基于水工混凝土施工規范的人工砂質量評定標準與生產工藝研究*

余 沛 高素芹

(信陽學院土木工程學院 河南信陽 464000)

最新版本的《水工混凝土施工規范》對人工砂的品質提出了某些新的指標要求，如石粉含量，對常態混凝土，石粉含量為6～18%，碾壓混凝土為10～22%，人工砂的細度模數宜在2.4～2.8，人工砂飽和面干的含水率不宜超過6%，其指標較以前頒布的規范有較大的提高；另外新規范中對含泥量和輕物質不再提及。但不允許出現泥塊和有機質含量[1].石粉含量指標的提高源于目前已建工程積累的經驗.這和2019年頒布的《高性能混凝土用骨料》(JG/T568-2019)對人工砂的要求一樣，區別在于本規范中對人工砂分為特級和一級，其中飽和面干吸水率特級(≤1.0%)、一級(≤2.0%)，石粉含量與石粉亞甲藍值MBF有關，含量范圍為3～15%。

石妍等[2]以水工ECC為研究對象，研究了人工砂最大粒徑對水工ECC拌合物、變形性能及物理力學的影響規律，研究結果表明：人工砂越細，水工ECC的力學強度與彈性模量越高，水工高延性纖維增強水泥基復合材料拌合物的極限延伸率明顯增大。陳業廣[3]以C30水工混凝土為研究對象，研究了人工砂生產過程中石粉含量對水工混凝土絕熱溫升的影響；試驗結果表明：減輕水工混凝土絕熱溫升和石粉含量的影響可以通過減少水泥水化放熱和優化混凝土配合比等措施，為混凝土施工質量和溫度控制提供理論參考。張巖等[4]以抗沖磨混凝土為研究對象，研究了人工砂石粉含量對抗沖磨混凝土性能的影響，研究結果表明：人工砂石粉含量在10%左右，對混凝土抗沖磨綜合性能最優，為雙江口水電站人工砂的生產提供了理論參考；鄭順祥等[5]以云母為研究對象，研究了人工砂骨料中云母含量對混凝土及砂漿性能的影響，研究結果表明，小粒度和高含量云母對砂漿體積穩定性和抗裂性能影響較大。人工砂中石粉含量對水工混凝土及摻加泵送劑的混凝土有一定影響[6-8]，人工砂MB值對水泥砂漿和易性產生較大影響[9]，而人工砂母巖巖性和細度對人工砂MB值影響較小，石粉含量和黏土礦物種類對人工砂MB值影響較大[10]，作為混凝土原材料的人工砂，要控制其質量，提升混凝土的性能[11-12]，李青等[13]以水運工程為研究對象，分析了人工砂石粉含量、河砂與人工砂不同配合比及摻加粉煤灰等對抗凍混凝土的影響，研究結果表明，人工砂與河砂進行一定比例的混合可有效控制石粉含量，改善人工砂混凝土的工作性能，提升混凝土的力學性能和耐久性。利用人工砂與天然砂混合，可以有效解決人工砂質量不達標的狀況，提升混凝土的質量，節約水利工程材料緊缺的問題[14]。

可見，由于巖性不同，生產工藝各異，石粉含量的獲得及其對混凝土的影響也不同；而含泥量雖然在規范中不再提及，但如果原料未曾洗泥，干法生產所得的人工砂在某些情況下粉狀泥的含量仍可能對混凝土造成嚴重危害，因此如何從本質上了解人工砂的級配以及石粉的特征對實際生產中正確運用規范具有積極的意義。

1人工砂的粒形、級配和表面組織

1.1人工砂粒形

粒形用顆粒各坐標軸向尺寸：長(a)，中(b)和短(c)下列比例來描述。

針狀率=q=b/a

片狀率=p=c/b

形狀系數=F=p/q=ac/b^2

當形狀系數大于1時，中間長度接近最短長度，標明顆粒為扁長狀；當形狀系數小于1時，中間長度接近最長長度，標明顆粒為扁球狀。對砂石顆粒形狀最準確的評價可通過測定處于松散澆筑狀態時骨料的孔隙率獲得。就整個骨料粒徑范圍而言，孔隙率是粒形很好的衡量標準。

