劉琬真 鄭洋威 薛 飛 崔艷玲

1河南省建科院工程檢測有限公司（450000） 2河南省萬測工程檢測有限公司（450000）3河南省建筑科學(xué)研究院有限公司（450000）

0 前言

砂是生產(chǎn)混凝土最主要的原材料，占集料40%左右。以往施工中主要采用天然河砂，但經(jīng)過多年的建設(shè)開采，天然河砂的資源急劇減少，有些地區(qū)天然河砂已近枯竭。近期隨著環(huán)保力度的加強(qiáng)，地方政府為保護(hù)江堤河壩、保護(hù)生態(tài)平衡，加大了禁采天然河砂的力度，使得天然河砂一直處于緊缺或無砂可供狀態(tài)。

河南省同樣面臨上述問題，自2018年年初至今天然河砂價(jià)格持續(xù)暴漲，且基本處于有價(jià)無貨狀態(tài)。隨著天然河砂的緊缺，各種低質(zhì)量河砂、山砂甚至海砂流入市場，給工程質(zhì)量造了嚴(yán)重的隱患，因此研究人工砂的應(yīng)用非常必要和緊迫。

人工砂的優(yōu)點(diǎn)是材料來源廣泛，質(zhì)量易于把控，經(jīng)合理調(diào)控使用性能同天然河砂相當(dāng)，能夠滿足建設(shè)需求，而且應(yīng)用成本具有巨大優(yōu)勢，是未來建設(shè)市場的發(fā)展方向，對環(huán)境保護(hù)也非常有利。但是人工砂也有其自身的缺點(diǎn)，如質(zhì)量低下問題，因此合理、科學(xué)地采用人工砂生產(chǎn)混凝土將帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，是混凝土應(yīng)用發(fā)展的必然趨勢。

1 河南地區(qū)人工砂質(zhì)量調(diào)查

為了了解河南地區(qū)人工砂的現(xiàn)狀，筆者在豫南、豫北、豫西及鄭州地區(qū)采集數(shù)份人工砂進(jìn)行了試驗(yàn)，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以基本了解河南地區(qū)人工砂的質(zhì)量。豫東地區(qū)和南陽盆地是廣袤的平原，基本沒有山體，砂石來源主要依靠臨近地區(qū)，故沒有取樣。豫北、豫西及豫南山區(qū)主要為基巖出露區(qū)，巖石固結(jié)，表觀密度一般大于2500kg/m3，適宜生產(chǎn)混凝土用骨料，故取樣主要集中在這三個(gè)地區(qū)。鄭州是河南省建筑體量最大的地區(qū)，對建筑用砂的需求數(shù)量驚人，是本次試驗(yàn)取樣不能忽略的地區(qū)。

對采集到的人工砂樣品，按照國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行篩分析、堆積密度、緊密密度、表觀密度、孔隙率、MB值、石粉（泥粉）含量、壓碎值等參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)檢測。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 人工砂物理性能

經(jīng)試驗(yàn)分析，所有樣品中的堆積密度、緊密密度、表觀密度、孔隙率、壓碎指標(biāo)值均基本滿足配制普通混凝土的需要，符合JGJ52—2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對普通混凝土用砂的技術(shù)要求。

MB值各地均出現(xiàn)了大于1.4的現(xiàn)象，說明目前人工砂中的粉料多是泥粉，且對應(yīng)的含泥量大多超出了標(biāo)準(zhǔn)限定的范圍，這也印證了在人工砂的使用過程中頻繁出現(xiàn)的和易性事故和含泥量太大有直接的關(guān)系。

細(xì)度模數(shù)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，所有人工砂均在中砂和粗砂的范圍，沒有細(xì)砂，且大多數(shù)是粗砂。從細(xì)度模數(shù)來看，所有人工砂均能滿足配制普通混凝土的需要，無非就是提高和降低砂率的問題。

