河南地区人工砂质量调查及应用探索

刘琬真 郑洋威 薛 飞 崔艳玲

1河南省建科院工程检测有限公司（450000） 2河南省万测工程检测有限公司（450000）3河南省建筑科学研究院有限公司（450000）

0 前言

砂是生产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，但经过多年的建设开采，天然河砂的资源急剧减少，有些地区天然河砂已近枯竭。近期随着环保力度的加强，地方政府为保护江堤河坝、保护生态平衡，加大了禁采天然河砂的力度，使得天然河砂一直处于紧缺或无砂可供状态。

河南省同样面临上述问题，自2018年年初至今天然河砂价格持续暴涨，且基本处于有价无货状态。随着天然河砂的紧缺，各种低质量河砂、山砂甚至海砂流入市场，给工程质量造了严重的隐患，因此研究人工砂的应用非常必要和紧迫。

人工砂的优点是材料来源广泛，质量易于把控，经合理调控使用性能同天然河砂相当，能够满足建设需求，而且应用成本具有巨大优势，是未来建设市场的发展方向，对环境保护也非常有利。但是人工砂也有其自身的缺点，如质量低下问题，因此合理、科学地采用人工砂生产混凝土将带来巨大的经济效益和社会效益，是混凝土应用发展的必然趋势。

1 河南地区人工砂质量调查

为了了解河南地区人工砂的现状，笔者在豫南、豫北、豫西及郑州地区采集数份人工砂进行了试验，通过试验数据，可以基本了解河南地区人工砂的质量。豫东地区和南阳盆地是广袤的平原，基本没有山体，砂石来源主要依靠临近地区，故没有取样。豫北、豫西及豫南山区主要为基岩出露区，岩石固结，表观密度一般大于2500kg/m3，适宜生产混凝土用骨料，故取样主要集中在这三个地区。郑州是河南省建筑体量最大的地区，对建筑用砂的需求数量惊人，是本次试验取样不能忽略的地区。

对采集到的人工砂样品，按照国家现行标准JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》进行筛分析、堆积密度、紧密密度、表观密度、孔隙率、MB值、石粉（泥粉）含量、压碎值等参数进行试验检测。试验数据见表1。

表1 人工砂物理性能

经试验分析，所有样品中的堆积密度、紧密密度、表观密度、孔隙率、压碎指标值均基本满足配制普通混凝土的需要，符合JGJ52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》对普通混凝土用砂的技术要求。

MB值各地均出现了大于1.4的现象，说明目前人工砂中的粉料多是泥粉，且对应的含泥量大多超出了标准限定的范围，这也印证了在人工砂的使用过程中频繁出现的和易性事故和含泥量太大有直接的关系。

细度模数的试验数据显示，所有人工砂均在中砂和粗砂的范围，没有细砂，且大多数是粗砂。从细度模数来看，所有人工砂均能满足配制普通混凝土的需要，无非就是提高和降低砂率的问题。

在人工砂筛分析试验过程中，发现各筛累计筛余数据异常，跟级配较好的天然砂筛分析试验中各筛累计筛余相比，人工砂的各筛累计筛余数据多不符合标准给定的三个级配区，也就是说人工砂的级配不合理。依据JGJ52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》标准，每一个人工砂样品均能测得其细度模数从而确定其为粗中细砂，但是颗粒级配却不一定合理。进一步分析各筛分计筛余发现，多数的人工砂均出现不同程度的“断档”，也就是天然砂中某一公称粒径的颗粒极少或者不存在，致使人工砂颗粒不连续。据此，在其他原材料和配合比不变的情况下，人工砂配制普通混凝土和易性不好的情况，和人工砂颗粒级配不合理有很大关系。

压碎指标的数据表明，河南地区的出露岩石生产普通混凝土用砂大多没有问题，在配制高强混凝土时，应优先选用压碎指标较低的产品。依据以往经验和试验数据，河南地区级配合理且颗粒规整的人工砂的压碎指标多在15%以下。本次试验中大多人工砂的压碎指标大于15%的原因，更多的来自于其粒型不规整，针状、片状、尖锐颗粒较多的情况。

在人工砂取样时，由于条件限制，采集的样品多是质地较好、来源清晰、质量较稳定的人工砂样品。在采样的过程中发现，个别混凝土预拌企业采用当地或临近地区的山体表层含有大量风化岩石、疏松页岩和黏土生产的人工砂配制混凝土，这类岩石生产的人工砂是否能用在混凝土中，还需要更多的试验研究，不能盲目使用。

2 人工砂应用研究

为了研究人工砂在配制普通混凝土中的应用状况，结合目前人工砂的质量现状，试验采用市场用量最大的石灰岩人工砂配制混凝土，鉴于直接购买得到的人工砂颗粒级配不合理的情况，对人工砂采用复合天然砂或其他粒径的人工砂制成满足标准要求的混合砂。

