人工砂-新型建设用砂

　　一、人工砂出台的背景

　　1.建设市场形势发展的需要。

　　随着改革开放的深入发展，砂石业同其它建材行业一样发展很快。我国砂石年产量由改革前6亿多吨增加到50亿吨，其中，砂约20亿吨。目前我国大多数地区应用的砂是天然砂，天然砂资源是一种地方资源、是短时内不可再生和长距离运输的，随着基本建设的日益发展，在我国不少地区出现天然砂资源逐步减少、甚至无天然砂的情况，混凝土用砂供需矛盾尤为突出，而砂的价格越来越高，在有些地区高达110元/吨，用砂高峰时还无砂可用，影响了工程建设的进展。

　　目前，混凝土的发展趋势是发展高性能混凝土（HPC），而HPC的发展必须有高质量的砂石骨料。我国混凝土方面的专家把砂石骨料的质量视为制约我国混凝土发展的瓶颈；分析认为，中国混凝土质量不如西方的主要原因是砂石的质量差；警告说，如果骨料品质低劣与离散性大的现状得不到改善，HPC就不可能实施。

　　2.环境保护的需要

　　由于砂资源短缺，价格上涨，在经济利益的驱使下，在我国很多地区都出现了乱采乱挖天然砂的情况，特别在前几年，毁田挖砂、破坏河道挖砂的情况比目皆是，不但破坏了有限的耕地、防洪堤坝，并由此引发了不少工程事故。另外，由于天然砂的无序生产，在生产、贮存、和运输过程中还造成对空气和环境的污染，国务院和各地人民政府不得不相继出台了禁采或限采天然砂的规定。例如，从2002年开始，整个长江采砂量控制在每年5000万吨。北京市376家砂石企业减为151家，2003年5月全面禁采。

　　我国有大量的金属矿和非金属矿，在采矿和加工过程中伴随产生约20%的尾矿，有相当尾矿没有合理利用，已约有上百亿吨的尾矿大量堆积，占用土地，造成环境污染，而如果经过适当分选与加工，不少尾矿就可以制成人工砂，既解决了提环境污染问题，又提高了资源利用率，形成综合效益。

　　3. 条件已经成熟

　　从20世纪60年代起，因为一些建设工程的环境条件所限，我国水电、建筑部门就开始用当地石材进行机制砂的生产工艺、技术性能和应用于混凝土和砂浆的研究，并开始在工程上使用。从70年代起，我国贵州省已在建筑上大规模使用机制山砂，并制定了地方标准。以后，云南、河南也相继出台了人工砂地方标准或使用规程。90年代以来，北京、天津、上海、重庆、广东、福建、浙江、河北、山西等省市都有了人工砂的生产线，进行过人工砂的使用研究。几十年大量的工程实践，证明了使用人工砂在经济上是合理的，技术上是成熟的。国外，美、英、日等工业发达国家使用人工砂也有几十年的历史，将人工砂纳入其国家标准的时间至少30年以上。笔者因工作需要，从80年开始砂石研究，特别是从利用各种废弃资源做骨料的实践认识到，发展人工砂是建筑骨料今后的必然方向。

　　目前，国内工艺成熟的人工砂生产线已有多条，生产人工砂的设备与技术完全具备，国内、外有不同的品牌、型号的制砂设备可供选择。

　　综上所述，发展人工砂的势在必行。

　　二、人工砂的定义、分类、产品特点与应用范围

　　根据国标规定，凡经除土处理的机制砂、混合砂都统称为人工砂。具体机制砂的定义是：由机械破碎、筛分制成的，粒径小于4.75 mm的岩石颗粒，但不包括软质岩、风化岩石的颗粒。混合砂的定义是：由机制砂和天然砂混合制成的砂。这里，混合砂没有规定混合比例，只要求能满足混凝土各项性能的需要。但必须指出，一旦使用混合砂，无论天然砂的比例占多大，都应当执行人工砂的技术要求和检验方法。