在人工砂篩分析試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)各篩累計(jì)篩余數(shù)據(jù)異常，跟級配較好的天然砂篩分析試驗(yàn)中各篩累計(jì)篩余相比，人工砂的各篩累計(jì)篩余數(shù)據(jù)多不符合標(biāo)準(zhǔn)給定的三個(gè)級配區(qū)，也就是說人工砂的級配不合理。依據(jù)JGJ52—2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》標(biāo)準(zhǔn)，每一個(gè)人工砂樣品均能測得其細(xì)度模數(shù)從而確定其為粗中細(xì)砂，但是顆粒級配卻不一定合理。進(jìn)一步分析各篩分計(jì)篩余發(fā)現(xiàn)，多數(shù)的人工砂均出現(xiàn)不同程度的“斷檔”，也就是天然砂中某一公稱粒徑的顆粒極少或者不存在，致使人工砂顆粒不連續(xù)。據(jù)此，在其他原材料和配合比不變的情況下，人工砂配制普通混凝土和易性不好的情況，和人工砂顆粒級配不合理有很大關(guān)系。

壓碎指標(biāo)的數(shù)據(jù)表明，河南地區(qū)的出露巖石生產(chǎn)普通混凝土用砂大多沒有問題，在配制高強(qiáng)混凝土?xí)r，應(yīng)優(yōu)先選用壓碎指標(biāo)較低的產(chǎn)品。依據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，河南地區(qū)級配合理且顆粒規(guī)整的人工砂的壓碎指標(biāo)多在15%以下。本次試驗(yàn)中大多人工砂的壓碎指標(biāo)大于15%的原因，更多的來自于其粒型不規(guī)整，針狀、片狀、尖銳顆粒較多的情況。

在人工砂取樣時(shí)，由于條件限制，采集的樣品多是質(zhì)地較好、來源清晰、質(zhì)量較穩(wěn)定的人工砂樣品。在采樣的過程中發(fā)現(xiàn)，個(gè)別混凝土預(yù)拌企業(yè)采用當(dāng)?shù)鼗蚺R近地區(qū)的山體表層含有大量風(fēng)化巖石、疏松頁巖和黏土生產(chǎn)的人工砂配制混凝土，這類巖石生產(chǎn)的人工砂是否能用在混凝土中，還需要更多的試驗(yàn)研究，不能盲目使用。

2 人工砂應(yīng)用研究

為了研究人工砂在配制普通混凝土中的應(yīng)用狀況，結(jié)合目前人工砂的質(zhì)量現(xiàn)狀，試驗(yàn)采用市場用量最大的石灰?guī)r人工砂配制混凝土，鑒于直接購買得到的人工砂顆粒級配不合理的情況，對人工砂采用復(fù)合天然砂或其他粒徑的人工砂制成滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的混合砂。

2.1 原材料

采用P·O42.5天瑞水泥，性能滿足GB175—2007標(biāo)準(zhǔn)要求；28d抗折強(qiáng)度為8.2MPa，28d抗壓強(qiáng)度為48.7MPa。

碎石采用5～20mm連續(xù)粒級碎石，巖石類型為石灰?guī)r，性能滿足JGJ52—2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

采用F類Ⅱ級粉煤灰，性能滿足GB/T1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的要求。

外加劑采用聚羧酸減水劑，性能滿足GB 8076—2008《混凝土外加劑》標(biāo)準(zhǔn)HWR-R的要求，減水率20%。

人工砂采用豫南-2，性能見表1。配制混合砂用的其他人工細(xì)砂由與豫南-2同類的巖石制成，配制混合砂的特細(xì)砂采自黃河沿岸，細(xì)度模數(shù)1.1。天然砂符合JGJ52—2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的要求，Ⅱ區(qū)中砂。

表2 混凝土配合比（kg/m3）

2.2 人工砂對混凝土拌和物性能的影響

從表2和表3可以看出，用豫南-2人工砂配制混凝土?xí)a(chǎn)生泌水現(xiàn)象，并影響抗壓強(qiáng)度，不適宜直接配制混凝土。機(jī)制砂宜與人工細(xì)沙或特細(xì)砂搭配使用，合理的混合人工細(xì)沙和特細(xì)砂可以有效較少泌水和提高強(qiáng)度。人工砂混凝土1h坍落度損失較天然砂混凝土大，其主要原因是該豫南-2人工砂含泥量大造成。

