人工製砂的行（háng）業標準

從20世紀60年代（dài）起，我過就在一些水利·水電工程（chéng）及土木建築工程中開展人工砂的研究與應用，經過（guò）40多年的發展已經積累了豐富的經驗（yàn）並形成了係統的理論。受自然環境的影響，我國缺少優質天然砂，而富有石灰岩的貴州（zhōu）。四川等省份較早開展人工砂的研究工作。自上世紀九十年代以來，由於各種工程建設（shè）的急劇增多和（hé）天然砂的（de）資源缺乏，北京，上海，河南等省市也相繼（jì）開展人工砂的研究。人工砂的應用可以更好的保護環境，節約（yuē）成本，實現可持續發展，應用人工砂代替天然砂已勢在必行！

一. 人工砂概況

1.人工砂的工程應（yīng）用

成（chéng）功應用人工（gōng）砂的水利，水電工程很多。如三峽大壩二期，三期工程中全部采用（yòng）花（huā）崗（gǎng）岩人（rén）工（gōng）砂作細骨料：龍灘水電站的混凝土（tǔ）方量為575.6萬m³，采用石灰岩人工砂作細骨（gǔ）料：烏江構皮灘電站采用灰岩生產人工砂：湖（hú）北宣恩洞坪水利（lì）樞紐工程采用灰岩生產人工砂及人工碎石：湖北天堂（táng）抽水蓄能電站，皂市（shì）水利樞紐工程采（cǎi）用灰岩生產（chǎn）人工砂，施工時則采用天然砂與人工（gōng）砂混合的辦法。

很多橋（qiáo）梁工程也廣泛應用人工砂。如株洲：六盤水鐵路複線南山河特大橋使用人（rén）工砂（shā）做細骨料配製C55超緩混凝（níng）土，重慶（qìng）嘉（jiā）陵江黃花園大橋主橋（qiáo）箱結構也使用的人工（gōng）砂和特細砂混摻的C50混凝土，均取得較好的應用效果。

在商品混凝（níng）土應（yīng）用方麵，北京世紀財富中（zhōng）心C60混凝土全為（wéi）人工（gōng）砂混凝土。此外，北京（jīng）恒坤混凝土郵箱公司和北京恒（héng）坤拓峰采石有限公司采用幹法生產石灰石人工砂，在1年多的時間裏累計（jì）生產商品混凝土40多（duō）萬 m³，多數（shù）使用純人（rén）工（gōng）砂，石粉含量（liàng）應用範圍達8％~15％，應用於各種工程，取得（dé）了很好的效果。2005年北京地區人工砂的產量已占據混凝土建築用砂的10％左右。隨著人們（men）對人工砂認識的逐漸（jiàn）深入（rù），以及（jí）人工砂（shā）質量的進（jìn）一步提高（gāo），人工砂混凝土所占有的份額必然會逐步（bù）增加。

在國外，美國，英國，日本（běn）等國家使用人工砂已有幾十年的曆史。美國地質勘探局根據資源利用率和環保的需要（yào），在1996年（nián）對人工砂及其母（mǔ）岩進行過調查，結果顯（xiǎn）示人工（gōng）砂大致占細骨料的20％。日本（běn）在上世（shì）紀80年代，天然集料與（yǔ）人工集料的使（shǐ）用比例大約（yuē）為0.9:1，而到90年代則降為（wéi）0.5:1。

2.人工砂的技術標（biāo）準

不同國家製定的人（rén）工（gōng）砂技術標準不論是級配（pèi），細度模數還是（shì）石（shí）粉（fěn）含（hán）量存在差異。愛石粉的含量（liàng）方麵上，我國與國外在規（guī）定含量時考慮角度明顯不同。美國（guó）標準ASTM C33-1999《混（hún）凝（níng）土（tǔ）集料標準（zhǔn）規範》是根（gēn）據混凝土耐磨要求進行規定的;英國標準BS882:1992《用於混凝（níng）土的石料（liào）》則根據重載混凝土路麵和（hé）普通混凝（níng）土規定人工砂石粉含量的要求；日本標準（zhǔn）JIS A 5005:1993《混凝土碎石人工砂》對用於混凝土人工砂石（shí）粉含量的（de）要求是統一的；我國國家標準GB/T14684-2001<建築用砂》則按混凝土強度等級規定人工（gōng）砂（shā）中（zhōng）石粉含量。在我國的地方標準中（zhōng），貴州省DBJ22-016-95《山砂混凝土技術規範（fàn）》和重慶市DB50/5017-2000《混凝土用人工砂質量（liàng）標（biāo）準及（jí）控製方法》等也均采用按照強度等級的（de）方法來規（guī）定石粉的含（hán）量。不同國家的標準中隊混凝（níng）土人（rén）工砂石粉的含量的限製是（shì）不同的。我（wǒ）過不同地方標準中隊混凝土人工砂十分含量的較（jiào）高（gāo）限值也（yě）有所不同。