(1)孔隙率。不同粒形將影響骨料的孔隙率，從而影響混凝土配比、力學性能和混凝土拌制的經濟性。粒形方正的顆粒比針片狀的顆粒更適合做混凝土骨料，因為每單位體積中它們的表面積相對較小，同時，壓實后有更高的密實度。在和易性一定情況下，混凝土所需細骨料的級配受骨料本身特性的影響。Talbot公式得出的級配曲線，如式1?？紤]了粒形的影響，給出了填滿顆?？紫端璨牧系陌俜直?。

P=(d/D)n

(1)

式(1)中：P=通過篩孔d的累計百分比，d=指定篩孔尺寸mm，D=骨料的最大尺寸mm，n=與顆粒粒形有關的系數。

(2)膠漿量。對新鮮的混凝土，骨料的顆粒形狀、棱角性以及骨料表面構成都將影響水泥膠漿用量。水泥膠漿除了填充骨料間的孔隙，還需要足量的膠漿“浮起”骨料，以使整個混合物有足夠的塑性來實現充分拌和幾個組成部分均勻擴散。

最佳的混凝土配合比，水泥膠漿的體積要和壓實后骨料中孔隙的體積相同，同時還要有足夠的額外水泥膠漿以實現和易性。兩種混凝土，水灰比相同，其最大粗骨料粒徑均為38cm。選擇“方正”骨料與“粗糙和帶角”骨料制備混凝土，兩者膠漿量的差值為8%。細骨料中孔隙增加4%，會導致水的需求量升高14.9L/m3，壓縮強度降低6.9MPa。若增加的是粗骨料的孔隙量，水的加入量也會增加3.8～5.7L/m3。

1.2人工砂的級配

(1)人工砂的理論級配。表1中給出了細骨料指數為0.3、0.4和0.5時，Talbot公式計算級配結果，如表1所示。該表中同時還包括ASTMC-33中列出的用于硅酸鹽水泥混凝土的細骨料級配規范。

表1 人工砂的不同級配計算結果

由于細骨料粒形變差(n值減小)，級配將偏離ASTMC-33中的規定。由此可以得出結論，細骨料的粒形耀其可能的接近方正，如果顆粒不方正，這將導致砂的級配中細料增多，進而使得不良粒形的砂比表面積較高，進一步降低了混凝土的質量，增加了拌和中水泥和水的需要量。

(2)人工砂的標準級配。數學模型(P=(d/D)n)不能反映整個ASTMC-33所限制的級配。對級配曲線，Talbot公式得出的理論曲線通?？缮a出和易性好的混凝土，但對在3.0～4.75mm粒徑范圍的石料，其百分比可能會因為定得太高反而不能生產出和易性較好的混合料。

Talbot級配曲線的一個有趣現象是，當人工砂指數降低時，需要增加細骨料數量。多年研究證明，架設人工砂顆粒是方正的或相同尺寸的，人工砂中小于0.150mm的骨料的數量增加會提高混凝土的和易性，或是增加其抗壓強度。

2石粉含量對混凝土特性的影響

2.1骨料的比表面積

骨料每一顆粒的每個表面都必須有水泥漿包裹以便粘結在一起。比表面積是顆粒表面積和體積之比，比表面積越大，膠凝材料所需越多。

根據GB/T14684-2011《建筑用砂》，人工砂石粉的粒徑為小于0.075mm的顆粒，傳統的混凝土生產技術和觀念認為，特細骨料(小于0.075mm)的含量要保持到絕對最小。在混凝土生產中，限制此類骨料數量的原因是因為考慮了天然砂的使用經驗以及這樣的事實：即那些對混凝土制造有害的物質，如粘土，粉砂和其他化學物質都在尺寸范圍內。

對天然砂和人工砂骨料級配進行增加<0.075mm粉料試驗，其結果表明，當<0.075mm的顆粒在天然砂級配中出現時，水的需求量迅速上升；而在人工砂中，同樣的水需求量增加的現象并沒有發生，直至<0.075mm的骨料含量超過15%。對于恒定水灰比的混凝土，人工砂中隨著<0.075mm的顆粒的增加，抗壓強度會增加，但這種現象不會出現在天然砂中。

2.2石粉含量對混凝土強度的影響

在混凝土試驗中，將水灰的比保持在0.70，對天然砂和人工砂做比較，配比成分如表2所示。

表2 天然砂與人工砂的配比成分比較

對于小于0.075mm骨料不同摻量所拌制混凝土，其混凝土的抗壓強度如表3所示。

表3 天然砂與人工砂的抗壓強度比較

試驗數據表明，人工砂制成的混凝土中<0.075mm骨料含量提高會顯著增加混凝土的抗壓強度，而用天然砂制成的混凝土中<0.075mm骨料含量高則對抗壓強度無任何改善。

