摘要：人工砂是一種新型建設用砂。本文綜述了我國人工砂發展的由來，介紹了人工砂的定義、表征、優勢與特點，認為不能把人工砂僅作為天然砂的替代品來簡單認識和使用，在應用中要重視對其標準指標的嚴格控制，正確認識和使用石粉。強調了骨料在混凝土中的作用，總結了用人工砂配制混凝土的普遍規律和結果。說明了正確使用人工砂的混凝土有利于骨料與水泥、骨料之間的結合、孔隙率小，做到密實度大、強度高、抗滲、抗凍性能好。指出了人工砂混凝土在施工中要注意的主要問題，提出了目前人工砂生產存在的主要問題和解決對策。認為資源問題、提高對人工砂認識、加強市場建設和管理是發展人工砂的關鍵。
一、人工砂的發展由來
與其它用于結構的建筑材料相比，混凝土是相對耗能最低的材料，在基本建設中應用最為廣泛。占混凝土質量的6/7左右砂、石是混凝土的骨架。是消耗自然資源最大的材料，據估算，現全國每年建筑骨料用量約為70多億噸。由于天然砂石是一種地方性材料，受資源和運輸的限制。從20世紀60年代起，水電系統的土木建設工程就開始就地取材，進行機制砂石的生產和應用的研究，并開始在工程上使用。在建筑上開始應用較早的是貴州省，并于1978年制定了我國第一個山砂（人工砂）的地方標準，以后，云南、河南也相繼出臺了人工砂地方標準或使用規程。我國的香港也是使用人工砂較早的地區，其執行的英國標準BS882明確人工砂的品種和技術要求至少40年以上。但上述行業和地區只限于局部，在全國建筑業對人工砂了解的極少，還是以天然砂為建設用砂。
隨著基本建設的日益發展，在我國不少地區經過幾十年的開采，有限的天然砂資源已經用盡，價格不斷上漲，影響了工程建設的進展。在經濟利益的驅使下，很多地區都出現了亂采亂挖天然砂的情況，在現有的江河開采，改變河道走向、水流、影響河堤安全、破壞魚類生存環境、影響防洪、污染水質、影響景觀。在古干河道開采，破壞農田或植被、破壞鐵路、橋梁與電力設施、嚴重污染空氣和環境，同時，天然砂生產方式的落后，造成砂質量混亂與下降，直接影響工程質量。出于對環境和資源的保護，國家和各地政府嚴格限制或禁止開采天然砂法規和政策的出臺，進一步減少了天然砂的來源。
隨著混凝土技術的迅速發展，現代混凝土對砂的技術要求則越來越高，特別是高性能混凝土、結構混凝土的耐久性對骨料的要求很嚴，要求骨料具有穩定的質量，高強度、良好級配和粒型，而能滿足其要求的天然砂數量越來越少,甚至沒有，嚴重地制約了高性能混凝土的發展，影響了混凝土的耐久性，進一步造成能源和資源的浪費，尋找新砂石迫在眉睫。
我國有大量的金屬礦和非金屬礦，在采礦和加工過程中伴隨產生約20%—80%的尾礦，有相當尾礦沒有合理利用，已約有上百億噸的尾礦大量堆積，特別是小型礦山，尾礦隨意堆放，占用土地，污染環境，埋下隱患，造成重大事故。而如果經過適當分選與加工，不少尾礦就可以制成人工砂石。既解決了污染等問題，又提高了自然資源利用率，形成綜合效益，完全符合建設資源節約型、環境友好型社會的科學發展觀和可持續發展的國策。
自90年代以來，北京、天津、上海、重慶、廣東、福建、浙江、河北、山西、四川、江蘇等省市都相繼開展了人工砂的使用研究，先后建立了少量的人工砂生產線。為適應新形勢的發展，2002年2月1日起實施的國標GB/T14684-2001《建筑用砂》首次增加了人工砂種類，確定了人工砂為新的砂源，明確提出我國的人工砂不能只限定于國外單純用礦山原料加工的機制砂，同時要發展用尾礦加工制成的人工砂；另外，增加了我國人工砂中的混合砂品種，鼓勵在挖掘天然河砂的同時，把原來丟棄的大小卵石加工成機制砂，或利用其它尾礦機制砂與天然砂混合制成人工砂，達到充分利用資源，降低生產成本，減少環境破壞的目的。同時，提出了適應資源復雜化后的人工砂質量要求和新的試驗方法，為全國人工砂的發展打開了技術通道和基礎。
