我国人工砂发展的历史与现状

北京建筑工程学院  陈家珑

一、人工砂的发展由来

由于天然砂石是一种地方性材料，受资源和运输的限制。从20世纪60年代起，一些水电和土木建设工程就开始就地取材进行机制砂的生产工艺、产品技术性能和在混凝土中应用的研究，并开始在工程上使用。第一条人工砂生产线创于四川的映秀湾电站工程，66年底建成。该生产线总产量为60万吨。在建筑上开始应用较早的是贵州省，并于1978年制定了我国第一个人工砂的地方标准《山砂混凝土技术规定》，以后，云南、河南也相继出台了人工砂地方标准或使用规程。我国的香港地区由于历史和地理环境的原因也是使用人工砂较早的地区，其执行的英国标准BS882明确人工砂的品种和技术要求至少30年以上。

随着改革开放的深入发展，砂石业同其它建材行业一样发展很快。我国砂石年产量由改革前6亿多吨增加到50亿吨，其中，砂约20亿吨。砂石成为所有产品中重量最大的产品。但天然砂资源是一种地方资源、是短时内不可再生和长距离运输的，随着基本建设的日益发展，在我国不少地区出现天然砂资源逐步减少、甚至无天然砂的情况，混凝土用砂供需矛盾尤为突出，而砂的价格越来越高，在有些地区高达130元/吨，用砂高峰时还无砂可用，影响了工程建设的进展。在经济利益的驱使下，于是在我国很多地区都出现了乱采乱挖天然砂的情况，特别在前些年，毁田挖砂、破坏河道挖砂的情况比目皆是，不但破坏了有限的耕地、防洪堤坝，并由此引发了不少工程事故。另外，由于天然砂的无序生产，在生产、贮存、和运输过程中还造成对空气和环境的污染。

随着混凝土技术的迅速发展，现代混凝土对砂的技术要求则越来越高，特别是高强度等级和高性能混凝土对骨料的要求很严，能满足其要求的天然砂数量越来越少,甚至没有，严重地制约了高性能混凝土的发展。

我国有大量的金属矿和非金属矿，在采矿和加工过程中伴随产生约20%的尾矿，有相当尾矿没有合理利用，已约有上百亿吨的尾矿大量堆积，占用土地，造成环境污染，而如果经过适当分选与加工，不少尾矿就可以制成人工砂。例如，1985年起，首钢迁安矿山公司就开始进行用旋流一次尾的办法生产建筑用砂，取得了很好的效果，既解决了提环境污染问题，又提高了资源利用率，形成综合效益，符合科学发展观和可持续发展的国策。

因此，自90年代以来，北京、天津、上海、重庆、广东、福建、浙江、河北、山西、四川、江苏等省市都相继开展了人工砂的使用研究，先后建立了少量的专业人工砂生产线。

二、人工砂的生产与使用现状

为适应新形势的发展，2002年2月1日起实施的国标GB/T14684-2001《建筑用砂》首次增加了人工砂种类，确定了人工砂的定义、技术要求和检验方法，规定了凡经除土处理的机制砂、混合砂都统称为人工砂。提出了混合砂要执行人工砂的技术标准和亚甲蓝试验方法，为解决河道挖砂的废石处理找到了出路，为合理利用石粉打下了技术基础，同时，保证了人工砂的质量。为人工砂的发展开创了新的局面。

在已有的工程实践中，用人工砂已配制出了从C10-C70的普通混凝土和泵送混凝土，泵送最大高度达400m；配制出跨度达64m的予应力混凝土粱。在试验室设计强度C100的人工砂混凝土90天实际强度达到155Mpa。人工砂已开始应用在混凝土结构、砂浆和制品中，上海最高的建筑经贸大厦使用的就是人工砂混凝土。
但是，如同其它新事物一样，人工砂目前的发展发展极不平衡，仍有很大的阻力。这里的原因是多方面的，有人们认识的原因，有人工砂企业自身的原因，有技术限制的原因，有宣传不足的原因，有行业习惯的原因，有标准不协调的原因，有管理的原因，但根本还是资源的原因。

