河南地區人工砂質量調查及應用探索

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河南省建筑科學研究院有限公司（450000）

0 前言

砂是生產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，但經過多年的建設開采，天然河砂的資源急劇減少，有些地區天然河砂已近枯竭。近期隨著環保力度的加強，地方政府為保護江堤河壩、保護生態平衡，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。

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

人工砂的優點是材料來源廣泛，質量易于把控，經合理調控使用性能同天然河砂相當，能夠滿足建設需求，而且應用成本具有巨大優勢，是未來建設市場的發展方向，對環境保護也非常有利。但是人工砂也有其自身的缺點，如質量低下問題，因此合理、科學地采用人工砂生產混凝土將帶來巨大的經濟效益和社會效益，是混凝土應用發展的必然趨勢。

1 河南地區人工砂質量調查

為了了解河南地區人工砂的現狀，筆者在豫南、豫北、豫西及鄭州地區采集數份人工砂進行了試驗，通過試驗數據，可以基本了解河南地區人工砂的質量。豫東地區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，故沒有取樣。豫北、豫西及豫南山區主要為基巖出露區，巖石固結，表觀密度一般大于2500kg/m3，適宜生產混凝土用骨料，故取樣主要集中在這三個地區。鄭州是河南省建筑體量最大的地區，對建筑用砂的需求數量驚人，是本次試驗取樣不能忽略的地區。

對采集到的人工砂樣品，按照國家現行標準JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》進行篩分析、堆積密度、緊密密度、表觀密度、孔隙率、MB值、石粉（泥粉）含量、壓碎值等參數進行試驗檢測。試驗數據見表1。

表1 人工砂物理性能

經試驗分析，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、石質量及檢驗方法標準》對普通混凝土用砂的技術要求。

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

細度模數的試驗數據顯示，所有人工砂均在中砂和粗砂的范圍，沒有細砂，且大多數是粗砂。從細度模數來看，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過程中，發現各篩累計篩余數據異常，跟級配較好的天然砂篩分析試驗中各篩累計篩余相比，人工砂的各篩累計篩余數據多不符合標準給定的三個級配區，也就是說人工砂的級配不合理。依據JGJ52—2006《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》標準，每一個人工砂樣品均能測得其細度模數從而確定其為粗中細砂，但是顆粒級配卻不一定合理。進一步分析各篩分計篩余發現，多數的人工砂均出現不同程度的“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。據此，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系。

壓碎指標的數據表明，河南地區的出露巖石生產普通混凝土用砂大多沒有問題，在配制高強混凝土時，應優先選用壓碎指標較低的產品。依據以往經驗和試驗數據，河南地區級配合理且顆粒規整的人工砂的壓碎指標多在15%以下。本次試驗中大多人工砂的壓碎指標大于15%的原因，更多的來自于其粒型不規整，針狀、片狀、尖銳顆粒較多的情況。

在人工砂取樣時，由于條件限制，采集的樣品多是質地較好、來源清晰、質量較穩定的人工砂樣品。在采樣的過程中發現，個別混凝土預拌企業采用當地或臨近地區的山體表層含有大量風化巖石、疏松頁巖和黏土生產的人工砂配制混凝土，這類巖石生產的人工砂是否能用在混凝土中，還需要更多的試驗研究，不能盲目使用。

2 人工砂應用研究

為了研究人工砂在配制普通混凝土中的應用狀況，結合目前人工砂的質量現狀，試驗采用市場用量最大的石灰巖人工砂配制混凝土，鑒于直接購買得到的人工砂顆粒級配不合理的情況，對人工砂采用復合天然砂或其他粒徑的人工砂制成滿足標準要求的混合砂。

2.1 原材料

采用P·O42.5天瑞水泥，性能滿足GB175—2007標準要求；28d抗折強度為8.2MPa，28d抗壓強度為48.7MPa。

碎石采用5～20mm連續粒級碎石，巖石類型為石灰巖，性能滿足JGJ52—2006《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》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》標準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砂由與豫南-2同類的巖石制成，配制混合砂的特細砂采自黃河沿岸，細度模數1.1。天然砂符合JGJ52—2006《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》的要求，Ⅱ區中砂。

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人工砂配制混凝土會產生泌水現象，并影響抗壓強度，不適宜直接配制混凝土。機制砂宜與人工細沙或特細砂搭配使用，合理的混合人工細沙和特細砂可以有效較少泌水和提高強度。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度明顯低于人工砂混凝土。在設計強度一定的情況下，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象，實際施工過程中很容易嚴重泌水甚至離析，在這種情況下澆筑的混凝土內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 人工砂應用的優缺點及延伸思考

3.1 人工砂的優點

在礦山和生產設備一定的情況下，人工砂的質量穩定且便于控制，可以有效減少技術人員的負擔和保證混凝土質量。

機制砂是由巖石經破碎得到，在破碎、整形、分選等環節科學合理的情況下，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，這是因為石粉和泥粉均是小于0.08mm的細小顆粒。泥粉對外加劑有較強的吸附作用，能阻礙骨料與水泥石的結合。石粉對外加劑的吸附作用較小，可以有效填充水泥與細骨料之間的空隙，改善混凝土的結構及性能。根據有關資料，當石粉足夠細的時候，可參與水泥的水化，在水泥水化過程中擔負結晶核的作用，促進混凝土強度的提高。

3.2 人工砂的缺點

目前市場上的人工砂大多較粗，為保證混凝土質量，需提高砂率或摻加細沙，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，導致混凝土成本上升。

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

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

當前人工砂應用層面最大的問題在于絕大多數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（分計篩余和累計篩余）不滿足標準要求。

4 結語

提高人工砂的生產水平，優化生產工藝，在生產階段就實現滿足混凝土的質量要求，無需在預拌混凝土企業再進行各種混合，是以后一定時期需要解決的問題。

在人工砂存在各種質量問題的情況下，對人工砂進行混合優化，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。

當前可以指導人工砂應用的現行國家標準是JGJ52—2006《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》和GB/T14684—2011《建筑用砂》，這兩個標準在參數和技術指標的設置上，更適用于天然砂，對人工砂的質量要求只是石粉含量和壓碎指標上，這些參數還不足以表征人工砂的質量，應增加人工砂分計篩余、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，全面表征人工砂的各項性能，有效指導人工砂的應用。