上，生產和經營者根本不承擔責任，或難以讓他們承擔責任，這是非常不合理的。而且，這種控制實際上非常被動和無奈，代表性也很差，由此導致了一些工程事故的發生。究其原因，主要是天然砂生產方式和生產者的素質所決定。而人工砂的生產則與天然砂有了根本的區別，人工砂生產無論規模大小，總要有固定的生產場地、生產工藝和設備，其產品的質量是完全可以控制和穩定的，因此，提高人工砂生產者的素質、提高對人工砂生產企業的要求是必要和可能實現的。雖然目前大多數建筑用砂生產廠家從來沒有提供過砂產品合格證，但新國標還是明確提出了要生產企業提供產品合格證這一要求。尤其人工砂的生產和使用者都應堅持執行新標準中的這一規定，通過提供和索要產品合格證，促使人工砂企業建立質量保證體系，明確和落實生產者的產品質量責任，然后，再由使用者進行現場復試，使建筑用砂質量得到有效的保障和提高，工程質量也就進一步得到保證和落實。各地有關管理部門也應采取一定的措施，使人工砂的生產和使用一開始就有高起點，以帶動整個砂石行業的進步。