人（rén）工製砂（shā）的行業標準

從20世紀60年代起，我過（guò）就在一些水利·水電工程及土木建築工程中開展人工砂（shā）的研究與應用（yòng），經（jīng）過40多年的發展已經（jīng）積累了豐富的經驗並形成了係統的理論。受自然環境的影響，我國缺（quē）少優質天然砂（shā），而富有石灰岩的貴州（zhōu）。四川等省份較（jiào）早開展（zhǎn）人工砂的研究工作。自上世紀九十年代以來，由於各（gè）種（zhǒng）工程建設的（de）急劇增多和天然砂的資源缺乏，北京，上海，河南等省（shěng）市也相繼開展（zhǎn）人工（gōng）砂的研究。人工砂的應（yīng）用可以（yǐ）更好的保護環境，節約成本，實（shí）現可（kě）持續發展，應用人（rén）工砂代替天然砂已勢在必行！

一. 人工砂概況

1.人工砂的工程應用

成功應用人工砂的水利，水電工程很（hěn）多（duō）。如三峽大壩二期，三期工程中全部采用花崗岩人工砂（shā）作細骨（gǔ）料：龍灘水（shuǐ）電站（zhàn）的混（hún）凝土方量為575.6萬m³，采用石灰岩（yán）人工砂作細骨料：烏江構（gòu）皮灘電站采用灰岩生產人工砂：湖北（běi）宣恩洞坪水（shuǐ）利樞紐工（gōng）程采用灰岩生產人工砂及人工碎石：湖北天堂抽水（shuǐ）蓄能電（diàn）站，皂市水利（lì）樞（shū）紐工程采用灰岩生（shēng）產（chǎn）人工（gōng）砂，施工（gōng）時則（zé）采用天然砂與人工砂混（hún）合的辦法。

很多橋梁工程也廣泛應用人工砂。如株洲：六盤水鐵路複線南山河（hé）特大橋使用人（rén）工砂做細骨料配製C55超緩混凝土（tǔ），重慶嘉陵江黃花園（yuán）大（dà）橋主橋箱結構（gòu）也使用的人工砂和特細砂混摻的C50混凝土，均取得較好的應用效果。

在商品混凝土應用方麵，北京世紀財富中（zhōng）心C60混凝土全為人工砂混凝土。此外（wài），北京恒坤混凝土郵箱公（gōng）司和北京恒坤拓峰采石有限公司采用幹法生產石灰石人工砂，在1年（nián）多的時間裏累計生產商品混凝土40多萬 m³，多數使用純人工砂，石粉含量應用範圍達8％~15％，應用於各種工程，取得了很好的效果。2005年北京地區人工砂的產量已占據混凝土建築用（yòng）砂的10％左右。隨著人們對人工砂認識（shí）的逐漸深入，以及人工砂質量的（de）進一步提高，人工砂混（hún）凝土所占有的份額必然會逐步（bù）增加。

在國外，美國，英（yīng）國，日本等（děng）國家使用人工砂已有幾十年（nián）的曆（lì）史。美國地質勘探局根據資源利用率和環保的（de）需要，在1996年對人工砂及其母岩進行過調查，結果顯（xiǎn）示人工砂大致占細骨料的20％。日本（běn）在（zài）上世紀80年（nián）代（dài），天然集料與人工集料的使用比例大約為0.9:1，而到90年代則降為0.5:1。

2.人工砂的（de）技術標（biāo）準

不同國家製定的人工砂技術標（biāo）準不論是級配，細度（dù）模數還是石粉含量存在差異。愛石粉的（de）含量方麵上，我（wǒ）國與（yǔ）國外在規定含量（liàng）時考慮（lǜ）角度明顯不同。美國標準ASTM C33-1999《混凝土集料標準規（guī）範》是根據混凝土耐磨（mó）要求進行規（guī）定（dìng）的;英國標準（zhǔn）BS882:1992《用於混凝土（tǔ）的石料》則根（gēn）據（jù）重載混凝（níng）土路麵和普通混凝土規定人工砂（shā）石粉含量的要求；日本標準JIS A 5005:1993《混凝土碎石人工砂》對（duì）用於混凝土人工砂石粉含（hán）量的（de）要求是（shì）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砂中石粉含（hán）量（liàng）。在我國的地方標準中，貴州（zhōu）省DBJ22-016-95《山砂混凝土技術規範》和重慶市DB50/5017-2000《混凝土用人工砂質（zhì）量標準及控製（zhì）方（fāng）法》等也均采用按照強（qiáng）度等級的方法來規定（dìng）石粉的含量。不同（tóng）國家（jiā）的標準中隊混凝土人工砂（shā）石粉（fěn）的含量的限製是不同的（de）。我過不（bú）同地方標準中（zhōng）隊混凝土人工砂十分含量的較高限值也有所不（bú）同。

