從20世紀(jì)60年代起，我過就在一些水利·水電工程及土木建筑工程中開展人工砂的研究與應(yīng)用，經(jīng)過40多年的發(fā)展已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗并形成了系統(tǒng)的理論。受自然環(huán)境的影響，我國缺少優(yōu)質(zhì)天然砂，而富有石灰?guī)r的貴州。四川等省份較早開展人工砂的研究工作。自上世紀(jì)九十年代以來，由于各種工程建設(shè)的急劇增多和天然砂的資源缺乏，北京，上海，河南等省市也相繼開展人工砂的研究。人工砂的應(yīng)用可以更好的保護(hù)環(huán)境，節(jié)約成本，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，應(yīng)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

成功應(yīng)用人工砂的水利，水電工程很多。如三峽大壩二期，三期工程中全部采用花崗巖人工砂作細(xì)骨料：龍灘水電站的混凝土方量為575.6萬m³，采用石灰?guī)r人工砂作細(xì)骨料：烏江構(gòu)皮灘電站采用灰?guī)r生產(chǎn)人工砂：湖北宣恩洞坪水利樞紐工程采用灰?guī)r生產(chǎn)人工砂及人工碎石：湖北天堂抽水蓄能電站，皂市水利樞紐工程采用灰?guī)r生產(chǎn)人工砂，施工時則采用天然砂與人工砂混合的辦法。

很多橋梁工程也廣泛應(yīng)用人工砂。如株洲：六盤水鐵路復(fù)線南山河特大橋使用人工砂做細(xì)骨料配制C55超緩混凝土，重慶嘉陵江黃花園大橋主橋箱結(jié)構(gòu)也使用的人工砂和特細(xì)砂混摻的C50混凝土，均取得較好的應(yīng)用效果。

在商品混凝土應(yīng)用方面，北京世紀(jì)財富中心C60混凝土全為人工砂混凝土。此外，北京恒坤混凝土郵箱公司和北京恒坤拓峰采石有限公司采用干法生產(chǎn)石灰石人工砂，在1年多的時間里累計生產(chǎn)商品混凝土40多萬 m³，多數(shù)使用純?nèi)斯ど埃酆繎?yīng)用范圍達(dá)8％~15％，應(yīng)用于各種工程，取得了很好的效果。2005年北京地區(qū)人工砂的產(chǎn)量已占據(jù)混凝土建筑用砂的10％左右。隨著人們對人工砂認(rèn)識的逐漸深入，以及人工砂質(zhì)量的進(jìn)一步提高，人工砂混凝土所占有的份額必然會逐步增加。

在國外，美國，英國，日本等國家使用人工砂已有幾十年的歷史。美國地質(zhì)勘探局根據(jù)資源利用率和環(huán)保的需要，在1996年對人工砂及其母巖進(jìn)行過調(diào)查，結(jié)果顯示人工砂大致占細(xì)骨料的20％。日本在上世紀(jì)80年代，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.人工砂的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

不同國家制定的人工砂技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不論是級配，細(xì)度模數(shù)還是石粉含量存在差異。愛石粉的含量方面上，我國與國外在規(guī)定含量時考慮角度明顯不同。美國標(biāo)準(zhǔn)ASTM C33-1999《混凝土集料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》是根據(jù)混凝土耐磨要求進(jìn)行規(guī)定的;英國標(biāo)準(zhǔn)BS882:1992《用于混凝土的石料》則根據(jù)重載混凝土路面和普通混凝土規(guī)定人工砂石粉含量的要求；日本標(biāo)準(zhǔn)JIS A 5005:1993《混凝土碎石人工砂》對用于混凝土人工砂石粉含量的要求是統(tǒng)一的；我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14684-2001<建筑用砂》則按混凝土強(qiáng)度等級規(guī)定人工砂中石粉含量。在我國的地方標(biāo)準(zhǔn)中，貴州省DBJ22-016-95《山砂混凝土技術(shù)規(guī)范》和重慶市DB50/5017-2000《混凝土用人工砂質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及控制方法》等也均采用按照強(qiáng)度等級的方法來規(guī)定石粉的含量。不同國家的標(biāo)準(zhǔn)中隊混凝土人工砂石粉的含量的限制是不同的。我過不同地方標(biāo)準(zhǔn)中隊混凝土人工砂十分含量的較高限值也有所不同。

