人工製（zhì）砂的行業標準

從20世紀60年代起，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（jīng）過40多年的發展已經積累了豐富的經驗並（bìng）形成（chéng）了（le）係統的理論。受自然環境（jìng）的影響，我（wǒ）國缺少優（yōu）質天然砂，而富有石灰岩的貴州。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（gè）種工程建設的（de）急劇增多和天然砂的資源缺乏，北京，上海，河南（nán）等省市也相繼開（kāi）展人工砂的研究。人工砂的應用可以更好的保護環境，節約成本，實現可持續發展（zhǎn），應用（yòng）人工砂代替天然砂已勢在必行！

一. 人工砂概況

1.人工砂的（de）工程應用

成功應（yīng）用人工砂的水利，水電（diàn）工程很多。如三（sān）峽大（dà）壩二期，三期工程中全（quán）部采用花崗岩人工砂作細骨（gǔ）料：龍灘水電站（zhàn）的混凝土（tǔ）方量為575.6萬m³，采（cǎi）用石灰岩人工砂作（zuò）細骨料：烏江構皮灘電站采（cǎi）用灰岩生（shēng）產人（rén）工（gōng）砂：湖北宣（xuān）恩洞坪水利樞紐工程采用灰岩生產人工（gōng）砂及人工碎石：湖北天（tiān）堂抽（chōu）水蓄能電站，皂市水利樞（shū）紐（niǔ）工程（chéng）采用灰岩生產人（rén）工（gōng）砂（shā），施工時則（zé）采用天然砂與人工砂混合的辦法。

很多橋梁工程也廣泛應用人工砂。如株（zhū）洲：六盤水鐵路（lù）複線南山河特大橋使（shǐ）用人（rén）工砂做細骨料配製C55超緩混凝土，重慶嘉（jiā）陵江黃花園大橋主橋箱結構也使用的人工砂和特細砂混摻的C50混凝（níng）土，均（jun1）取得較好（hǎo）的（de）應用效果。

在商品（pǐn）混凝土應用方麵，北京世紀財富中心C60混凝土全（quán）為人工砂混凝土。此外（wài），北京（jīng）恒坤混凝土（tǔ）郵箱公司和北京恒坤拓（tuò）峰采石（shí）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（hǎo）的（de）效（xiào）果（guǒ）。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（duì）人工砂認（rèn）識的逐漸深入，以（yǐ）及人工砂質量的進一（yī）步提高，人工砂混凝土所占（zhàn）有的份額必然會逐步（bù）增加。

在（zài）國外，美國，英國，日本等國家使用（yòng）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，在1996年對人工（gōng）砂及其母岩進行過調（diào）查，結果顯示人工砂大致占細骨料的20％。日本在（zài）上世紀80年代，天然集（jí）料與（yǔ）人工集料的使用比例大約為（wéi）0.9:1，而到90年代則降為0.5:1。

2.人工砂（shā）的技術標準

不同（tóng）國家製（zhì）定的人工砂技術標準不（bú）論是級配，細（xì）度模數還是（shì）石粉含量存在差異。愛（ài）石粉（fěn）的含量方（fāng）麵上，我國與國（guó）外（wài）在規定含量時考慮角度明顯（xiǎn）不同。美國標（biāo）準ASTM C33-1999《混凝土集（jí）料標準規範》是根據混凝土耐（nài）磨要求進行規定的;英國標準BS882:1992《用於混凝土的石料》則（zé）根據重（chóng）載混凝土路麵和普通混凝土規定人工砂石粉含量的要求；日本標準JIS A 5005:1993《混凝土碎石人工砂》對用（yòng）於混凝土人工砂石粉（fěn）含量的要求是統一的；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砂中（zhōng）石粉（fěn）含量。在我國的地方標（biāo）準中，貴州省DBJ22-016-95《山砂混凝土技術規範》和（hé）重慶市DB50/5017-2000《混凝土（tǔ）用人工砂質（zhì）量標準及控製方法》等（děng）也均采用按照強度等級的方法來規定石粉的含量（liàng）。不同國家的標準中隊混凝土人工砂石粉的含量的限製是不同的。我過不同地方標準中隊混凝土人工砂十分含量的較高限值也有所不同（tóng）。