中，日，美對石粉含量限製比較嚴（yán）格。由於正常人工砂生產線過程中會產生10％左右的石（shí）粉，嚴格的石粉含量增（zēng）加了人工砂的生產成本，同時限製了人工砂的使用。我國（guó）哦不同的省市也存（cún）在不同的標（biāo）準要求。相關的研究表明，人工砂的石（shí）粉含量可以比現（xiàn）行國標（biāo）放寬（kuān）一些，較近，我國擬修訂的建工行業標準JGJ52《普（pǔ）通混凝（níng）土用砂石質量標準及檢驗方法》征求意見（jiàn）稿中（zhōng），提出（chū）將人工砂中的石粉含量放寬為5％（大於等於C60混凝土（tǔ）），和（hé）7％（介於C30~C60混（hún）凝土之間）和10％（小於C30混（hún）凝土），這對人工砂（shā）的推廣應用將有積（jī）極的（de）促進作用（yòng）。

二（èr）. 人工（gōng）砂的性能特（tè）征

與天（tiān）然砂相比，人工砂自（zì）身有明顯（xiǎn）的特點。它的顆（kē）粒與形狀多呈三角形或方矩體，表麵粗糙（cāo），棱角（jiǎo）尖銳，一般球形度比天然砂（shā）小，目前，人工砂多為級配可以調整，含有一定量的石粉的中粗砂。由於全國各（gè）地生產人（rén）工砂的（de）母岩（yán），生產工藝和設備不同，生產出的人工砂質量相差很大。人工砂的質量主要受（shòu）粒形、細度模數、級配、石（shí）粉含量等影響。現行標準中（zhōng），隻要根據3個因素進行規定，從而確（què）定人工砂的質量穩定（dìng）。

1：人工砂的（de）粒形

英國標準BS882:1992《用於混凝土的史料》中（zhōng）對石料形狀分為6個類別：圓形、不規則行、角錐（zhuī）形（xíng）、長條形和扁長形。人工砂的（de）粒形主要為角錐形和（hé）不規則行，關隨（suí）著母（mǔ）岩種類。人工砂設備不同（tóng）而變化。顆粒的（de）形狀對緊（jǐn）密堆積存在重要影響，實際應用（yòng）中更加（jiā）期望獲得圓形（xíng）的顆粒，它（tā）不僅有（yǒu）利於緊密堆積，更有利於增加混凝土的工作性。一般（bān）來（lái）說，製（zhì）砂設（shè）備導致的顆粒形狀中：棒模式、錘（chuí）式破碎機和衝擊式破碎機等優於反擊式破（pò）碎機（jī）、圓錐式破碎機和旋盤是、顎式（shì）破碎機、輥式破碎機和旋（xuán）回（huí）式較差，但（dàn）前（qián）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（hé）立軸式破（pò）碎機生產的（de）顆粒形狀方正效率高，細度模式可控製（zhì）偉2.4~3.0，石粉含量為2%~18%，同事，幹法（fǎ）生產解決了除塵問題。

人工砂（shā）的粒形（xíng）對混凝土的影（yǐng）響主要體現在下麵幾個（gè）方麵：（1）粒形的規則與否影響到集料自身的緊密堆積成都和空隙（xì）率大小，從而影響填充集料空隙的水（shuǐ）泥漿體的體積。（2）不規則（zé）的粒形具有更大的比表麵（miàn）積，它需要（yào）的包（bāo）裹漿體體積同樣增加。（3）人工砂行政（zhèng）影響新拌混凝土（tǔ）工作性（xìng）能及（jí）它與水泥漿體界麵的機械齧合力等（děng）。