以北京为例，北京市作为现代化的国际大都市和2008年奥运会的主办城市，建设工程量十分巨大，不算奥运工程，北京市近几年每年建设用砂石均在6400万吨左右。过去，主要以天然砂石为主。随着对环境保护的越来越重视和举办绿色奥运的行动体现，北京市政府于2001年开始逐步关停了北京市范围内的砂石场，并于2003年5月底全部完成。由于天然砂资源彻底取消，人工砂才得以迅速发展。目前，北京市除盗采的是天然砂外，其余多数是人工砂。其中，采自本市矿山的砂石约2000万吨，周遍约4500万吨。

事实上，早在1996年，北京建筑工程学院与北京市城建一公司合作，就在甘家口危改小区4号楼住宅工程上应用了三河的石屑人工砂；北京市建工集团三建也曾把三河的石屑人工砂应用在森德散热器厂工业建筑和其它道桥等工程上，使用面积近万平方米，不仅在当时取得了良好的经济效益，而且，目前工程质量良好。但为什么一直没有推广开，主要阻力来自习惯势力的影响，源自对人工砂的认识不正确和没有标准，人工砂由于其颗粒级配、粒形和颜色都与天然砂有明显的不同，大多数的使用单位还不接受人工砂，只要有天然砂存在，人们还是习惯用天然砂，尽管其质量不好。

目前，国内人工砂生产主要有3种形式，一种是开矿产石的同时专门生产人工砂，这多属于大型企业（即年产砂石100万吨以上），质量较好，数量有几百家；一种是在河道里用卵石生产机制砂，或配以少量天然砂生产混合砂，这多属于中型企业（即年产砂石50万吨左右），质量有好有差，差别较大，数量也在几百家左右；再一种是利用各种尾矿生产的，其中主要是各地生产石灰石碎石后的石屑或石粉，经过简单再加工和筛分，或直接利用，这多属于小型企业（即年产砂石30万吨以下，甚至几万吨），质量有好有差，差别很大，数量达近万家。

在使用行业的分布上，以水电行业对人工砂的生产和使用最为成熟，但要求也相对高一些，基本是自产自用，多为大中型生产线，我国最大的三峡工程、黄河小浪底工程均使用人工砂配制混凝土。交通公路、铁路和建筑则处于起步阶段，产品由社会提供，大中小型生产线都有。

在地域分布上，除贵州省和香港人工砂的生产与应用已完全普及外，人工砂的生产与使用多集中在特大和大城市及其周边地区。如北京、上海、天津、重庆均为使用核心，以其周边地区为生产区。北京、上海、重庆都已出台人工砂应用技术规程地方标准，天津也正在制定。以上海为例，浙江的湖州地区已成为上海主要的砂石骨料的供应基地，据不完全统计，该地区共有砂石生产企业200多家，总产量在5000万吨以上，其中，年产200吨以上的企业已有十几家，最大达500万吨。

由于砂石生产的连带性和考虑到人工砂的生产成本，人工砂的产量一般在砂石总产量的20%-40%之间浮动，也有部分达50%-80%，个别达100%的情况。

目前建筑业在人工砂的使用上又分以下几种情况：

国标允许使用人工砂了，但大多数的人还是容易接受由鹅卵石破碎的机制砂或与天然砂混用的人工砂（即混合砂），这是因为这样的人工砂外观与天然砂无明显差别，多数人还认为就是天然砂，使用上按天然砂控制，推广较容易，但由于在配制混凝土时还按天然砂的方法设计，没有抓住人工砂的特点，多数混凝土搅拌站也未能感到人工砂的优点。