中，日，美對石粉含量限制比較嚴(yán)格。由于正常人工砂生產(chǎn)線過程中會產(chǎn)生10％左右的石粉，嚴(yán)格的石粉含量增加了人工砂的生產(chǎn)成本，同時限制了人工砂的使用。我國哦不同的省市也存在不同的標(biāo)準(zhǔn)要求。相關(guān)的研究表明，人工砂的石粉含量可以比現(xiàn)行國標(biāo)放寬一些，較近，我國擬修訂的建工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ52《普通混凝土用砂石質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)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％（大于等于C60混凝土），和7％（介于C30~C60混凝土之間）和10％（小于C30混凝土），這對人工砂的推廣應(yīng)用將有積極的促進(jìn)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。它的顆粒與形狀多呈三角形或方矩體，表面粗糙，棱角尖銳，一般球形度比天然砂小，目前，人工砂多為級配可以調(diào)整，含有一定量的石粉的中粗砂。由于全國各地生產(chǎn)人工砂的母巖，生產(chǎn)工藝和設(shè)備不同，生產(chǎn)出的人工砂質(zhì)量相差很大。人工砂的質(zhì)量主要受粒形、細(xì)度模數(shù)、級配、石粉含量等影響?，F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中，只要根據(jù)3個因素進(jìn)行規(guī)定，從而確定人工砂的質(zhì)量穩(wěn)定。

1：人工砂的粒形

英國標(biāo)準(zhǔn)BS882:1992《用于混凝土的史料》中對石料形狀分為6個類別：圓形、不規(guī)則行、角錐形、長條形和扁長形。人工砂的粒形主要為角錐形和不規(guī)則行，關(guān)隨著母巖種類。人工砂設(shè)備不同而變化。顆粒的形狀對緊密堆積存在重要影響，實際應(yīng)用中更加期望獲得圓形的顆粒，它不僅有利于緊密堆積，更有利于增加混凝土的工作性。一般來說，制砂設(shè)備導(dǎo)致的顆粒形狀中：棒模式、錘式破碎機(jī)和沖擊式破碎機(jī)等優(yōu)于反擊式破碎機(jī)、圓錐式破碎機(jī)和旋盤是、顎式破碎機(jī)、輥式破碎機(jī)和旋回式較差，但前者制造成本較高。北京恒坤拓峰采石有限公司采用反擊式破碎機(jī)和立軸式破碎機(jī)生產(chǎn)的顆粒形狀方正效率高，細(xì)度模式可控制偉2.4~3.0，石粉含量為2%~18%，同事，干法生產(chǎn)解決了除塵問題。

人工砂的粒形對混凝土的影響主要體現(xiàn)在下面幾個方面：（1）粒形的規(guī)則與否影響到集料自身的緊密堆積成都和空隙率大小，從而影響填充集料空隙的水泥漿體的體積。（2）不規(guī)則的粒形具有更大的比表面積，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能及它與水泥漿體界面的機(jī)械嚙合力等。

2.人工砂的細(xì)度模數(shù)

對于定制生產(chǎn)的人工砂，其細(xì)度模數(shù)是可以控制的。在生產(chǎn)工藝中，通過調(diào)節(jié)不同篩分的比例達(dá)到預(yù)定的細(xì)度模數(shù)。對于加碎石篩除的小于4.75mm的石屑，由于其顆粒級配并沒有嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來配制，所以細(xì)度模數(shù)相差很大，使用時要認(rèn)真選擇控制。對于細(xì)度模數(shù)不合適的人工砂，可以與天然中砂或細(xì)砂等通過實驗確定混合比例后使用。