2.人工砂的細度（dù）模數

對（duì）於定製生產的人工砂，其細度模數是可以控製的。在生產工藝中，通過調節（jiē）不同篩分的比例達到預定的細度模數。對（duì）於加碎石篩除（chú）的小於4.75mm的石屑，由（yóu）於其顆粒級配並沒有嚴格按照相關標準來配（pèi）製，所以細度模數相差很大，使用時要（yào）認真（zhēn）選擇控製。對於細度模數不合適的人工砂，可以與天（tiān）然中砂或細（xì）砂等通過實驗確（què）定混合比例後（hòu）使用。

前麵所提及的水利、水電工（gōng）程中，人工（gōng）砂的細（xì）度模數大多控製在3.0以下。如三峽大壩中花崗岩人工砂的細度模（mó）數為2.7；龍（lóng）灘水電站中人工（gōng）砂的細度模數為2.9；吳江構（gòu）皮灘電站人工砂的細（xì）度模數（shù）為2.5；天（tiān）堂（táng）抽水蓄（xù）能（néng）電站（zhàn）人工砂（shā）的細度（dù）模數為2.5。在商品（pǐn）混凝土中（zhōng）使用的人工砂一般為中粗砂。北京市建築市（shì）場（chǎng）目前存在兩種人工砂（shā）：一是完全替代天然砂的人工（gōng）砂（shā），這種人工砂細（xì）度模數較（jiào）小，一般在3.0以下。二是與天然砂混合使用的人（rén）工砂，它（tā）的細（xì）度模數偏高，一般在3.0以上，個別達到4.4以上。過大的細度模數表明集料中的粗顆粒（lì）比例偏大，而0.315mm以下的比例較（jiào）小。這種人工砂自身很（hěn）難達到較緊密堆積狀態，從而增加（jiā）了混凝土中膠凝材料的總量，並影響到回南寧台的各種性（xìng）能。對於過粗的人工砂，一（yī）般是（shì）采用天然粉（fěn）砂來補充小於0.315mm部分，從而控製混合砂的（de）細度（dù）模數在中砂範圍之內。如果想是想人工砂完全替代天（tiān）然砂（shā）的目的，就必須通過選擇人工砂設備和控製生產工藝來生產細度模數小於3.0，級配優良的（de）優質人工砂。

對於相同粒形的集料（liào）來說（shuō），總存在著優良的級配。優良的級配意味著集料自身能夠通過大小顆粒的較佳比例來接近較緊密的堆積狀態，此時（shí）空隙率較小。人工（gōng）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（qǐ）到微填充的作用。當（dāng）人工砂顆粒從4.75mm、2.36mm、1.18mm~0.08mm彼此相互填充（chōng）時，較後的空隙需要一定量的十（shí）分來填（tián）充。從級配及堆積的角度來考慮，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，很多人工砂生產（chǎn）企業采用水（shuǐ）洗或者風選方式來除去超（chāo）標的（de）石粉，但與此同時破壞了人工砂的級配。當石粉（fěn）行兩小於3%，細度模數較大（dà），此時人工砂的級配一（yī）般都比較差（chà），表現為空隙率比較大。我們在調研過程中發現：有的人工砂砂石粉含量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（shā）的鬆散堆（duī）積空隙率為34.3%。

人工砂（shā）的級配直接影響到混凝（níng）土中膠凝材（cái）料（liào）用量。級配優良的集料自（zì）身緊密堆積後，僅僅需要少量的膠凝材料（liào）填充集料的（de）空隙並黏結顆粒。當集料級配較（jiào）差時，此時具（jù）有（yǒu）較（jiào）大的空（kōng）隙率，則需要更多的膠凝材料來填充空隙，但（dàn）成本增加。當然隨著緊密（mì）堆積程度加大，骨料顆粒隻講摩擦力也隨之增長（zhǎng），對混凝土工作性（xìng）能產生影響。存在較近的顆粒級配，同時（shí）滿（mǎn）足膠凝材料用量與工作性能的協調。當人（rén）工砂（shā）中的石粉含量（liàng）少而（ér）且（qiě）級配較差（chà）時（shí），混凝土拌合物更加容易（yì）產生離析、泌水現象，這（zhè）種現象在（zài）低強度（dù）貧（pín）漿混凝土中表現更為明顯。當石粉的級配較好時，隨著混凝土中十分（fèn）摻量的增加，混凝土黏度逐漸變大。對於產生（shēng）泌（mì）水現象的混凝土，可以通過加入（rù）石粉的方法來改善混凝土的（de）工（gōng）作性能。

