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我国人工砂发展的历史与现状
發布時間:2016-01-29     浏覽次數:3044

我國人工砂發展的曆史與現狀


北京建築工程學院  陳家珑

一、人工砂的發展由來

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,一些水電和土木建設工程就開始就地取材進行機制砂的生産工藝、産品技術性能和在混凝土中應用的研究,並開始在工程上使用。第一條人工砂生産線創于四川的映秀灣電站工程,66年底建成。該生産線總産量爲60萬噸。在建築上開始應用較早的是貴州省,並于1978年制定了我國第一個人工砂的地方標准《山砂混凝土技術規定》,以後,雲南、河南也相繼出台了人工砂地方標准或使用規程。我國的香港地區由于曆史和地理環境的原因也是使用人工砂較早的地區,其執行的英國標准BS882明確人工砂的品種和技術要求至少30年以上。

隨著改革開放的深入發展,砂石業同其它建材行業一樣發展很快。我國砂石年産量由改革前6億多噸增加到50億噸,其中,砂約20億噸。砂石成爲所有産品中重量最大的産品。但天然砂資源是一種地方資源、是短時內不可再生和長距離運輸的,隨著基本建設的日益發展,在我國不少地區出現天然砂資源逐步減少、甚至無天然砂的情況,混凝土用砂供需矛盾尤爲突出,而砂的價格越來越高,在有些地區高達130/噸,用砂高峰時還無砂可用,影響了工程建設的進展。在經濟利益的驅使下,于是在我國很多地區都出現了亂采亂挖天然砂的情況,特別在前些年,毀田挖砂、破壞河道挖砂的情況比目皆是,不但破壞了有限的耕地、防洪堤壩,並由此引發了不少工程事故。另外,由于天然砂的無序生産,在生産、貯存、和運輸過程中還造成對空氣和環境的汙染。

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,特別是高強度等級和高性能混凝土對骨料的要求很嚴,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。

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産生約20%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,占用土地,造成環境汙染,而如果經過適當分選與加工,不少尾礦就可以制成人工砂。例如,1985年起,首鋼遷安礦山公司就開始進行用旋流一次尾的辦法生産建築用砂,取得了很好的效果,既解決了提環境汙染問題,又提高了資源利用率,形成綜合效益,符合科學發展觀和可持續發展的國策。

因此,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,先後建立了少量的專業人工砂生産線。

二、人工砂的生産與使用現狀

爲適應新形勢的發展,200221日起實施的國標GB/T14684-2001《建築用砂》首次增加了人工砂種類,確定了人工砂的定義、技術要求和檢驗方法,規定了凡經除土處理的機制砂、混合砂都統稱爲人工砂。提出了混合砂要執行人工砂的技術標准和亞甲藍試驗方法,爲解決河道挖砂的廢石處理找到了出路,爲合理利用石粉打下了技術基礎,同時,保證了人工砂的質量。爲人工砂的發展開創了新的局面。

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。人工砂已開始應用在混凝土結構、砂漿和制品中,上海最高的建築經貿大廈使用的就是人工砂混凝土。
但是,如同其它新事物一樣,人工砂目前的發展發展極不平衡,仍有很大的阻力。這裏的原因是多方面的,有人們認識的原因,有人工砂企業自身的原因,有技術限制的原因,有宣傳不足的原因,有行業習慣的原因,有標准不協調的原因,有管理的原因,但根本還是資源的原因。

以北京爲例,北京市作爲現代化的國際大都市和2008年奧運會的主辦城市,建設工程量十分巨大,不算奧運工程,北京市近幾年每年建設用砂石均在6400萬噸左右。過去,主要以天然砂石爲主。隨著對環境保護的越來越重視和舉辦綠色奧運的行動體現,北京市政府于2001年開始逐步關停了北京市範圍內的砂石場,並于20035月底全部完成。由于天然砂資源徹底取消,人工砂才得以迅速發展。目前,北京市除盜采的是天然砂外,其余多數是人工砂。其中,采自本市礦山的砂石約2000萬噸,周遍約4500萬噸。

事實上,早在1996年,北京建築工程學院与北京市城建一公司合作,就在甘家口危改小区4號樓住宅工程上應用了三河的石屑人工砂;北京市建工集團三建也曾把三河的石屑人工砂應用在森德散熱器廠工業建築和其它道橋等工程上,使用面積近萬平方米,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。但爲什麽一直沒有推廣開,主要阻力來自習慣勢力的影響,源自對人工砂的認識不正確和沒有標准,人工砂由于其顆粒級配、粒形和顔色都與天然砂有明顯的不同,大多數的使用單位還不接受人工砂,只要有天然砂存在,人們還是習慣用天然砂,盡管其質量不好。