中，日，美對石粉含量限製比較嚴（yán）格。由於正常人工（gōng）砂生產線過程中會產生10％左右的石粉，嚴格的石粉含量增加了人工砂的生（shēng）產（chǎn）成本，同時限製了人工砂的使用。我國（guó）哦不同的省市也存在不同的標準要求。相關（guān）的研究表明，人工砂的石（shí）粉含量（liàng）可以比現行國標放寬一些，較近，我國擬修訂的建工行業標準JGJ52《普通混（hún）凝土用砂（shā）石質量標準及檢驗方法》征求意見稿中，提出將人工砂中的石粉含量放寬為5％（大於等（děng）於（yú）C60混凝土），和7％（介於C30~C60混凝土之間）和10％（小於C30混（hún）凝土），這對人工砂的推廣應用（yòng）將有積極的促進作用。

二. 人工砂的性能特征

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（duō）呈三角形或方矩體，表麵粗糙（cāo），棱角尖銳，一般球形度比天然砂小，目前，人工（gōng）砂多為級配可以調整，含有一定量的石（shí）粉的中粗（cū）砂。由於全國各地生產人工砂的母岩，生產工藝和設備不（bú）同，生產出的（de）人工砂質量相差很大。人工砂的質量主要（yào）受粒形、細（xì）度模數、級配、石粉含量等影響。現行標準中，隻要根據3個因素（sù）進行（háng）規定，從而（ér）確定人工砂的質量穩定（dìng）。

1：人工砂的粒（lì）形

英國標準（zhǔn）BS882:1992《用於混凝土的史料》中對（duì）石料形狀分為6個類別：圓形、不規則行、角錐形、長（zhǎng）條（tiáo）形和扁長形。人工砂的粒形主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要（yào）影響，實際應（yīng）用中更加期（qī）望（wàng）獲得圓形的顆粒，它不僅有利於（yú）緊密堆積，更（gèng）有利於增加混凝土（tǔ）的（de）工作性。一（yī）般來說，製砂設備導致的顆粒形狀中（zhōng）：棒模式、錘式破碎機和衝擊（jī）式破碎機等（děng）優於反擊式（shì）破碎機、圓錐（zhuī）式破碎機和旋盤是、顎式破碎機、輥式破碎機和旋回（huí）式較差，但前者製造（zào）成本較高。北京恒坤（kūn）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效率（lǜ）高，細度模式可控製偉2.4~3.0，石粉含量為2%~18%，同事，幹法生產解決了（le）除塵問題。

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

2.人工砂的細度模數

對於定（dìng）製生產的人（rén）工砂，其細度模數是可以控（kòng）製的。在生產工藝中（zhōng），通過調節不（bú）同篩分的比例達到預（yù）定的細度模數。對於加碎石篩除（chú）的小（xiǎo）於4.75mm的石屑，由於其顆粒級配並沒有嚴（yán）格按照相關標準（zhǔn）來配製，所以細度（dù）模數相（xiàng）差很大，使用時要認真選擇控製。對於（yú）細度模數不合適的人工砂，可以與天然中砂或細砂等通過實（shí）驗確定混合比（bǐ）例（lì）後（hòu）使（shǐ）用。