　　机制砂的自身主要特点是：目前基本为中粗砂，细度模数在2.6-3.6之间，颗粒级配稳定、可调，含有一定量的石粉，除150祄的筛余有所增加外，其余筛余均能满足标准天然砂1区、2区要求，粒型多呈三角体或方矩体，表面粗糙，棱角尖锐。但由于全国各地机制砂的生产矿源的不同、生产加工机制砂的设备和工艺不同，生产出机制砂粒型和级配可能会有很大的区别，比如，有些机制砂片状颗粒较多，有些机制砂的颗粒级配为两头大中间小，但只要能满足国标中对人工砂的全部技术指标，就可以在混凝土和砂浆中使用。达不到国标人工砂技术（包括级配）要求的，不能迁就使用，因为机制砂的粒型和级配都是可以调整和改进的，在这一点上，人工砂于天然砂有着本质的区别。混合砂随机制砂的掺入比例而降低其上述特点。

　　由人工砂本身的特点所决定，与条件相同天然砂相比，在配比设计、其它材料、成型养护条件都相同的情况下，用人工砂配置出混凝土的特点是：塌落度减小，混凝土28d标准强度提高；如保持塌落度不变，则需水量增加；但在不增加水泥的前提下水灰比变大后，一般情况下，混凝土实测强度并不降低。按天然砂的规律进行混凝土配比设计，人工砂的需水量大，和易性稍差，易产生泌水，特别在水泥用量少的低强度等级混凝土中表现明显；而如果根据人工砂的特点进行混凝土配比设计，通过合理利用人工砂中的石粉、调整人工砂的砂率，是完全可以配制出和易性很好的混凝土。普通混凝土配比设计规程的配比设计方法完全适用于人工砂。最适合配制混凝土的人工砂细度模数为2.6-3.0，级配为2区。人工砂在配制填加外加剂的混凝土时，对外加剂的反应比天然砂敏感。人工砂配制的高强度泵送混凝土在泵送过程中不易堵泵。正确使用人工砂的混凝土密实度大、抗渗、抗冻性能好，其它物理力学性能和长期耐久性均能达到设计使用要求。人工砂特别适于配制高强度等级混凝土、高性能混凝土和泵送混凝土。

　　目前，我国最大的三峡工程、黄河小浪底工程均使用人工砂配制混凝土。在已有的工程实践中，人工砂配制出了从C10-C70的普通混凝土和泵送混凝土，泵送最大高度达400m；配制出跨度达64m的予应力混凝土粱。在试验室设计强度C100的混凝土90天实际强度达到155Mpa。人工砂可以广泛应用在混凝土、砂浆和制品中。

　　三、使用和生产人工砂应注意的若干问题

　　1.     正确认识和利用石粉

　　全国多数使用单位对人工砂目前还是陌生的，特别从其外观上看，与天然砂有明显的不同。人工砂多数呈灰白色或黑色、看上去石粉很多。这里所称的石粉是：加工前经除土处理，加工后形成粒径小于75μm，其矿物组成和化学成分与被加工母岩相同的物质。虽同是小于75μm的颗粒,但石粉与天然砂中的泥成分不同、粒径分布不同、在混凝土中所起的作用亦不同。仅从细度角度讲，经测试表明，小于75μm的石粉颗粒分布主要集中在16μm以上，小于75μm泥的颗粒分布主要集中在16μm以下，石粉平均粒度是泥平均粒度的近5倍。

　　天然砂中的泥对混凝土是有害的，必须严格控制其含量。而人工砂中适量的石粉对混凝土是有益的，有适量石粉的存在，弥补了人工砂配制混凝土和易性差的缺陷，同时，它的掺入对完善混凝土特细骨料的级配，（在这一点上，天然砂由于其生产工艺的限制，其特细级配部分是不完善的）提高混凝土密实性都有益处，现代混凝土设计理念，是强调发挥骨料骨架的支撑作用，而发挥骨料骨架的支撑作用最有利条件是使骨料之间空隙最少，密实度最高。进而起到提高混凝土综合性能的作用。见表1              表1                                                

注：表中未注明的各种试验材料与条件均一致。

　　从工程实践来看，成功使用带石粉人工砂的实例也很多，香港的嘉华集团，干法生产的花岗岩人工砂，石粉含量控制在10%，不仅生产C30、C40的普通混凝土，而且配制C60以上的高强混凝土，使用时间已达24年以上，建造了很多著名的建筑。笔者与北京城建一公司曾用干法生产的石灰岩人工砂（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区建了一栋现浇剪力墙结构的九层住宅楼，目前质量很好。