目前,國內人工砂生産主要有3種形式,一種是開礦産石的同時專門生産人工砂,這多屬于大型企業(即年産砂石100萬噸以上),質量較好,數量有幾百家;一種是在河道裏用卵石生産機制砂,或配以少量天然砂生産混合砂,這多屬于中型企業(即年産砂石50萬噸左右),質量有好有差,差別較大,數量也在幾百家左右;再一種是利用各種尾礦生産的,其中主要是各地生産石灰石碎石後的石屑或石粉,經過簡單再加工和篩分,或直接利用,這多屬于小型企業(即年産砂石30萬噸以下,甚至幾萬噸),質量有好有差,差別很大,數量達近萬家。

在使用行業的分布上,以水電行業對人工砂的生産和使用最爲成熟,但要求也相對高一些,基本是自産自用,多爲大中型生産線,我國最大的三峽工程、黃河小浪底工程均使用人工砂配制混凝土。交通公路、鐵路和建築則處于起步階段,産品由社會提供,大中小型生産線都有。

在地域分布上,除貴州省和香港人工砂的生産與應用已完全普及外,人工砂的生産與使用多集中在特大和大城市及其周邊地區。如北京、上海、天津、重慶均爲使用核心,以其周邊地區爲生産區。北京、上海、重慶都已出台人工砂應用技術規程地方標准,天津也正在制定。以上海爲例,浙江的湖州地區已成爲上海主要的砂石骨料的供應基地,據不完全統計,該地區共有砂石生産企業200多家,總産量在5000萬噸以上,其中,年産200噸以上的企業已有十幾家,最大達500萬噸。

由于砂石生産的連帶性和考慮到人工砂的生産成本,人工砂的産量一般在砂石總産量的20%-40%之間浮動,也有部分達50%-80%,個別達100%的情況。

目前建築業在人工砂的使用上又分以下幾種情況:

國標允許使用人工砂了,但大多數的人還是容易接受由鵝卵石破碎的機制砂或與天然砂混用的人工砂(即混合砂),這是因爲這樣的人工砂外觀與天然砂無明顯差別,多數人還認爲就是天然砂,使用上按天然砂控制,推廣較容易,但由于在配制混凝土時還按天然砂的方法設計,沒有抓住人工砂的特點,多數混凝土攪拌站也未能感到人工砂的優點。

使用由石灰岩類(包括其尾礦)生産的人工砂就比較困難,因爲,其外觀與天然砂明顯不同,特別是幹法生産原狀人工砂(只要石粉含量在10%左右時)看上去就像都是石頭粉(或土)一樣,使人心産疑慮,不敢使用。實際上,如果檢測一下,石粉含量並不很高,只要大膽正確使用,就能取得很好的效果。但就是由于傳統的習慣,此種人工砂目前推廣不暢,有時,施工應用部門願用,但監理和甲方卻不允許。爲了迎合用戶的習慣,有些人工砂生産廠把幹法生産原狀人工砂再洗一遍,這樣的人工砂看上去是比天然細砂好多了,但這一洗,使人工砂的級配變化了,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,特別在低標號或低水泥用量混凝土中表現非常明顯,給人工砂的推廣應用帶來阻力。同時,又造成資源的浪費和寶貴的水源消耗,增加了新的汙染。針對這種人工砂混凝土和易性差的問題,有些企業摻入一些天然細砂混用,如果摻入的比例合適,混後的砂級配合理,配制出的混凝土比天然砂要強一些,但實際上在低強度等級混凝土和砂漿的配制上,仍不如用不洗的人工砂,即成本低,又效果好。在這方面,各地都有一些成熟的經驗和應用,只是尚不普遍。這裏,洗走石粉還有一個標准不協調的原因。因爲,建築業執行的是行業標准JGJ52-92《普通混凝土用砂質量標准及檢驗方法》,該標准目前尚在修訂中,還沒有人工砂的類別,含泥量(即小于75μm特細顆粒,石粉也是小于75μm的顆粒)只能按5%以下控制,爲了達到這個要求,企業不得已而爲之。

而有些自己有混凝土攪拌站的人工砂生産企業,積極探索人工砂的使用,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幹法生産石灰石機制人工砂在一年多的時間裏累計生産商品混凝土40多萬方,多數使用純人工砂,石粉含量應用範圍達8%—15%,應用于各種工程,取得了很好的效益。

首鋼遷安礦山公司領導對的尾礦人工砂應用高度重視,以深入的研究和科學的數據爲依據,以解決人們的認識問題人手,以樣板工程爲說服力,推動了尾礦人工砂的應用,目前,其年産約150萬噸的尾礦人工砂石已全部應用于其改造工程中。

三、當前人工砂生産和使用中存在的主要問題

1、認識問題

由于傳統的觀念,人們對砂石的認識存在著偏差,認爲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,有人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。明明是重要的産品,生産、使用單位和管理部門卻都不把其作爲産品來對待,甚至有些科技人員,也認爲砂石無技術研究的價值,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。我國混凝土方面的專家把砂石骨料的質量視爲制約我國混凝土發展的瓶頸;分析認爲,中國混凝土質量不如西方的主要原因是砂石的質量差;警告說,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。因此,砂石骨料的顆粒級配、粒型、表面特征、針片狀顆粒含量、空隙率等過去不被重視或無法控制的性能日顯重要。人工砂正是應運而生,在上述方面有其顯著的特點。但由于人們已有的對骨料的認識偏見,也限制了對人工砂重要性的認識,僅僅把人工砂當做一種簡單替代天然砂的材料對待,用傳統天然砂的標准來衡量人工砂,看到的都是人工砂的短處或不習慣處,人爲限制了人工砂的發展。

