人工砂-新型建設(shè)用砂

　　一、人工砂出臺的背景

　　1.建設(shè)市場形勢發(fā)展的需要。

　　隨著改革開放的深入發(fā)展，砂石業(yè)同其它建材行業(yè)一樣發(fā)展很快。我國砂石年產(chǎn)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(shù)地區(qū)應(yīng)用的砂是天然砂，天然砂資源是一種地方資源、是短時內(nèi)不可再生和長距離運輸?shù)?，隨著基本建設(shè)的日益發(fā)展，在我國不少地區(qū)出現(xiàn)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(qū)高達110元/噸，用砂高峰時還無砂可用，影響了工程建設(shè)的進展。

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

　　2.環(huán)境保護的需要

　　由于砂資源短缺，價格上漲，在經(jīng)濟利益的驅(qū)使下，在我國很多地區(qū)都出現(xiàn)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(fā)了不少工程事故。另外，由于天然砂的無序生產(chǎn)，在生產(chǎn)、貯存、和運輸過程中還造成對空氣和環(huán)境的污染，國務(wù)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(guī)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(yè)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(chǎn)生約20%的尾礦，有相當(dāng)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(huán)境污染，而如果經(jīng)過適當(dāng)分選與加工，不少尾礦就可以制成人工砂，既解決了提環(huán)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(jīng)成熟

　　從20世紀(jì)60年代起，因為一些建設(shè)工程的環(huán)境條件所限，我國水電、建筑部門就開始用當(dāng)?shù)厥倪M行機制砂的生產(chǎn)工藝、技術(shù)性能和應(yīng)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(guī)模使用機制山砂，并制定了地方標(biāo)準(zhǔn)。以后，云南、河南也相繼出臺了人工砂地方標(biāo)準(zhǔn)或使用規(guī)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(chǎn)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(jīng)濟上是合理的，技術(shù)上是成熟的。國外，美、英、日等工業(yè)發(fā)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(biāo)準(zhǔn)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(rèn)識到，發(fā)展人工砂是建筑骨料今后的必然方向。

　　目前，國內(nèi)工藝成熟的人工砂生產(chǎn)線已有多條，生產(chǎn)人工砂的設(shè)備與技術(shù)完全具備，國內(nèi)、外有不同的品牌、型號的制砂設(shè)備可供選擇。

　　綜上所述，發(fā)展人工砂的勢在必行。

　　二、人工砂的定義、分類、產(chǎn)品特點與應(yīng)用范圍

　　根據(jù)國標(biāo)規(guī)定，凡經(jīng)除土處理的機制砂、混合砂都統(tǒng)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(zhì)巖、風(fēng)化巖石的顆粒?；旌仙暗亩x是：由機制砂和天然砂混合制成的砂。這里，混合砂沒有規(guī)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(yīng)當(dāng)執(zhí)行人工砂的技術(shù)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(shù)在2.6-3.6之間，顆粒級配穩(wěn)定、可調(diào)，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(biāo)準(zhǔn)天然砂1區(qū)、2區(qū)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(chǎn)礦源的不同、生產(chǎn)加工機制砂的設(shè)備和工藝不同，生產(chǎn)出機制砂粒型和級配可能會有很大的區(qū)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(biāo)中對人工砂的全部技術(shù)指標(biāo)，就可以在混凝土和砂漿中使用。達不到國標(biāo)人工砂技術(shù)（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(diào)整和改進的，在這一點上，人工砂于天然砂有著本質(zhì)的區(qū)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(shè)計、其它材料、成型養(yǎng)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(biāo)準(zhǔn)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(guī)律進行混凝土配比設(shè)計，人工砂的需水量大，和易性稍差，易產(chǎn)生泌水，特別在水泥用量少的低強度等級混凝土中表現(xiàn)明顯；而如果根據(jù)人工砂的特點進行混凝土配比設(shè)計，通過合理利用人工砂中的石粉、調(diào)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(shè)計規(guī)程的配比設(shè)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(shù)為2.6-3.0，級配為2區(qū)。人工砂在配制填加外加劑的混凝土?xí)r，對外加劑的反應(yīng)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?jié)B、抗凍性能好，其它物理力學(xué)性能和長期耐久性均能達到設(shè)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(yīng)力混凝土粱。在試驗室設(shè)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(yīng)用在混凝土、砂漿和制品中。