中，日，美對石粉含量限製（zhì）比較嚴格。由於正常（cháng）人工砂生產線過（guò）程中會產生10％左右的石粉，嚴格的石粉含量增加了人工（gōng）砂的生產成本（běn），同（tóng）時限製了人工（gōng）砂的使用。我國哦不同的省市也存在不同的標準要求。相關的研究表（biǎo）明，人工砂的石粉含量可（kě）以比現行國標放寬一些，較近（jìn），我國擬修訂的建工行業標準JGJ52《普通混凝土（tǔ）用砂石（shí）質量標準及檢（jiǎn）驗方法》征求意見（jiàn）稿中，提出將人工砂（shā）中（zhōng）的石粉含量放寬為5％（大於等（děng）於C60混凝土），和7％（介於C30~C60混凝土之間）和10％（小於C30混凝土），這對人工砂的推廣應用將有積極的促進作用（yòng）。

二. 人工砂（shā）的性能特征

與天然砂相比，人工砂自身有明顯的特點。它的顆粒與形狀多呈（chéng）三角（jiǎo）形或方矩體，表麵粗糙，棱角尖銳，一般（bān）球形度比天然砂小，目前，人工砂多為級配可以調（diào）整，含有一定量的石（shí）粉的（de）中粗（cū）砂。由於全國各地生產人工砂的母岩，生產工藝（yì）和設備不同，生產（chǎn）出的人工砂質量相差很大。人工砂的質量主（zhǔ）要受粒形、細度模數、級（jí）配、石（shí）粉含（hán）量等影響。現行標準中，隻要根據（jù）3個（gè）因素進行規定，從而確定人工砂的質量穩定。

1：人工砂的粒（lì）形（xíng）

英國標準BS882:1992《用於混凝土的史料》中對石料形狀分為（wéi）6個類（lèi）別：圓形、不規則行（háng）、角錐形、長條形和扁長形。人工砂的粒（lì）形主（zhǔ）要為角錐形和不規則行，關隨著母岩種類。人工砂設備不同而變化。顆粒的形狀對緊密堆積存在重（chóng）要影響，實際（jì）應（yīng）用中更加期（qī）望獲（huò）得圓（yuán）形的顆粒，它（tā）不僅有利於緊密堆積，更有利於增加混凝（níng）土的工（gōng）作性。一般來說，製砂設（shè）備導致的顆粒形狀中：棒模（mó）式、錘式破（pò）碎機（jī）和衝擊式破碎機等優於反擊式破碎機、圓錐式破碎機（jī）和旋盤是、顎式破碎機、輥式破碎機和旋（xuán）回式較差，但前者製造成本較高。北京恒坤拓峰采石有限公司采用反擊式破碎機和立軸式破碎機生產的顆粒形狀方正（zhèng）效率高，細度模式可（kě）控製偉2.4~3.0，石粉含量為2%~18%，同事，幹法生（shēng）產解（jiě）決了除塵問題（tí）。

人工砂的粒形對（duì）混凝（níng）土的影響主要體（tǐ）現在下麵幾個方麵：（1）粒形的規則與否影響到集料自身的緊密堆積成（chéng）都和空隙率大小，從而影響填充集料（liào）空隙的水泥漿體的體積（jī）。（2）不規則的粒形具有更大的（de）比表麵積，它需要的包裹漿體體積同樣增加。（3）人工砂行政影響新拌混凝土工作性（xìng）能及它與水泥漿體界麵的機（jī）械齧合力等。

2.人工砂的（de）細度模數

對於定製生產的人工砂，其細度模數（shù）是可以控製的。在（zài）生產工藝中，通過調節不（bú）同篩分的比例達到（dào）預定的細度（dù）模數。對於加碎石篩除的小於4.75mm的石屑（xiè），由於其（qí）顆粒級配並沒有嚴格按照相關標準來（lái）配製，所（suǒ）以細度模數相差很大，使用時要認真（zhēn）選擇控製。對於細度模數不合適的人工砂，可以與天然中（zhōng）砂或細砂（shā）等通過（guò）實驗確定混合比例後使用。