2.1 原材料

采用P·O42.5天瑞水泥，性能满足GB175—2007标准要求；28d抗折强度为8.2MPa，28d抗压强度为48.7MPa。

碎石采用5～20mm连续粒级碎石，岩石类型为石灰岩，性能满足JGJ52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》的要求。

采用F类Ⅱ级粉煤灰，性能满足GB/T1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的要求。

外加剂采用聚羧酸减水剂，性能满足GB 8076—2008《混凝土外加剂》标准HWR-R的要求，减水率20%。

人工砂采用豫南-2，性能见表1。配制混合砂用的其他人工细砂由与豫南-2同类的岩石制成，配制混合砂的特细砂采自黄河沿岸，细度模数1.1。天然砂符合JGJ52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》的要求，Ⅱ区中砂。

表2 混凝土配合比（kg/m3）

2.2 人工砂对混凝土拌和物性能的影响

从表2和表3可以看出，用豫南-2人工砂配制混凝土会产生泌水现象，并影响抗压强度，不适宜直接配制混凝土。机制砂宜与人工细沙或特细砂搭配使用，合理的混合人工细沙和特细砂可以有效较少泌水和提高强度。人工砂混凝土1h坍落度损失较天然砂混凝土大，其主要原因是该豫南-2人工砂含泥量大造成。

2.3 人工砂对硬化混凝土性能的影响

从表3可以看出，在混凝土配合比基本相同的情况下，使用人工砂配制混凝土的强度明显低于人工砂混凝土。在设计强度一定的情况下，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胶比。由于人工砂混凝土有泌水现象，实际施工过程中很容易严重泌水甚至离析，在这种情况下浇筑的混凝土内部由于失水造成较多相互连通的空隙，其耐久性尤其是抗水渗透性会明显降低。

表3 混凝土性能

3 人工砂应用的优缺点及延伸思考

3.1 人工砂的优点

在矿山和生产设备一定的情况下，人工砂的质量稳定且便于控制，可以有效减少技术人员的负担和保证混凝土质量。

机制砂是由岩石经破碎得到，在破碎、整形、分选等环节科学合理的情况下，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，一定量的石粉对混凝土的性能影响较小，还能改善混凝土的性能，这是因为石粉和泥粉均是小于0.08mm的细小颗粒。泥粉对外加剂有较强的吸附作用，能阻碍骨料与水泥石的结合。石粉对外加剂的吸附作用较小，可以有效填充水泥与细骨料之间的空隙，改善混凝土的结构及性能。根据有关资料，当石粉足够细的时候，可参与水泥的水化，在水泥水化过程中担负结晶核的作用，促进混凝土强度的提高。

3.2 人工砂的缺点

目前市场上的人工砂大多较粗，为保证混凝土质量，需提高砂率或掺加细沙，但这会使用水量增加，从而间接造成胶凝材料和混凝土外加剂的用量增加，导致混凝土成本上升。

人工砂在生产过程中会使用大量的水，在有效降低含泥量的同时，也造成其含水率过大。过大的含水率会给混凝土的生产带来不利的影响。生产人工砂的破碎工艺，会造成人工砂颗粒均存在细微的裂缝，表面粗糙，且颗粒不规整，针状、片状、尖锐颗粒较多，使得人工砂混凝土不适宜生产大坍落度混凝土，如坍落度较大则极易造成泌水甚至离析。

劣质人工砂给混凝土生产带来危害。在人工砂大量需求的当前，有些供应商采取山体表层质地不好的岩石生产人工砂，其含泥量、颗粒级配、粒型等均不能满足配制混凝土的需要。

当前人工砂应用层面最大的问题在于绝大多数人工砂存在颗粒级配不合理的状况，某一级或多级公称粒径的筛余（分计筛余和累计筛余）不满足标准要求。

4 结语

提高人工砂的生产水平，优化生产工艺，在生产阶段就实现满足混凝土的质量要求，无需在预拌混凝土企业再进行各种混合，是以后一定时期需要解决的问题。

在人工砂存在各种质量问题的情况下，对人工砂进行混合优化，掺加断档的粒级，可以在一定程度上解决人工砂配制混凝土的难题。

当前可以指导人工砂应用的现行国家标准是JGJ52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》和GB/T14684—2011《建筑用砂》，这两个标准在参数和技术指标的设置上，更适用于天然砂，对人工砂的质量要求只是石粉含量和压碎指标上，这些参数还不足以表征人工砂的质量，应增加人工砂分计筛余、人工砂流动度、人工砂需水量比、人工砂吸水率、人工砂含水率等参数，全面表征人工砂的各项性能，有效指导人工砂的应用。