前面所提及的水利、水電工程中，人工砂的細(xì)度模數(shù)大多控制在3.0以下。如三峽大壩中花崗巖人工砂的細(xì)度模數(shù)為2.7；龍灘水電站中人工砂的細(xì)度模數(shù)為2.9；吳江構(gòu)皮灘電站人工砂的細(xì)度模數(shù)為2.5；天堂抽水蓄能電站人工砂的細(xì)度模數(shù)為2.5。在商品混凝土中使用的人工砂一般為中粗砂。北京市建筑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(xì)度模數(shù)較小，一般在3.0以下。二是與天然砂混合使用的人工砂，它的細(xì)度模數(shù)偏高，一般在3.0以上，個別達(dá)到4.4以上。過大的細(xì)度模數(shù)表明集料中的粗顆粒比例偏大，而0.315mm以下的比例較小。這種人工砂自身很難達(dá)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，并影響到回南寧臺的各種性能。對于過粗的人工砂，一般是采用天然粉砂來補(bǔ)充小于0.315mm部分，從而控制混合砂的細(xì)度模數(shù)在中砂范圍之內(nèi)。如果想是想人工砂完全替代天然砂的目的，就必須通過選擇人工砂設(shè)備和控制生產(chǎn)工藝來生產(chǎn)細(xì)度模數(shù)小于3.0，級配優(yōu)良的優(yōu)質(zhì)人工砂。

對于相同粒形的集料來說，總存在著優(yōu)良的級配。優(yōu)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(tài)，此時空隙率較小。人工砂的級配范圍從幾個μm到4.75mm，其中石粉的平均粒徑一般為30μm~40μm，并起到微填充的作用。當(dāng)人工砂顆粒從4.75mm、2.36mm、1.18mm~0.08mm彼此相互填充時，較后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，適量的石粉含量是有益的。由于當(dāng)前國家標(biāo)準(zhǔn)中十分含量的限制很低，很多人工砂生產(chǎn)企業(yè)采用水洗或者風(fēng)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(dāng)石粉行兩小于3%，細(xì)度模數(shù)較大，此時人工砂的級配一般都比較差，表現(xiàn)為空隙率比較大。我們在調(diào)研過程中發(fā)現(xiàn)：有的人工砂砂石粉含量2.5%、細(xì)度模數(shù)4.3，其松散堆積空隙率為52.6%；石粉含量14.8%、細(xì)度模數(shù)2.7的人工砂的松散堆積空隙率為34.3%。

人工砂的級配直接影響到混凝土中膠凝材料用量。級配優(yōu)良的集料自身緊密堆積后，僅僅需要少量的膠凝材料填充集料的空隙并黏結(jié)顆粒。當(dāng)集料級配較差時，此時具有較大的空隙率，則需要更多的膠凝材料來填充空隙，但成本增加。當(dāng)然隨著緊密堆積程度加大，骨料顆粒只講摩擦力也隨之增長，對混凝土工作性能產(chǎn)生影響。存在較近的顆粒級配，同時滿足膠凝材料用量與工作性能的協(xié)調(diào)。當(dāng)人工砂中的石粉含量少而且級配較差時，混凝土拌合物更加容易產(chǎn)生離析、泌水現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在低強(qiáng)度貧漿混凝土中表現(xiàn)更為明顯。當(dāng)石粉的級配較好時，隨著混凝土中十分摻量的增加，混凝土黏度逐漸變大。對于產(chǎn)生泌水現(xiàn)象的混凝土，可以通過加入石粉的方法來改善混凝土的工作性能。