二、人工砂的特性
因在大多數情況下混凝土對骨料本身巖石的礦物類型沒有特殊的要求，不按其礦物成分分類。只需要具有足夠高的硬度和強度、良好的級配和粒形，不含有害雜質、粘土和有機物等雜質，化學穩定性好，用于民用建筑還要具備低的放射性。故國標GB/T14684-2001中把人工砂定義為經除土處理的機制砂、混合砂的統稱。實際從廣義上講，其它行業用的燒結砂等都為人工砂，只不過因歷史形成等的關系，在建設行業人工砂即為建筑用砂。
機制砂：由機械破碎、篩分制成的，粒徑小于4.75 mm的巖石顆粒，但不包括軟質巖、風化巖石的顆粒。
混合砂：由機制砂和天然砂混合制成的砂?；旌仙皼]有混合比例限制（根據砂源情況和使用需要具體配制），但必須執行人工砂的技術要求和試驗方法。
用卵石制成人工砂外觀與天然砂區別不大，特別是混合砂，用戶很難區別，推廣較容易。用巖石或尾礦生產的機制砂從顏色到組成與天然砂區很大，尤其干法生產人工砂的顯得石粉很多，只要石粉含量的達10%左右時，看上去就像都是石頭粉（或土）一樣，使人心產疑慮，不敢使用。
目前，國內人工砂生產主要有兩種形式，一種是專門生產的機制砂，其級配、細度模數均可做到優于天然砂，粒型也可與天然砂相似。再一種是利用各種尾礦附帶生產或產生的，這是目前人工砂的主體。其中，多數是生產碎石后的石屑經過簡單加工和篩分或直接利用。由于其母巖礦物和材質不同、加工機械與工藝不同、它的顆粒級配、粒形、石粉含量及質量差別很大。顆粒級配多為兩頭大中間小，粒型呈三角體或方矩體，表面粗糙，棱角尖銳，有的片狀顆粒較多，細度模數在2.6-4.0之間，大多偏粗，含有5%-18%的石粉。其次就是鐵礦尾礦砂加工的人工砂，與石屑的主要區別是細度模數在0.8-2.5之間，多數偏細，含2%-5%的石粉，級配、粒型稍好。機制砂生產過程又分為干法、半干法和濕法。
人工砂的母巖，除了石灰巖為主要料源外，花崗巖、砂巖、石英巖、流紋巖、玄武巖、閃長巖、片麻巖、輝綠巖、凝灰巖等多種巖石都可以使用。
由于人工砂原料、生產方式和過程的不同，就不能把人工砂僅作為天然砂的替代品來簡單認識和使用。
與天然砂相比，人工砂有四大優勢。
資源優勢：可利用各種廢棄資源，符合科學發展觀和節約、循環型經濟。
管理優勢：有穩定的法人主體，實行生產許可，有固定的經營場所。
質量優勢：料源固定、穩定，機械化的生產方式，保證了產品的質量穩定、可調、可控。
品質優勢：有較高的表面能和親水性；有完整的級配，尤其有小于75祄石粉的微級配；有多種的礦物成分可選擇；顆粒級配穩定、可調整；粒形可改善。
人工砂的特點是，多棱角立方體，含有一定量的石粉，表面粗糙，比表面積大，（即便是粒型較好的人工砂顆粒，其表面積仍比天然砂要大很多），各產品的各項指標之間的差別大。
三、人工砂的應用與需要注意的問題
國標實施后，人工砂在全國得到迅速發展。北京、上海、重慶、天津都以國標為依據，制定了人工砂的地方標準。河南和貴州修訂了人工砂的地方標準。建筑、交通等行業標準中增加和修訂了人工砂的內容。北京每年約3000萬噸的建筑用砂絕大部分為人工砂。首鋼遷安礦業公司、安鋼舞陽礦業公司等諸多鐵礦用尾礦生產人工砂產量已達上千萬噸。
在已有的工程實踐中，用人工砂已配制出了從C10-C70的普通混凝土和泵送混凝土，泵送最大高度達400m；配制出跨度達64m的予應力混凝土粱。在試驗室設計強度C100的人工砂混凝土90天實際強度達到155Mpa。人工砂已廣泛應用在混凝土結構、砂漿和制品中。
目前在建設業，人工砂主要用于配制混凝土，并以預拌混凝土為主。由于人工砂有自身有很強的特點，在應用時就要揚長避短，根據人工砂的特性使用。除了要發揮人工砂的各項優勢外，在具體技術層面，要注意以下幾個問題。