這就表明現行的混凝土細骨料的規范對混凝土的應用有不適當的約束。在人工砂中增加<0.075mm石粉，當其含量超過10～15%時，對混凝土的性能非常有益。使用高石粉含量的人工砂制備的混凝土，比使用正常天然砂制備的混凝土有更高的抗壓強度。

2.3石粉含量對混凝土其他性能的影響

混凝土的抗壓強度是常用的混凝土質量評定依據。然而，混凝土的其他性能也同他抗壓強度一樣重要。<0.075mm石粉含量對混凝土和易性、抹光性、混凝土耐久性/滲透性、混凝土析水性有影響。

(1)石粉含量對混凝土和易性的影響。人工砂中<0.075mm骨料的含量與一定和易性的水泥砂漿的需水量之間存在一定特殊關系。這種關系表明，當<0.075mm石粉的數量超過10%，水的需求量相當固定，特別是當顆粒含量很高時，由于<0.150mm石粉的潤滑作用，水的需求出現下降。

(2)石粉含量對混凝土抹光性的影響。在整個級配中，當人工砂的顆粒形狀大多為正方時，且使用適合的級配，隨著<0.075mm石粉含量的增加，其混凝土的抗壓強度機和易性均優于使用天然砂的混凝土。

(3)石粉含量對混凝土耐久性/滲透性的影響。<0.075mm骨料的百分比含量高、級配好、粒形方正，就可以保證骨料有效壓實，混凝土拌和更粘稠，有利于混凝土的耐久性、滲透性；在水泥膠漿中，特細顆粒有效填充孔隙，能阻止毛細管作用的生成、組織液體的流動、減少滲透。同時，由于防止了化學物質和液體侵入混凝土塊中，提高了其耐久性。

(4)石粉含量對混凝土析水性的影響。人工砂中<0.075mm石粉含量越高，混凝土中的析水率就會越低。用<0.075mm石粉含量在12～15%范圍的人工砂生產混凝土，在濕度低、風干燥的氣候中使用時，就會發生塑性收縮的現象。天然砂和人工砂中<0.075mm石粉含量相同，混凝土的塑性收縮無明顯的區別。高石粉含量的混凝土，塑性收縮性必須嚴格監控。

2.4石粉和粘土的判斷

砂當量試驗用于檢驗人工砂會導致含有高石粉的人工砂不允許使用。因為石粉會處于懸浮狀態，好像粘土含量高的不可思議，而事實上，砂中沒有一點粘土，僅有石粉。能夠區分有不同物理和化學性能的細顆粒是很重要的。為便于區分石粉和粘土，砂當量試驗可與亞甲基藍試驗一起做。該試驗的原理是亞基藍能吸收附在顆粒的表面。粘土的含量越高，就需要越多的亞甲基藍來“覆蓋”顆粒。

3人工砂的生產工藝及設備

人工砂的生產工藝與設備是密不可分的。幾十年來，制砂設備和工藝都有了很大的發展。共棒磨機到圓錐破碎機再到立軸沖擊式破碎機作為制砂設備，人們的認識逐漸深入，制砂方法也出現多種類型，如：棒磨機單機制砂；圓錐破碎機+棒磨機制砂；立軸沖擊破碎機制砂；圓錐破碎機+立軸沖擊破碎機制砂；棒磨機+立軸沖擊破碎機制砂等等。而決定工程最后選擇何種制砂設備和生產工藝卻取決于很多因素。歸納起來有以下幾個方面。一是對人工砂品質的要求：常態混凝土、RCC混凝土對人工砂的要求不一樣，遇冷混凝土與常溫混凝土對人工砂品質要求也不一樣；二是巖石的特性，如結晶顆粒形態，二氧化硅(SiO2)含量；三是經濟性考慮；四是生產企業的管理水平。

3.1人工砂主要生產設備

(1)棒磨機。作為傳統的制砂設備在國內外無論過去或現在都得到廣泛使用。如巴西伊泰普，中國烏江渡和五強溪工程均全部采用的是棒磨機制砂。棒磨機的主要優點是砂的生產工藝簡便易控制，成品砂的質量級配和粒形優良；缺點是能耗和噪音大，對磨蝕性強的巖性鋼棒耗量大、成本高，而且由于成砂率偏低、細砂回收和廢水處理都存在一定難度。但對于石灰巖類巖石，棒磨機仍是優選設備。