使用由石灰岩类（包括其尾矿）生产的人工砂就比较困难，因为，其外观与天然砂明显不同，特别是干法生产原状人工砂（只要石粉含量在10%左右时）看上去就像都是石头粉（或土）一样，使人心产疑虑，不敢使用。实际上，如果检测一下，石粉含量并不很高，只要大胆正确使用，就能取得很好的效果。但就是由于传统的习惯，此种人工砂目前推广不畅，有时，施工应用部门愿用，但监理和甲方却不允许。为了迎合用户的习惯，有些人工砂生产厂把干法生产原状人工砂再洗一遍，这样的人工砂看上去是比天然细砂好多了，但这一洗，使人工砂的级配变化了，人工砂中有利的石粉洗走了，只剩下了人工砂的缺陷，造成配制的混凝土和易性差，特别在低标号或低水泥用量混凝土中表现非常明显，给人工砂的推广应用带来阻力。同时，又造成资源的浪费和宝贵的水源消耗，增加了新的污染。针对这种人工砂混凝土和易性差的问题，有些企业掺入一些天然细砂混用，如果掺入的比例合适，混后的砂级配合理，配制出的混凝土比天然砂要强一些，但实际上在低强度等级混凝土和砂浆的配制上，仍不如用不洗的人工砂，即成本低，又效果好。在这方面，各地都有一些成熟的经验和应用，只是尚不普遍。这里，洗走石粉还有一个标准不协调的原因。因为，建筑业执行的是行业标准JGJ52-92《普通混凝土用砂质量标准及检验方法》，该标准目前尚在修订中，还没有人工砂的类别，含泥量（即小于75μm特细颗粒，石粉也是小于75μm的颗粒）只能按5%以下控制，为了达到这个要求，企业不得已而为之。
 
而有些自己有混凝土搅拌站的人工砂生产企业，积极探索人工砂的使用，就取得了很好的效果。例如，北京恒坤混凝土有限公司和北京恒坤拓峰采石有限公司采用干法生产石灰石机制人工砂在一年多的时间里累计生产商品混凝土40多万方，多数使用纯人工砂，石粉含量应用范围达8%—15%，应用于各种工程，取得了很好的效益。

首钢迁安矿山公司领导对的尾矿人工砂应用高度重视，以深入的研究和科学的数据为依据，以解决人们的认识问题人手，以样板工程为说服力，推动了尾矿人工砂的应用，目前，其年产约150万吨的尾矿人工砂石已全部应用于其改造工程中。

三、当前人工砂生产和使用中存在的主要问题

1、认识问题

由于传统的观念，人们对砂石的认识存在着偏差，认为砂石在混凝土中仅起填充作用，质量无足轻重，只要多加水泥就行。同时，由于过去天然砂石资源的限制，有人即使认识到骨料的重要性，也改变不了其现状，只能采取顺其自然的态度，对砂石不能提出太高的要求，久而久之，砂石的质量得不到应有的重视和控制。明明是重要的产品，生产、使用单位和管理部门却都不把其作为产品来对待，甚至有些科技人员，也认为砂石无技术研究的价值，对砂石的认识还停留在农民挖砂的阶段。

事实上，砂石骨料在混凝土的作用非常重要，其起着骨架作用，传递应力，即使沒有水泥漿，骨料亦可支撐載重，同时，抑制收缩，防止开裂。九十年代以後，混凝土的发展趋势是发展高性能混凝土（HPC），骨料已漸被當作主要架構材料，而水泥用量则越少越好。而HPC的发展必须有高质量的砂石骨料。我国混凝土方面的专家把砂石骨料的质量视为制约我国混凝土发展的瓶颈；分析认为，中国混凝土质量不如西方的主要原因是砂石的质量差；警告说，如果骨料品质低劣与离散性大的现状得不到改善，HPC就不可能实施。因此，砂石骨料的颗粒级配、粒型、表面特征、针片状颗粒含量、空隙率等过去不被重视或无法控制的性能日显重要。人工砂正是应运而生，在上述方面有其显著的特点。但由于人们已有的对骨料的认识偏见，也限制了对人工砂重要性的认识，仅仅把人工砂当做一种简单替代天然砂的材料对待，用传统天然砂的标准来衡量人工砂，看到的都是人工砂的短处或不习惯处，人为限制了人工砂的发展。