前麵所提及的水利、水電工程中，人（rén）工砂的細度模數大多控製在3.0以下。如三峽大壩中（zhōng）花崗岩（yán）人工砂的細度模數為2.7；龍灘水電站中人工砂的細度模數為2.9；吳江構皮灘電（diàn）站人工（gōng）砂的細度（dù）模數（shù）為2.5；天堂抽水蓄能電站人工砂的細度（dù）模數為2.5。在商品混凝土中使（shǐ）用（yòng）的人工（gōng）砂一般為中粗砂。北京市（shì）建築市場目（mù）前存在兩種人工砂：一是完全替（tì）代天（tiān）然砂的人工砂，這種人（rén）工砂（shā）細度模數較（jiào）小，一般在3.0以下。二（èr）是（shì）與天然（rán）砂混合使用的人工砂，它的（de）細（xì）度模數偏高，一般在3.0以上，個別達（dá）到4.4以（yǐ）上。過大的細度模數表明集料中的粗顆粒比例偏大，而0.315mm以（yǐ）下的比例較小。這種人工（gōng）砂自身很難達到較緊密堆積狀態（tài），從而增加了混凝土中膠凝材料的總量，並影響到回南寧台的各種性能。對於過粗的人工砂，一般是采用天然粉砂來（lái）補充小於0.315mm部分，從而控製混合砂的細度模數（shù）在中砂範圍之內。如果想是想人工砂完（wán）全替代天然砂的目的，就（jiù）必須通過選擇人工砂設備和控製生（shēng）產工藝來生產細度模數小於3.0，級配優良的優質人工（gōng）砂。

對於相同粒形的集料來說，總存在著優良的級配。優良的級配意味著集料自身能夠通（tōng）過大小顆粒的較佳比例來（lái）接近較緊（jǐn）密的堆積狀態，此時空隙率較小。人工砂的級配範圍從幾個μm到4.75mm，其中石粉的（de）平均粒徑一般（bān）為（wéi）30μm~40μm，並起到微填充（chōng）的作用。當人工砂顆粒從4.75mm、2.36mm、1.18mm~0.08mm彼此相（xiàng）互填充時（shí），較後的空隙需要一定量的十分來填充。從級配及堆積的角度來考慮，適量的石粉含量（liàng）是有益的。由於當前國家標準中十分含量的限製很低，很多人工砂生產企業采用水洗或者風選方式來除去超標（biāo）的石粉，但與此同時破壞了人工砂的級配。當石粉行兩小於3%，細度模數較大，此時人（rén）工砂的級（jí）配一般都比較差，表現為空隙率比較大。我（wǒ）們在調（diào）研過程中發現：有的人工砂砂石粉含量2.5%、細度模（mó）數4.3，其鬆散堆（duī）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（hún）凝（níng）土中膠凝材料用量。級配優良的集料自身緊密（mì）堆（duī）積後，僅僅需要少量的膠凝材料填充集料（liào）的空隙並黏結顆粒。當集料級配較差時，此時具有（yǒu）較大的空隙率，則需要更多的膠（jiāo）凝材料來填充空隙，但成本（běn）增加。當然隨著緊密堆積程度加大，骨料顆（kē）粒隻講（jiǎng）摩擦力也隨之增長，對混凝土工作性能產生影響。存在較近的顆粒級配，同時滿足膠凝材（cái）料用量與工（gōng）作性能的協調。當人工砂中（zhōng）的石粉（fěn）含量少而且級配較（jiào）差時，混凝土拌合物更加容易產生離析、泌水現象，這種現象在低強度貧漿（jiāng）混凝土中表現更為明顯（xiǎn）。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（zhú）漸變大。對於產（chǎn）生泌水現（xiàn）象的混（hún）凝土，可以通過加入石粉的方（fāng）法來改善混凝土（tǔ）的工作性能。

4.人工砂的石粉含（hán）量

石粉是指人工砂中粒（lì）徑小於（yú）75μm的顆粒含量。含泥量是指天然（rán）砂中粒徑小於75μm的顆粒含量。在人工砂生（shēng）產過程中不（bú）可避免的灰帶入泥（ní）。國家標準GB/T14684-2001規定通過亞（yà）甲藍實驗來判斷粉體材料（liào）是石粉還是泥以及它們的相（xiàng）對比（bǐ）例（lì）。國（guó）標規定亞甲藍實驗的MB值應小於1.4，很（hěn）多人工砂生產逛街控製MB值在0.5以下，以減小人工砂含泥帶鬼混凝土的負（fù）麵影響。