前麵所提及的水利、水電工（gōng）程中，人工砂的（de）細度模數大多控製在3.0以下。如（rú）三峽大（dà）壩中花崗岩人工砂（shā）的細度模數為2.7；龍灘水電站中人工（gōng）砂的細度模（mó）數為（wéi）2.9；吳江構皮灘電站人工砂的細度模數為2.5；天堂抽水（shuǐ）蓄能電站人工砂的細度模數為2.5。在商品混凝（níng）土中使用的人工砂一（yī）般為中粗砂。北（běi）京市建築市場目前存在兩種人工砂：一是完全替代天然砂的人工砂，這種人工砂細度模數較（jiào）小，一般在（zài）3.0以下。二是與天（tiān）然砂混合使用的人工砂（shā），它的細度模數偏高，一般在3.0以（yǐ）上（shàng），個別達到4.4以上。過大的細度模數（shù）表明（míng）集（jí）料中的粗顆粒比例偏（piān）大，而0.315mm以下的比例（lì）較小。這種人工砂自身很難達到較（jiào）緊密堆積狀態，從而增（zēng）加（jiā）了混凝土中膠凝材料的總量，並影響到回（huí）南寧台的各種性能。對於過粗的人（rén）工（gōng）砂，一般是采用天然粉砂來補充小於0.315mm部（bù）分，從而控製混合砂的細度模（mó）數在中砂範圍之內（nèi）。如果想（xiǎng）是想人工（gōng）砂完全替代天然砂的目的，就必須通過選擇人工砂設備和控製生（shēng）產（chǎn）工藝（yì）來生產細度模數小於3.0，級配優良（liáng）的優質人工砂。

對於相同粒形的集料來（lái）說，總存在著優良的級配。優良的級配意味著集料自身能夠（gòu）通過大小顆粒（lì）的較佳比例（lì）來接近較緊密的堆積狀態，此時（shí）空隙率較（jiào）小。人工砂的級配範圍從幾個μm到4.75mm，其中石粉的平均粒徑一般為30μm~40μm，並起到微填充的作用。當（dāng）人工砂顆粒從（cóng）4.75mm、2.36mm、1.18mm~0.08mm彼此相（xiàng）互填充時，較後的空隙需要一定（dìng）量的十分來填充。從級配（pèi）及堆積的角度來考（kǎo）慮（lǜ），適量的石粉含量是有益的。由於當前國家標（biāo）準中十分含量的限製很低，很多人工（gōng）砂生產企業采用水洗（xǐ）或者風選方式來除去超標的石（shí）粉，但（dàn）與此同時破壞了人工砂的級配。當石粉（fěn）行兩小（xiǎo）於3%，細度模數較大，此（cǐ）時人（rén）工砂的級配一（yī）般都比較差，表現為空隙率比較（jiào）大。我們在調研過程中發現：有的人工砂砂石粉（fěn）含（hán）量2.5%、細度模數4.3，其鬆散堆積空隙率為52.6%；石粉含量14.8%、細度模數2.7的人工砂的鬆散堆積空隙率為34.3%。

人工砂的級配直接影響到混凝土中膠（jiāo）凝材料用量。級配優良的集料自身緊密堆積後，僅僅需要少量的膠凝材料填（tián）充（chōng）集料（liào）的空隙並黏結顆粒。當集料級配較差時，此時具有較大（dà）的空隙率，則需要更（gèng）多的膠凝材（cái）料來填充空隙，但成（chéng）本增加。當然隨著緊密堆積程度加大，骨料顆粒隻講摩擦力也隨（suí）之增長，對混凝土工作性能產生影響。存在（zài）較近的顆粒級配，同時滿足膠凝材料用量與工（gōng）作性能的協調。當人工砂中的石粉含量少而（ér）且（qiě）級配較差（chà）時，混凝土拌合物更（gèng）加容易產生離析、泌水現象，這種現象在低強度貧漿混（hún）凝（níng）土中表現更為明顯。當石粉的級配較（jiào）好時，隨著混凝土中十分摻量（liàng）的增加，混凝土黏度逐漸變（biàn）大。對（duì）於產生泌水現象的混凝土，可以通過（guò）加入石粉的方法來改善混凝土的工作性（xìng）能。