同其他新生事物一样，人工砂当前的发展还受到社会和文化的传统势力影响，敢于接受新事物的单位少，勇于实践的人就更少，多数在观望，结果，不实践就得不到真知。其中，怕负责任也是一个因素。实际上，人工砂目前一般性的生产与使用技术已很成熟，只要使用质量合格的人工砂，一定能取得好效果，不会有什么风险。

2、质量问题

对任何产品，其质量就是生命，人工砂在全国范围还处于刚起步阶段，对其质量的保证就更为重要。我个人认为，人工砂的有两大优势四大特点。即
资源优势：可利用各种废弃资源，同时，表现出价格或成本差别较大的特点。

质量优势：体现为质量稳定（产源固定、机械化生产）；颗粒级配合理、可调；石粉能合理利用三大特点。

但人工砂也有天生的不足，粒型多样、比表面积大、需水量大。如颗粒形状多呈三角体或方矩体，表面粗糙，棱角尖锐时，对和易性有影响（但对强度有利）；如针片状多时，对和易性和强度都不利。

⑴目前在混合砂中存在的质量问题是：

有的企业，特别是小企业，用很粗的石屑加特细的天然砂去当人工砂销售，石屑比例最大的可达30%。这样的人工砂，没有丝毫人工砂的质量优势，相反，有的都是人工砂的不足，严重地影响了人工砂的推广使用，败坏了人工砂的声誉。对此，我们决不能掉以轻心。国家标准规定，人工砂的颗粒级配一定要合格，颗粒级配不合格的人工砂决不允许使用。其目的就是为了防止类似的混合砂滥竽充数。

⑵目前在部分机制砂中存在的主要质量问题是：

①粒型不好，针片状过多，这里有岩石问题，但更主要是设备选型造成，是很多小企业用锷式破碎机或锤式破碎机造成，如果选用专业的制砂机，此问题完全可以解决，此方面已有成熟的经验。

②级配不完全合理，细度模数偏大。多数企业为减少机械磨损，降低生产成本，生产的机制砂细度模数多为3.0以上,而配制混凝土细度模数最好是在2.6左右。另外，人工砂的级配区最好为2区，各级筛余一定要符合标准要求，但有的企业根本不认识或重视此指标，使人工砂的优势无法体现，在人们还不认识人工砂的阶段自己给自己造成阻力。这里的原因在上述的认识问题中已经提到，目前问题是，首先生产企业自己要先提高一步，而现状是小型企业多数素质较低，大多数企业自己连以上的基本概念都不懂，甚至连最基本的试验筛也没有，如何谈得上质量控制。因此，开展基本知识教育非常必要。

③是洗走石粉的问题。泥粉对混凝土是有害的，必须严格控制其含量，人工砂生产和使用中同样要注意除土，除去山皮土和夹层土。但除土决不能放在最后洗掉小于75μm的颗粒的工序上。因为，石粉也是小于75μm的颗粒，但石粉与天然砂中的泥成分不同、粒径分布不同、在混凝土中所起的作用亦不同，石粉对混凝土是有益的，有适量石粉的存在，弥补了人工砂配制混凝土和易性差的缺陷，同时，它的掺入对完善混凝土小于75μm特细颗粒的级配，（在这一点上，天然砂由于其生产工艺的限制，其特细级配基本没有）提高混凝土密实性都有益处，现代混凝土设计理念，是强调发挥骨料骨架的支撑作用，而发挥骨料骨架的支撑作用最有利条件是使骨料之间空隙最小，密实度最高。进而能起到提高混凝土综合性能的作用，见表1。我国大中城市混凝土多为泵送混凝土，现行普通混凝土配合比设计规程规定，泵送混凝土的砂中小于300μm的颗粒含量不应少于砂总量的15%。而不少企业的最后水洗工艺，洗走的不仅是泥土（平均粒径8.4μm），同时，还洗走了有用的石粉（平均粒径为44.8μm），并洗走了150μm ，300μm，甚至600μm的有益颗粒含量，破坏了砂的级配。见下面的饼图。       
表1