2.3 人工砂對硬化混凝土性能的影響

從表3可以看出，在混凝土配合比基本相同的情況下，使用人工砂配制混凝土的強(qiáng)度明顯低于人工砂混凝土。在設(shè)計(jì)強(qiáng)度一定的情況下，使用人工砂配制混凝土需要比天然砂采用更高的水泥用量或更低的水膠比。由于人工砂混凝土有泌水現(xiàn)象，實(shí)際施工過程中很容易嚴(yán)重泌水甚至離析，在這種情況下澆筑的混凝土內(nèi)部由于失水造成較多相互連通的空隙，其耐久性尤其是抗水滲透性會明顯降低。

表3 混凝土性能

3 人工砂應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)及延伸思考

3.1 人工砂的優(yōu)點(diǎn)

在礦山和生產(chǎn)設(shè)備一定的情況下，人工砂的質(zhì)量穩(wěn)定且便于控制，可以有效減少技術(shù)人員的負(fù)擔(dān)和保證混凝土質(zhì)量。

機(jī)制砂是由巖石經(jīng)破碎得到，在破碎、整形、分選等環(huán)節(jié)科學(xué)合理的情況下，含泥量的有效控制有利于混凝土的配制。

人工砂都含有一定量的粉料。在控制泥粉含量的前提下，一定量的石粉對混凝土的性能影響較小，還能改善混凝土的性能，這是因?yàn)槭酆湍喾劬切∮?.08mm的細(xì)小顆粒。泥粉對外加劑有較強(qiáng)的吸附作用，能阻礙骨料與水泥石的結(jié)合。石粉對外加劑的吸附作用較小，可以有效填充水泥與細(xì)骨料之間的空隙，改善混凝土的結(jié)構(gòu)及性能。根據(jù)有關(guān)資料，當(dāng)石粉足夠細(xì)的時(shí)候，可參與水泥的水化，在水泥水化過程中擔(dān)負(fù)結(jié)晶核的作用，促進(jìn)混凝土強(qiáng)度的提高。

3.2 人工砂的缺點(diǎn)

目前市場上的人工砂大多較粗，為保證混凝土質(zhì)量，需提高砂率或摻加細(xì)沙，但這會使用水量增加，從而間接造成膠凝材料和混凝土外加劑的用量增加，導(dǎo)致混凝土成本上升。

人工砂在生產(chǎn)過程中會使用大量的水，在有效降低含泥量的同時(shí)，也造成其含水率過大。過大的含水率會給混凝土的生產(chǎn)帶來不利的影響。生產(chǎn)人工砂的破碎工藝，會造成人工砂顆粒均存在細(xì)微的裂縫，表面粗糙，且顆粒不規(guī)整，針狀、片狀、尖銳顆粒較多，使得人工砂混凝土不適宜生產(chǎn)大坍落度混凝土，如坍落度較大則極易造成泌水甚至離析。

劣質(zhì)人工砂給混凝土生產(chǎn)帶來危害。在人工砂大量需求的當(dāng)前，有些供應(yīng)商采取山體表層質(zhì)地不好的巖石生產(chǎn)人工砂，其含泥量、顆粒級配、粒型等均不能滿足配制混凝土的需要。

當(dāng)前人工砂應(yīng)用層面最大的問題在于絕大多數(shù)人工砂存在顆粒級配不合理的狀況，某一級或多級公稱粒徑的篩余（分計(jì)篩余和累計(jì)篩余）不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)語

提高人工砂的生產(chǎn)水平，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，在生產(chǎn)階段就實(shí)現(xiàn)滿足混凝土的質(zhì)量要求，無需在預(yù)拌混凝土企業(yè)再進(jìn)行各種混合，是以后一定時(shí)期需要解決的問題。

在人工砂存在各種質(zhì)量問題的情況下，對人工砂進(jìn)行混合優(yōu)化，摻加斷檔的粒級，可以在一定程度上解決人工砂配制混凝土的難題。

當(dāng)前可以指導(dǎo)人工砂應(yīng)用的現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)是JGJ52—2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》和GB/T14684—2011《建筑用砂》，這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)的設(shè)置上，更適用于天然砂，對人工砂的質(zhì)量要求只是石粉含量和壓碎指標(biāo)上，這些參數(shù)還不足以表征人工砂的質(zhì)量，應(yīng)增加人工砂分計(jì)篩余、人工砂流動度、人工砂需水量比、人工砂吸水率、人工砂含水率等參數(shù)，全面表征人工砂的各項(xiàng)性能，有效指導(dǎo)人工砂的應(yīng)用。