(2)圓錐破碎機。超細腔形的圓錐破碎機制砂在歐美國家應用非常普遍。絕大多數道路工程，城建工程均采用圓錐破生產的人工砂。在水電工程中，委內瑞拉的古力大壩全部采用圓錐破碎機生產人工砂。

在我國，圓錐破碎機制砂也曾有使用，如天生橋水電站采用66“旋盤式圓錐破碎機”生產人工砂；三峽工程國家“七五”“八五”攻關項目，也曾將人工砂生產列入攻關課題。對于用圓錐破碎機制砂進行了生產性試驗。綜合各方面的使用經驗，圓錐破碎機制砂有如下特點：①產品粒形：由于其破碎機理是層間擠壓破碎，因此產品的粒形較好；②級配：級配偏粗，石粉含量較低，細度模數普遍在3.3以上；③對制砂原料的含水量和含泥或粉料十分敏感，易發生悶腔現象；④運行成本相對較低，襯板磨損和能耗均較棒磨機低；⑤對巖石的適應性較強。因此，對圓錐破碎機制砂，只要嚴格管理，其仍然是一種非常好的制砂設備。

(3)立軸沖擊式破碎機。立軸式沖擊破碎機是目前采用的越來越廣泛的制砂設備。適用于各類巖石包括花崗巖、輝綠巖、沙眼、石灰巖等。主軸沖擊式破碎機主要有兩類：“石打石”和“石打鐵”?！笆蚴绷⑤S沖擊式破碎機的工作原理是石料經高速旋轉的“轉子”從周邊拋出，作用于石料襯墊上發生撞擊、磨蝕、摩擦進而實現破碎結果，這一作用類似于天然砂的形成，因而其人工砂的粒形較好?！笆蜩F”主軸沖擊式破碎機的工作原理與“石打石”基本相同，所不同的是拋出的石料不是作用于石料襯墊上，而是作用于合金砧板上。正是由于拋出石料的作用對象不同，其生產的人工砂存在一定差異。

“石打石”與“石打鐵”兩類破碎機制砂各有其特點。其比較見表4所示。從表中可見“石打石”生產人工砂在許多方面優于“石打鐵”生產的人工砂。國內目前已積累的試驗結果證實了這一觀點，但由于試驗的范圍、數量有限，因此對這一觀點也存在爭議。

表4 人工砂破碎機的對比

3.2人工砂的生產工藝

認識了人工砂的品質要求以及生產人工砂的主要設備的特點，分析目前正在采用的人工砂生產工藝，發現存在以下問題。

(1)人工砂的粒形控制并沒有得到應有的重視。如粗骨粒生產時產生的-5mm或-3mm細料直接作為人工砂摻和使用，而未作任何整形處理。

(2)人工砂級配穩定性在工藝流程中無很好的保證措施。對于兩種或多種設備生產的人工砂需摻和時，一般只是簡單摻和，將細度模數控制在一定范圍內就行了。而實際上，國外對砂的級配組成控制得相當嚴，配有專門的設備和設施。

(3)石粉的生產和回收積極性不高。對于濕法生產，由于石粉的回收十分困難，而且成本高。對于干法生產，除塵技術和裝備都與歐美國家有很大差距，推廣應用干法生產尚需時日。因此，加工廠的經營管理者積極性不高。

4結語

(1)由于人工砂的品質直接影響混凝土的成本以及混凝土的特性。高品質的人工砂雖然其生產成本較高，但混凝土的生產成本(如水泥用量、溫控設施等)將有較大幅度降低，同時混凝土的質量也有顯著提高。建議對人工砂采用優質優價的采購政策，以提高砂石供應商生產高質量人工砂的積極性。

(2)生產人工砂的骨料需預先進行充分洗泥(對于石灰巖尤其如此)，以確保人工砂中-0.15mm粉料均為石粉，同時為保證石粉的收集，應采用干法生產。

(3)對粗骨料生產中產生得-5mm細料，應全部進行處理后再進入成品堆場(如進入立軸沖擊破整形處理)。為保證人工砂級配的連續性，建議所有成品砂均應取自同一工序：例如均出自篩分車間的篩分機或螺旋分級機。