1 認真執行人工砂標準的各項技術要求。
天然砂因自然力形成，其產生過程和開采工藝基本一致，導致天然砂的粒型基本為球體、表面光滑、比表面積小，成分多為硅質、堅固性基本合格、級配中都缺少微細級配部分，不同僅為粗級配、細度與雜質。由于級配無法人為控制，又受成本和資源的限制，天然砂除含泥量、氯離子含量等有害物質控制較嚴外，它的使用和在標準上的要求都相對簡單和粗放，但在使用中也不會產生很大的問題。
人工砂因所用原材料的成分與石質、生產設備、工藝等因素，會在粒型、級配、堅固性、石粉含量等方面都有很大的差別，如果也簡單和湊合使用就會產生的明顯不同。例如，人工砂配制混凝土一般需水量增大，和易性差，解決的辦法就是要保證其基本的粒型、合適的級配與適量的石粉。如何保證，國標中在人工砂的技術要求中做出了明確規定。比如，人工砂用壓碎指標來控制軟質巖、風化巖和針片狀顆粒含量、規定級配不合格的人工砂不允許使用、允許使用一定量的石粉等。目前，利用石屑制成的人工砂很多，用一些級配或粒型不合格的石屑使用結果是和易性很差，強度也不高，由此就認為人工砂不行或比不上天然砂，這是一種誤解。人工砂與天然砂本質的區別就在于其多項指標都是要控和可控的，達不到人工砂技術要求的，不能遷就使用，否則，就很難保證使用效果。
2 正確認識和使用石粉
這里所稱的石粉是：加工前經除土處理，加工后形成粒徑小于75μm，其礦物組成和化學成分與被加工母巖相同的物質。石粉在人工砂的生產中是不可避免的，適量的使用也是對人工砂的作用有益的。雖同是小于75μm的顆粒,但石粉與天然砂中的泥成分不同、粒徑分布不同、形態不同、在混凝土中所起的作用亦不同。作者進行的同條件試驗證明，石粉取代10%粉煤灰的混凝土和易性和強度都不降反升。所作的另一對比試驗表明，隨著石粉含量的增加，混凝土的和易性逐步改善，強度逐步提高。在人工砂中保留9%-14% 的石粉，最適宜改善混凝土的和易性、提高強度，28d抗壓強度比未摻石粉的混凝土分別提高達 44%和65%，還有人研究過，在一定限量下，石粉含量越高，混凝土強度越高， 抗凍、抗滲性越好；而混凝土的收縮變形、碳化和鋼筋銹蝕性能與普通混凝土相當[1]。具體使用石粉的比例依人工砂的材質和生產工藝不同有變化，需試驗確定。
從工程實踐結果看，石粉含量控制在8%-10%時，對各種強度要求的混凝土都能起好的作用，不是混凝土強度等級高就必須減少石粉用量，對水泥含量低的普通混凝土，石粉含量可以用到15%或更多些，關鍵在于控制好亞甲蘭MB值，使用亞甲藍MB值小于0.5的石粉，效果最好[2]。作者曾經驗證，亞甲藍MB值與粘土含量的回歸相關系數高達0.997，可以清楚地區分人工砂中小于75μm的顆粒是石粉還是粘土。
當前不少用戶單位還不了解和重視的亞甲藍MB值試驗和控制，也有的單位局限于GB/T14684《建筑用砂》標準中3%、5%、7%石粉含量指標限制，沒有注意到標準在石粉含量指標上特別的加注，即允許根據使用地區和用途，在試驗驗證的基礎上，可由供需雙方協商確定人工砂的石粉含量控制指標。還有有些人工砂生產企業為了使人工砂的外觀好看或迎合用戶認識水平先行洗去石粉。這為都給人工砂石粉的利用帶來了不利的影響。作者對洗走的石粉進行了分析，洗走的并非只是75μm以下的顆粒，同時，還洗走了包括150μm，300μm，甚至是600μm的顆粒，不僅使用效果不好，還帶來新的污染和資源的浪費。
研究結果表明，石粉完整的微級配、粗糙的表面、較高的表面能和親水性在混凝土的界面起到很好的填充效應、晶核效應、活性效應、保水效應和潤滑效應。它使漿體密實，孔隙率減小；使水化物結晶顆粒尺寸變小，取向程度下降；降低了骨料周圍漿體的實際水灰比；改善了混凝土的和易性。
3 人工砂混凝土的配制