　　为防止人工砂在开采、加工过程中因各种因素掺入过量的泥土，而这又是目测和传统含泥量试验所不能区分的，在使用前必须先进行亚甲蓝MB值的检验或快速检验。亚甲蓝MB值的检验或快速检验是专门用于检测小于75μm的物质主要是石粉还是泥土的试验方法。这样就避免了因人工砂石粉中泥土含量过高而给混凝土带来的负作用。

　　目前，因传统习惯和执行标准等原因，不少人工砂生产企业常用水洗的办法控制人工砂中石粉的含量，结果既浪费了资源，又形成了新的污染。因此，在人工砂的生产过程中宜把除土处理放在原料加工前进行，加工后尽量保留和利用人工砂的石粉。

　　2.     严格控制人工砂质量

　　我国幅源辽阔，全国各地的人工砂因矿产原料、加工工艺、加工设备等不同，其颗粒形状、粒级分布、石粉含量等会有不小的差别。比如，同是采石厂的尾矿石屑，目前浙江一带的石屑片状含量很高，而河北、河南的石屑颗粒形状就比较好，而从定义上说，都是人工砂。如何统一标准使全国的人工砂都能使用得好，用得放心，在标准编制过程中进行了大量的试验验证工作，找出了保证使用要求的人工砂质量控制数据和方法。比如，新标准规定了人工砂采用检测压碎指标的试验方法来进行坚固性试验。压碎指标不仅能直接检验出砂的抵抗破裂的能力，防止人工砂在加工过程中产生的微裂纹影响混凝土的强度，而且，对风化软颗粒砂、针片状颗粒含量高的砂甚至泥土含量大的砂都有较强的鉴定作用。因此，只要人工砂的质量完全达到新国标的技术要求，无论人工砂的矿产原料、加工工艺、加工设备如何，就可以使用，相反，人工砂的质量达不到新国标的技术要求，再好的矿产原料、加工工艺、加工设备生产的人工砂也不能应用。使用者应要求人工砂生产企业改进质量，人工砂生产者也完全可以改进并达到新国标的质量要求，这就是人工砂比天然砂有质量保证的一个优势。但如果按老习惯不讲质量要求，这也是人工砂的一个劣势，因为，全国天然砂的质量区别不大，使用者一般都有经验，而人工砂质量区别较大，使用者缺乏经验。为保证人工砂的质量，新国标把人工砂的颗粒级配、石粉含量（包括亚甲蓝检验）、泥块含量和坚固性检验都定为人工砂出厂和施工现场复试的必试项目。只要严格按新标准各项规定进行检验，使用人工砂是完全可以保证工程质量的。

　　3. 完善生产、使用者的责任制

　　目前，由于天然砂大多数是集体、个体开采或经营，而且很多天然砂根本不是生产厂家提供，而是由个体分散挖掘，经营者收购售出，生产中基本无质量控制手段，因此，砂质量的控制全靠使用单位进场后的试验，建筑用砂的质量责任几乎全落在了使用者的身上，生产和经营者根本不承担责任，或难以让他们承担责任，这是非常不合理的。而且，这种控制实际上非常被动和无奈，代表性也很差，由此导致了一些工程事故的发生。究其原因，主要是天然砂生产方式和生产者的素质所决定。而人工砂的生产则与天然砂有了根本的区别，人工砂生产无论规模大小，总要有固定的生产场地、生产工艺和设备，其产品的质量是完全可以控制和稳定的，因此，提高人工砂生产者的素质、提高对人工砂生产企业的要求是必要和可能实现的。虽然目前大多数建筑用砂生产厂家从来没有提供过砂产品合格证，但新国标还是明确提出了要生产企业提供产品合格证这一要求。尤其人工砂的生产和使用者都应坚持执行新标准中的这一规定，通过提供和索要产品合格证，促使人工砂企业建立质量保证体系，明确和落实生产者的产品质量责任，然后，再由使用者进行现场复试，使建筑用砂质量得到有效的保障和提高，工程质量也就进一步得到保证和落实。各地有关管理部门也应采取一定的措施，使人工砂的生产和使用一开始就有高起点，以带动整个砂石行业的进步。