　　三、使用和生產(chǎn)人工砂應(yīng)注意的若干問題

　　1.     正確認(rèn)識和利用石粉

　　全國多數(shù)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(shù)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(jīng)除土處理，加工后形成粒徑小于75μm，其礦物組成和化學(xué)成分與被加工母巖相同的物質(zhì)。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(jīng)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(yán)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(chǎn)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(xiàn)代混凝土設(shè)計理念，是強調(diào)發(fā)揮骨料骨架的支撐作用，而發(fā)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(chǎn)的花崗巖人工砂，石粉含量控制在10%，不僅生產(chǎn)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(chǎn)的石灰?guī)r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(qū)建了一棟現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)的九層住宅樓，目前質(zhì)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(tǒng)含泥量試驗所不能區(qū)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(zhì)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(tǒng)習(xí)慣和執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)等原因，不少人工砂生產(chǎn)企業(yè)常用水洗的辦法控制人工砂中石粉的含量，結(jié)果既浪費了資源，又形成了新的污染。因此，在人工砂的生產(chǎn)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(yán)格控制人工砂質(zhì)量

　　我國幅源遼闊，全國各地的人工砂因礦產(chǎn)原料、加工工藝、加工設(shè)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(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)使全國的人工砂都能使用得好，用得放心，在標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)量控制數(shù)據(jù)和方法。比如，新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了人工砂采用檢測壓碎指標(biāo)的試驗方法來進行堅固性試驗。壓碎指標(biāo)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(chǎn)生的微裂紋影響混凝土的強度，而且，對風(fēng)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(zhì)量完全達到新國標(biāo)的技術(shù)要求，無論人工砂的礦產(chǎn)原料、加工工藝、加工設(shè)備如何，就可以使用，相反，人工砂的質(zhì)量達不到新國標(biāo)的技術(shù)要求，再好的礦產(chǎn)原料、加工工藝、加工設(shè)備生產(chǎn)的人工砂也不能應(yīng)用。使用者應(yīng)要求人工砂生產(chǎn)企業(yè)改進質(zhì)量，人工砂生產(chǎn)者也完全可以改進并達到新國標(biāo)的質(zhì)量要求，這就是人工砂比天然砂有質(zhì)量保證的一個優(yōu)勢。但如果按老習(xí)慣不講質(zhì)量要求，這也是人工砂的一個劣勢，因為，全國天然砂的質(zhì)量區(qū)別不大，使用者一般都有經(jīng)驗，而人工砂質(zhì)量區(qū)別較大，使用者缺乏經(jīng)驗。為保證人工砂的質(zhì)量，新國標(biāo)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(xiàn)場復(fù)試的必試項目。只要嚴(yán)格按新標(biāo)準(zhǔn)各項規(guī)定進行檢驗，使用人工砂是完全可以保證工程質(zhì)量的。

　　3. 完善生產(chǎn)、使用者的責(zé)任制

　　目前，由于天然砂大多數(shù)是集體、個體開采或經(jīng)營，而且很多天然砂根本不是生產(chǎn)廠家提供，而是由個體分散挖掘，經(jīng)營者收購售出，生產(chǎn)中基本無質(zhì)量控制手段，因此，砂質(zhì)量的控制全靠使用單位進場后的試驗，建筑用砂的質(zhì)量責(zé)任幾乎全落在了使用者的身上，生產(chǎn)和經(jīng)營者根本不承擔(dān)責(zé)任，或難以讓他們承擔(dān)責(zé)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(dǎo)致了一些工程事故的發(fā)生。究其原因，主要是天然砂生產(chǎn)方式和生產(chǎn)者的素質(zhì)所決定。而人工砂的生產(chǎn)則與天然砂有了根本的區(qū)別，人工砂生產(chǎn)無論規(guī)模大小，總要有固定的生產(chǎn)場地、生產(chǎn)工藝和設(shè)備，其產(chǎn)品的質(zhì)量是完全可以控制和穩(wěn)定的，因此，提高人工砂生產(chǎn)者的素質(zhì)、提高對人工砂生產(chǎn)企業(yè)的要求是必要和可能實現(xiàn)的。雖然目前大多數(shù)建筑用砂生產(chǎn)廠家從來沒有提供過砂產(chǎn)品合格證，但新國標(biāo)還是明確提出了要生產(chǎn)企業(yè)提供產(chǎn)品合格證這一要求。尤其人工砂的生產(chǎn)和使用者都應(yīng)堅持執(zhí)行新標(biāo)準(zhǔn)中的這一規(guī)定，通過提供和索要產(chǎn)品合格證，促使人工砂企業(yè)建立質(zhì)量保證體系，明確和落實生產(chǎn)者的產(chǎn)品質(zhì)量責(zé)任，然后，再由使用者進行現(xiàn)場復(fù)試，使建筑用砂質(zhì)量得到有效的保障和提高，工程質(zhì)量也就進一步得到保證和落實。各地有關(guān)管理部門也應(yīng)采取一定的措施，使人工砂的生產(chǎn)和使用一開始就有高起點，以帶動整個砂石行業(yè)的進步。