4.人工砂（shā）的石（shí）粉含量

石粉是指人工砂中粒徑小於75μm的顆粒含量（liàng）。含泥量是指天然砂中粒徑小於75μm的顆粒含量。在人工砂（shā）生產過程中不可避免的灰帶入泥。國家標準GB/T14684-2001規定通過亞甲藍實驗來判斷（duàn）粉體材料是（shì）石粉還是泥以及它們的（de）相對比例。國標規定亞甲藍實驗的MB值應小於1.4，很多人工砂生產逛街控製MB值在0.5以下（xià），以減小人工砂含泥帶鬼混凝土（tǔ）的負麵影（yǐng）響。

石粉的較佳摻量（liàng）還與混凝土等（děng）級有關。在低（dī）強度等級（jí）貧漿混凝土中石粉作用更加明顯，此時石粉主要作（zuò）為一種有益的惰性材料，起到類似於礦物（wù）摻和料的填充作用，石粉的化學相對（duì）要比礦物摻和料的填（tián）充作用，石粉的化學（xué）相對要比礦（kuàng）物摻和料小的多。在高強混凝土華總膠凝（níng）材（cái）料總量本身已經很多，加（jiā）入過量石粉會增加相應（yīng）的黏度，congenial影（yǐng）響到混凝土的各（gè）種性能。

石粉在（zài）混（hún）凝土中的作用主要表現（xiàn）為填充效應、品核效應和活性效應。因（yīn）此，石粉不僅影響到混（hún）凝土的工作性（xìng）能、力學性能，還影響到後期的耐（nài）久性能。石粉對混凝土耐久性能的影（yǐng）響主要（yào）體現在下麵幾個方麵：（1）混凝土的收縮（suō）：石粉含量會增大混凝土幹縮，隨著含量的增大，趨（qū）勢更加明顯。因此，對人工砂混凝（níng）土需要加強早期養（yǎng）護。但磨細粉煤灰的加入，有效降低了這種幹縮在高強人工砂混凝土中的發展（zhǎn）；（2）混凝土的抗摻性及抗凍性：在一定範圍內，隨著石粉含量的增加，混凝土密實度（dù）提高，混凝土（tǔ）的（de）抗壓強度、抗折強度（dù）相應的增（zēng）加。有研究人員利用石粉含量11.1%的人工砂配製28d強度為283.MPa~53.2MPa的高性能混凝土，結果表明人工（gōng）砂混凝土的抗滲性和天然砂相同，具有較（jiào）低的氮離子擴散係（xì）數，抗氮離子滲透性高於天然砂，具有優異的抗凍性能。對硬化人工砂（shā）混凝土進行SEM分析（xī），發現人工砂與水泥水（shuǐ）化凝膠結（jié）合緊密，界麵處無裂縫，幾乎分不（bú）出兩者界限。正是這種界麵的強化（huà）使得人工砂混凝土耐久性得以提高。

三、人工砂高（gāo）強（qiáng）混凝（níng）土的研究與應用

隨著各種高效減水劑的廣泛應用，混凝土進一步向高強、高性能（néng）等方向發展。由於（yú）人工砂在混凝土用砂中的市場份額越來越大，進行人工（gōng）砂高強混凝土的研究與應用（yòng）具有重要（yào）的實際意（yì）義。

機製混凝土配合比設（shè）計應采用JGJ55-2000《普通混凝土配合比設計規程》的規定。砂率的選擇主要根據人工砂自身的細度模數（shù）、石粉含量、混凝土強（qiáng）度等級及其他材料的情況經（jīng）實驗確定。石料含量高的人工砂可（kě）以采用（yòng）較低（dī）的砂率，細（xì）度（dù）模數大的人工砂宜選擇（zé）較高的砂率。由於人工砂的表麵粗糙、多棱角，機械齧合力（lì）比較強（qiáng），顆粒（lì）之間的摩擦（cā）力相對大，人（rén）工砂混凝土單位用水量比天然砂混凝（níng）土要（yào）適當增加。

從全級配的角度來考慮，配製人工砂高強混凝土的關鍵之一是要有優良的集料。對於人工砂來說（shuō），就是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。由於高（gāo）強混凝土是富漿混凝土，所以石（shí）粉的含量不（bú）宜太多，同時要通過調整人工砂的細度模數與級配來保證混凝土具有優良的工作（zuò）性能、力學性能和耐久性（xìng）能。

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