由于傳統的觀念，人們對砂石的認識普遍存在著偏差，認為砂石在混凝土中僅起填充作用，質量無足輕重，只要多加水泥就行。同時，由于過去天然砂石資源的限制，即使認識到骨料的重要性，也改變不了其現狀，只能采取順其自然的態度，對砂石不能提出太高的要求，久而久之，砂石的質量得不到應有的重視和控制。明明是重要的產品，生產、使用單位和管理部門卻都不把其作為產品來對待，甚至有些管理和技術人員，也認為砂石無技術研究價值，對砂石的認識還停留在農民挖砂的階段。
事實上，砂石骨料在混凝土的作用非常重要，其起著骨架作用，傳遞應力，即使沒有水泥漿，骨料亦可支撐載重，同時，抑制收縮，防止開裂。九十年代以後，混凝土的發展趨勢是發展高性能混凝土（HPC），骨料已漸被當作主要架構材料，而水泥用量則越少越好。而HPC的發展必須有高質量的砂石骨料。如果骨料品質低劣與離散性大的現狀得不到改善，HPC就不可能實施[3]。因此，砂石骨料的顆粒級配、粒型、表面特征、針片狀顆粒含量、空隙率、石粉等過去不被重視或無法控制的性能必須和只能在人工砂石上得到解決。但不少人由于沒有抓住人工砂的特點，就未能感到人工砂的優點。
人工砂與各項指標基本相同的天然砂進行同條件、同W/C、同其它材料及摻量的對比試驗表明，用人工砂配置出混凝土的共同特點是：塌落度減小、流動度變差、但混凝土28d強度提高；如欲保持塌落度、流動度不變，則需水量需增加和易發生泌水，特別在水泥用量少的低強度等級混凝土中表現明顯。如果根據人工砂的特點進行混凝土配比設計，通過合理利用人工砂中的石粉、調整人工砂的砂率，用水量不用增加很多，可以配制出和易性很好的混凝土。最適合配制混凝土的人工砂細度模數為2.6-3.0，級配為2區。通過正交設計試驗對砂率、石粉、粉煤灰在人工砂混凝土中的影響分析，砂率對混凝土的強度和和易性影響最大，其次是粉煤灰摻量，石粉相對最小。
《普通混凝土配合比設計規程》JGJ 55-2000基本適用人工砂混凝土配比設計，但根據Bolomey公式確定的W/C偏小，所選用水量不足，在正確使用合格人工砂的前提下，增加用水量不用相應增加水泥，在原計算W/C基礎上加上0.05、甚至0.10，混凝土28d實測強度并不降低，耐久性也能得到保證。
人工砂在配制填加外加劑的混凝土時，由于其較高的表面能，對外加劑的反應比天然砂敏感，更需要表面活性劑來改善人工砂的和易性。
人工砂配制的泵送混凝土在泵送過程中并不易堵泵，特別是富混凝土，由于人工砂的透水性好，含泥量少，混凝土漿稠而不粘，但用后要及時清洗泵管和泵車。
用最大密實度方法來設計人工砂混凝土的粉煤灰、砂、石比例可以獲得比較理想的效果，方法簡單、規律好、更貼近實際試配結果。
由于配制好的人工砂混凝土基本不泌水，在施工時，要特別注意人工砂混凝土的早期養護，養護要提到初凝之前，最好用覆蓋塑料薄膜的辦法，以避免因水分蒸發速度大于泌水速度和溫差而引起的裂縫， 尤其是澆筑大面積的頂板時個更要重視。
普通混凝土的劣化或破壞往往出現在界面處。在混凝土承受荷載作用以前，界面處就充滿微裂縫；受到荷載作用以后，隨著應力的增長，這些微裂縫的開展，最終將導致水泥石的斷裂。人工砂是吸水性的骨料，可以降低骨料周圍漿體的水灰比，并因此而減少界面的不利因素。其他條件相同時，單個骨料和漿體界面過渡層的厚度隨骨料表面積的大小的不同而變化，人工砂合理的級配和石粉中的微級配減小了界面層的厚度，降低了過渡層中的孔隙率，其粗糙的表面可降低Ca(OH)2取向的程度，使其結晶顆粒變小，改善了界面過渡層的性質。
正確使用人工砂的混凝土有利于骨料與水泥、骨料之間的結合，有利于減少孔隙率，做到密實度大、抗滲、抗凍性能好，還可以降低水泥用量，降低生產成本。人工砂特別適于配制高強度等級混凝土和高性能混凝土。
四、人工砂的生產存在的問題