石（shí）粉的（de）較佳摻量還與（yǔ）混凝土等級有關（guān）。在低強度等級貧漿（jiāng）混凝土中石粉作用更加明顯，此時（shí）石粉主要作為一種有益的惰（duò）性材料，起到類似於礦物摻和料的填充作用，石粉的化（huà）學相對（duì）要比礦物摻和料的（de）填充作用，石粉的化學相對要比（bǐ）礦物摻和（hé）料小的多。在高強混凝（níng）土華總膠凝材料總量本身已經很多，加入過量石粉會增加相（xiàng）應的黏度，congenial影響到混凝土的各種性能。

石粉在混凝（níng）土中的作用主要表現為填充效（xiào）應、品核效應和活性效應。因此，石粉不僅影響到（dào）混凝土的工作性能、力學性能，還影響到後期的耐久性能。石粉對混凝土（tǔ）耐（nài）久性能的影響主要體現在下麵幾個方麵：（1）混凝（níng）土的收縮：石粉含量會增大混凝土幹（gàn）縮，隨著含量的增大（dà），趨勢更加明顯。因此，對人工砂混（hún）凝土需要加（jiā）強早期養（yǎng）護。但磨細粉煤灰的加（jiā）入，有效降低了這種（zhǒng）幹縮在高強人工砂混凝土中的發展；（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（de）增加，混凝土密實度提高，混凝土的抗壓強度（dù）、抗折強度相應的增加。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，結果表明人工砂混（hún）凝土的抗滲性和天然砂相同，具（jù）有較低的氮離子擴散係數（shù），抗氮離子（zǐ）滲透性高於天然砂，具有優異（yì）的抗凍性能。對硬化人工（gōng）砂混凝土進行SEM分析，發現人工砂與水泥水化凝膠（jiāo）結合緊密，界麵處無裂縫，幾乎（hū）分不出兩者界限。正是這種界麵的強化使得人工砂（shā）混凝土（tǔ）耐久性得以（yǐ）提高。

三、人（rén）工（gōng）砂高強混凝土的研（yán）究（jiū）與（yǔ）應用

隨著各（gè）種（zhǒng）高效減水劑的（de）廣泛應用，混（hún）凝土進一步向高強、高（gāo）性能等方向發展。由於人工砂在混凝土用砂中的市場份額越來越大（dà），進（jìn）行（háng）人工砂高強混凝土的研（yán）究（jiū）與應用具有重要（yào）的實際意義。

機製混凝土配合比設計應采用JGJ55-2000《普通（tōng）混（hún）凝土配合比設計（jì）規程》的規定。砂率的選擇主要根（gēn）據人工砂自身的細度模數、石粉含量、混凝土強度等（děng）級（jí）及其（qí）他材（cái）料的（de）情況經實驗確定。石料含量（liàng）高的人工砂可以采用較低的砂率，細度模數大的人工砂宜選擇較高（gāo）的砂率。由於人工砂的表麵粗糙（cāo）、多棱角，機械齧（niè）合力比較強，顆（kē）粒（lì）之間的（de）摩擦力相對大，人工（gōng）砂混凝土單位用水量比天然砂混凝土要適當增加。

從全級配的角度來考慮，配製人工砂高強混凝土（tǔ）的關鍵（jiàn）之一是要有優良的集料。對於人（rén）工砂來說（shuō），就是要有合適的細度模數、石粉含量、良好的級（jí）配以（yǐ）及較好的粒形。由於高強混凝（níng）土是（shì）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（de）細度模數與級配來保證混凝土具（jù）有優良的（de）工作性能、力學（xué）性能和耐久性能。

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