4.人工砂的石粉含量

石粉是指人工砂中粒徑小于75μm的顆粒含量。含泥量是指天然砂中粒徑小于75μm的顆粒含量。在人工砂生產(chǎn)過程中不可避免的灰?guī)肽?。國家?biāo)準(zhǔn)GB/T14684-2001規(guī)定通過亞甲藍(lán)實驗來判斷粉體材料是石粉還是泥以及它們的相對比例。國標(biāo)規(guī)定亞甲藍(lán)實驗的MB值應(yīng)小于1.4，很多人工砂生產(chǎn)逛街控制MB值在0.5以下，以減小人工砂含泥帶鬼混凝土的負(fù)面影響。

石粉的較佳摻量還與混凝土等級有關(guān)。在低強(qiáng)度等級貧漿混凝土中石粉作用更加明顯，此時石粉主要作為一種有益的惰性材料，起到類似于礦物摻和料的填充作用，石粉的化學(xué)相對要比礦物摻和料的填充作用，石粉的化學(xué)相對要比礦物摻和料小的多。在高強(qiáng)混凝土華總膠凝材料總量本身已經(jīng)很多，加入過量石粉會增加相應(yīng)的黏度，congenial影響到混凝土的各種性能。

石粉在混凝土中的作用主要表現(xiàn)為填充效應(yīng)、品核效應(yīng)和活性效應(yīng)。因此，石粉不僅影響到混凝土的工作性能、力學(xué)性能，還影響到后期的耐久性能。石粉對混凝土耐久性能的影響主要體現(xiàn)在下面幾個方面：（1）混凝土的收縮：石粉含量會增大混凝土干縮，隨著含量的增大，趨勢更加明顯。因此，對人工砂混凝土需要加強(qiáng)早期養(yǎng)護(hù)。但磨細(xì)粉煤灰的加入，有效降低了這種干縮在高強(qiáng)人工砂混凝土中的發(fā)展；（2）混凝土的抗摻性及抗凍性：在一定范圍內(nèi)，隨著石粉含量的增加，混凝土密實度提高，混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度相應(yīng)的增加。有研究人員利用石粉含量11.1%的人工砂配制28d強(qiáng)度為283.MPa~53.2MPa的高性能混凝土，結(jié)果表明人工砂混凝土的抗?jié)B性和天然砂相同，具有較低的氮離子擴(kuò)散系數(shù)，抗氮離子滲透性高于天然砂，具有優(yōu)異的抗凍性能。對硬化人工砂混凝土進(jìn)行SEM分析，發(fā)現(xiàn)人工砂與水泥水化凝膠結(jié)合緊密，界面處無裂縫，幾乎分不出兩者界限。正是這種界面的強(qiáng)化使得人工砂混凝土耐久性得以提高。

三、人工砂高強(qiáng)混凝土的研究與應(yīng)用

隨著各種高效減水劑的廣泛應(yīng)用，混凝土進(jìn)一步向高強(qiáng)、高性能等方向發(fā)展。由于人工砂在混凝土用砂中的市場份額越來越大，進(jìn)行人工砂高強(qiáng)混凝土的研究與應(yīng)用具有重要的實際意義。

機(jī)制混凝土配合比設(shè)計應(yīng)采用JGJ55-2000《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》的規(guī)定。砂率的選擇主要根據(jù)人工砂自身的細(xì)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以采用較低的砂率，細(xì)度模數(shù)大的人工砂宜選擇較高的砂率。由于人工砂的表面粗糙、多棱角，機(jī)械嚙合力比較強(qiáng)，顆粒之間的摩擦力相對大，人工砂混凝土單位用水量比天然砂混凝土要適當(dāng)增加。

從全級配的角度來考慮，配制人工砂高強(qiáng)混凝土的關(guān)鍵之一是要有優(yōu)良的集料。對于人工砂來說，就是要有合適的細(xì)度模數(shù)、石粉含量、良好的級配以及較好的粒形。由于高強(qiáng)混凝土是富漿混凝土，所以石粉的含量不宜太多，同時要通過調(diào)整人工砂的細(xì)度模數(shù)與級配來保證混凝土具有優(yōu)良的工作性能、力學(xué)性能和耐久性能。

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