同其他新生事物一樣,人工砂當前的發展還受到社會和文化的傳統勢力影響,敢于接受新事物的單位少,勇于實踐的人就更少,多數在觀望,結果,不實踐就得不到真知。其中,怕負責任也是一個因素。實際上,人工砂目前一般性的生産與使用技術已很成熟,只要使用質量合格的人工砂,一定能取得好效果,不會有什麽風險。

2、質量問題

對任何産品,其質量就是生命,人工砂在全國範圍還處于剛起步階段,對其質量的保證就更爲重要。我個人認爲,人工砂的有兩大優勢四大特點。即
資源優勢:可利用各種廢棄資源,同時,表現出價格或成本差別較大的特點。

質量優勢:體現爲質量穩定(産源固定、機械化生産);顆粒級配合理、可調;石粉能合理利用三大特點。

但人工砂也有天生的不足,粒型多樣、比表面積大、需水量大。如顆粒形狀多呈三角體或方矩體,表面粗糙,棱角尖銳時,對和易性有影響(但對強度有利);如針片狀多時,對和易性和強度都不利。

目前在混合砂中存在的質量問題是:

有的企業,特別是小企業,用很粗的石屑加特細的天然砂去當人工砂銷售,石屑比例最大的可達30%。這樣的人工砂,沒有絲毫人工砂的質量優勢,相反,有的都是人工砂的不足,嚴重地影響了人工砂的推廣使用,敗壞了人工砂的聲譽。對此,我們決不能掉以輕心。國家標准規定,人工砂的顆粒級配一定要合格,顆粒級配不合格的人工砂決不允許使用。其目的就是爲了防止類似的混合砂濫竽充數。

目前在部分機制砂中存在的主要質量問題是:

粒型不好,針片狀過多,這裏有岩石問題,但更主要是設備選型造成,是很多小企業用锷式破碎機或錘式破碎機造成,如果選用專業的制砂機,此問題完全可以解決,此方面已有成熟的經驗。

級配不完全合理,細度模數偏大。多數企業爲減少機械磨損,降低生産成本,生産的機制砂細度模數多爲3.0以上,而配制混凝土細度模數最好是在2.6左右。另外,人工砂的級配區最好爲2區,各級篩余一定要符合標准要求,但有的企業根本不認識或重視此指標,使人工砂的優勢無法體現,在人們還不認識人工砂的階段自己給自己造成阻力。這裏的原因在上述的認識問題中已經提到,目前問題是,首先生産企業自己要先提高一步,而現狀是小型企業多數素質較低,大多數企業自己連以上的基本概念都不懂,甚至連最基本的試驗篩也沒有,如何談得上質量控制。因此,開展基本知識教育非常必要。

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,人工砂生産和使用中同樣要注意除土,除去山皮土和夾層土。但除土決不能放在最後洗掉小于75μm的顆粒的工序上。因爲,石粉也是小于75μm的顆粒,但石粉與天然砂中的泥成分不同、粒徑分布不同、在混凝土中所起的作用亦不同,石粉對混凝土是有益的,有適量石粉的存在,彌補了人工砂配制混凝土和易性差的缺陷,同時,它的摻入對完善混凝土小于75μm特細顆粒的級配,(在這一點上,天然砂由于其生産工藝的限制,其特細級配基本沒有)提高混凝土密實性都有益處,現代混凝土設計理念,是強調發揮骨料骨架的支撐作用,而發揮骨料骨架的支撐作用最有利條件是使骨料之間空隙最小,密實度最高。進而能起到提高混凝土綜合性能的作用,見表1。我國大中城市混凝土多爲泵送混凝土,現行普通混凝土配合比設計規程規定,泵送混凝土的砂中小于300μm的顆粒含量不應少于砂總量的15%。而不少企業的最後水洗工藝,洗走的不僅是泥土(平均粒徑8.4μm),同時,還洗走了有用的石粉(平均粒徑爲44.8μm),並洗走了150μm 300μm,甚至600μm的有益顆粒含量,破壞了砂的級配。見下面的餅圖。       
1

 

 

m3材料用量(kg/ m3

石粉占砂比例%

坍落度mm

和易性

強度(MPa)

   

水泥

Fa

石粉

3d

7d

28d

1

167

300

100

942

0

0

125

嚴重泌水

16.9

23.3

33.8

水洗人工砂

2

186

300

100

904

38

4

160

泌水

19.2

23.5

37.4

水洗人工砂加石粉

3

187

300

100

876

66

7

165

 

 

 

 

 

 

轉:中國砂石協會

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