目前，混合砂中存在的主要問題是有的企業用很粗的石屑加特細的天然砂當人工砂銷售，這樣的人工砂，不但沒有人工砂的優勢，相反，都是人工砂的不足，嚴重地影響了人工砂的推廣使用。國標規定，顆粒級配不合格的人工砂不允許使用，其目的就是為了防止類似的混合砂濫竽充數。
機制砂目前存在的主要問題①是粒型不好，針片狀過多，這里有巖石材質的問題，但也與設備選型有關，如用鍔式破碎機的產品粒型就差，而選用專門的制砂機，此問題基本可以解決。②不注重級配，細度模數偏大。由于一些生產企業自己連級配、細度摸數等的基本概念和作用都不懂，相當數量的人工砂企業為減少機械磨損，降低生產成本，生產的機制砂細度模數多為3.0以上，出廠不檢驗，甚至連必要的試驗設備也沒有。因此，提高人工砂生產企業素質，嚴格生產準入制度非常必要。③是洗走石粉的問題。泥粉對混凝土是有害的，必須嚴格控制其含量，人工砂生產同樣要注意除去山皮土和夾層土。但除土工序一定要放在原料處理前，不能放在最后，這樣，即避免了泥土的摻人，又為石粉的保留和合理的級配創造了條件。④用風化的山砂經水洗或簡單加工作為人工砂。這種砂表面看上去粒型好，級配合格，細度模數也在中粗砂范圍。但實際上，其抗壓強度很低，嚴重的用手可以捻出碎粉，不僅配制混凝土不行，制成砂漿也不耐磨?？刂妻k法就是檢測其壓碎指標，壓碎指標不合格的不能使用。⑤注意環境保護。當前，在河道里生產人工砂存在著亂采亂挖、大直徑卵石不利用；礦山生產人工砂存在破壞式開采和產后無治理等問題，嚴重破壞河道、山體與景觀。其次是揚塵的問題，多數企業生產設備為開放式和沒有吸塵裝置，污染大氣，長久下去一定會被關停。
目前，國內已建有從企業設計規劃一開始就重視環保、產品質量和用戶需求的現代化人工砂生產企業。
五、人工砂發展中的其它問題
如同其它新事物一樣，人工砂目前的發展極不平衡，仍有很大的阻力，根本的原因還是資源原因。北京早在1996年，就在近萬平方米的住宅工程、工業建筑和道橋等工程上上應用了人工砂混凝土，不僅在當時取得了良好的經濟效益，而且，目前工程質量良好。但由于傳統習慣勢力的影響，只要有天然砂存在，盡管其質量不好，人們還是習慣用天然砂。直到2003年5月底全部關停了北京市范圍內的砂石場，人工砂才得以迅速發展。
全國范圍內，建立起正常砂石市場的地區不多。砂石的交易還多處于原始的憑個體信息和關系的狀態。一方面市場需求量巨大，一方面又沒有暢通的信息渠道和公開、公正、公平的交易平臺，只能是誰有實力誰說了算。造成買家找不到好的貨源，質量好的砂又發揮不了真正的價值。價格被最簡單的生產方式和最低的資源成本所決定，給非法采砂造就了市場，阻礙了人工砂的發展。與天然砂相比，人工砂更容易做到市場化，關鍵在于政府要給搭建一個信息平臺，創造正常市場秩序。
砂石是地域化很強的材料，又是消耗大量自然資源的產品，在建設資源節約型、環境友好型社會和發展循環經濟中能發揮重要的作用，但由過去天然砂生產主體分散，涉及到水利、國土、環保、建設、建材和鄉鎮政府等多個管理部門，未能引起應有的重視和管理。人工砂的發展，應當由當地政府負責做出全面、長遠的規劃，并與當地的廢棄資源利用、環境保護和城鄉長期建設結合起來，疏堵結合、產用兼顧，進行統一的管理。目前一些人工砂開采破壞環境、不重視質量的短期行為與政府政策的不明確性有一定的關系，很多企業并非不想作大做強，而是怕政策一旦變化，投入無法收回。
政府還應通過必要的手段解決砂石產品統計渠道不通的問題，保證信息流暢與準確。質檢部門亦應按產品質量法的規定介入人工砂市場，按工業產品的要求加強對人工砂產品的檢驗，保證和提高人工砂的質量。
只有解決了上述的問題，人工砂才能得到迅速、健康的發展，為促進建設、保證工程質量、保護環境和資源做出貢獻。  |