4.人工砂的石粉含量

石粉（fěn）是指人工砂中粒徑小於75μm的顆粒含量。含泥量是指天然砂中粒徑小於（yú）75μm的顆粒含量。在人工砂生（shēng）產過程中不可避（bì）免的灰帶入泥（ní）。國家標準（zhǔn）GB/T14684-2001規定（dìng）通過（guò）亞甲藍實驗來判斷粉體材料是石粉還是泥以及它們（men）的相對比例。國標規定亞甲藍實驗的MB值應小（xiǎo）於1.4，很多（duō）人工砂生產逛（guàng）街控製MB值在0.5以下，以減小人工砂含泥帶鬼混凝土的負麵影響。

石粉的較佳摻（chān）量還與混凝土（tǔ）等級有（yǒu）關。在低強度等級貧漿混凝土中石粉作用（yòng）更加明顯，此（cǐ）時石粉主要（yào）作為（wéi）一種有益的惰性材料，起到類似於礦物摻和料的填充作用，石粉的化學相對要比礦物摻和料的填充作用（yòng），石（shí）粉的化學相對要比礦（kuàng）物摻和料小的多。在高強混凝土華總膠凝材料總量本身已經很多，加入（rù）過量石粉會增加相應的黏度，congenial影響到混凝土的（de）各種性能（néng）。

石粉在混凝土中的作用主要（yào）表現為（wéi）填充效（xiào）應、品核效應和活性效應。因此，石粉（fěn）不（bú）僅影響到混凝土的工作性能、力學性（xìng）能，還（hái）影響到後期的耐久性能。石粉對混（hún）凝土耐久（jiǔ）性能的（de）影響主（zhǔ）要體現（xiàn）在下麵幾個方麵：（1）混凝土的收（shōu）縮：石粉（fěn）含量會增大混凝土幹縮，隨著含（hán）量的增大（dà），趨勢更加明顯。因此（cǐ），對人工砂混凝土需要加強早期（qī）養護。但磨細粉煤灰的加入，有效（xiào）降（jiàng）低了這種幹縮在高強人工砂（shā）混凝土（tǔ）中的發展；（2）混凝土的抗摻性及抗凍性（xìng）：在一定範圍內，隨著石粉含量的（de）增加，混凝土密實度提高，混凝土的抗（kàng）壓強度、抗折強度相應的增加。有研究（jiū）人員利用石（shí）粉含量11.1%的人工砂配製28d強度為283.MPa~53.2MPa的（de）高性能混凝土，結果表明人工砂混凝土的抗滲性和天然砂相同，具（jù）有較低的氮離（lí）子擴散係數，抗氮（dàn）離（lí）子滲透性高於天然砂，具有優異的（de）抗凍性（xìng）能。對硬化人工砂混凝土（tǔ）進（jìn）行SEM分析，發現人工砂（shā）與水泥水化凝膠結合緊密，界（jiè）麵處無裂縫，幾乎分不出兩者界限。正是這種界麵的強（qiáng）化使得人（rén）工砂混凝土耐久性得以提高。

三、人工砂高強混凝（níng）土的研（yán）究與應（yīng）用

隨著各種高（gāo）效（xiào）減水劑的廣泛應用，混凝土進一步向高強、高性能等方向（xiàng）發展。由於人工砂在混凝土用（yòng）砂中的市場份額越來越大，進行人工砂高強混凝土的研究與（yǔ）應用具有重要的實際意義。

機製混凝土配（pèi）合比設計（jì）應采用JGJ55-2000《普通（tōng）混凝土（tǔ）配合比設計規（guī）程》的規定。砂率的選擇主（zhǔ）要根據人工砂自（zì）身的細度模數、石粉含量、混凝土強度等級及其他材料的情況經實驗確定。石料含量高（gāo）的（de）人工砂可以采用較低的砂率，細度（dù）模數大的人工砂宜選擇較高的砂率。由於人工砂的表麵粗糙、多棱角，機械齧合力比較強，顆粒（lì）之間的摩擦力相對大，人工砂混凝土單位用水量比（bǐ）天然砂混（hún）凝土要適當（dāng）增加。

從全（quán）級配的角度（dù）來考（kǎo）慮，配製人工砂高強混凝（níng）土的關鍵之一是要有優良的集料。對於人工砂來說，就是（shì）要有合適的細度模數、石粉含量、良好的級配以及較好的粒形（xíng）。由於高強混（hún）凝土是富漿混凝土，所以石粉的含量不宜太多，同時要通過調整人工砂（shā）的細度模數與級配來（lái）保證混凝土具有優良的工作性能、力學性能（néng）和耐久性能（néng）。

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