水泥混凝土中机制砂代替天然河砂的优越性分析

水泥混凝土中机制砂代替天然河砂的优越性分析

许继状

萧县东升建设有限公司  安徽省宿州市  235200

【摘要】十八大以来，习近平总书记提出“绿水青山就是金山银山”的环保理念，加强生态环境保护，是实现经济可持续发展的必然要求。随着交通工程建设行业的不断发展与政府逐渐加大投资力度，对用砂的需求日益增大，由于近几年对河砂盲目与过度的开采，已严重破坏地区的生态环境，甚至已影响人民的日常生活。机制砂在某些地区优越性十分明显，在改善环境保护、提高经济效益中发挥着巨大的作用。在有条件的地区，质量可以保证的前提下，加快推进机制砂代替天然砂将成为新时代下工程建设发展的新趋势。

【关键词】水泥混凝土；机制砂；优越性

引言:在交通公路工程建设施工等经营企业中，在施工中，时刻关注着成本控制、质量、环保等核心问题，为了适应当前交通行业基建发展需求以及政府推行生态环境保护政策的新要求，在严重缺砂的地区，低标号的水泥混凝土机制砂已完全代替河砂进行拌合，并且经大量的实践及试验数据可以证明，机制砂拌合的水泥混凝土在质量控制、成本控制、环境保护、取材及废料利用等方面具有很大的优势。同时机制砂拌合的高标号的水泥混凝土也在大量推广使用中，随着机制砂被大范围的使用，目前制砂的工法也在不断提高改进，干法、湿法、半干法三种制砂工艺生产出的机制砂，完全符合相关行业规范用砂标准，拌合的水泥混凝土完全满足工程现场对不同标号水泥混凝土需求。随着时代的进步与发展，机制砂替代天然河砂的趋势愈发明显，科技与技术的创新将与时俱进，未来交通工程基础设施行业的建设，将有机制砂的一片天地。

1、工程概况

    C311萧城至皖豫界改建工程位于安徽省宿州市萧县境内，起点位于萧城以西C311与S302(现状S301)成Y型交叉处(萧淮客运联络线西侧)，桩号为K39+050, 路线总体呈东西走向，途径杜楼镇红庙村、王寨镇、祖楼镇及青龙镇,并于K58+010.2处下穿G30连霍高速，终点位于皖豫界王引河处衔接G311永城段，桩号为K74+823.647,路线全长约35.775公里，全线需用水泥混凝土共计约7万m³。根据宿州市萧县综合交通体系规划，萧县拥有“四纵五横”铁路公路网络。C311向东延伸至江苏省连云港市，终于河南省南阳市西峡县，G3I1连接苏皖豫三省。G311萧县段作为铁路公路网络“四纵五横”重要的一横，承东接西连接江苏省徐州市和河南省永城市，贯穿苏、皖、豫，在萧县乃至中部的交通路网中起到重要的连通作用。G311萧城至皖豫界改建工程的建成将大力推进萧县现代加工制造产业，积极融入徐州都市圈整体发展策略;规划西部综合经济区大力打造311国道产业走廊，并依托连霍高速公路，积极承接长三角产业转移，强化与淮北、永城、砀山的经济联系，大力发展煤炭开发、边境贸易、农产品加工等主导产业，强化商贸服务及文化旅游等服务职能，打造萧县经济的新兴增长极。

2、机制砂较天然河砂在资源获取方面具有极大的优越性

该项目地处皖北，周边地区山多河少，山体岩性多为石灰岩，石料资源较为丰富，有很多石料矿山，天然河砂资源极度匮乏，质量参差不齐，且无法开采，机制砂原材取材范围极为广泛，石灰岩、花岗岩、石英岩、再生碎石及废气矿渣、混凝土块、卵石等均可作为机制砂的原材料，除此之外，对矿山尾矿处理再利用及按开发利用方案开采过程中不可避免产生的砂石原料；以及建筑垃圾一般固体废物资源再利用的砂石料也可作为机制砂原材料进行生产加工，大大提高了当地固体废物再利用效率。由于机制砂原材料来源十分广泛，可以因地制宜，就地取材，十分便利。机制砂就地取材的便利完全解决了当地城镇化、交通基建施工带来的大量用砂需求的问题。

3、机制砂在生产加工、环境保护及经济效益方面表现出很大的优越性

3.1生产加工及环境保护方面

近几年，我国天然河砂的过度开采，对生态环境的破坏严重的同时，对河道航运、河床造成了许多负面影响，污染了水源，弱化了湿地调节功能，打破了水生生态系统平衡。从而导致湿生植被随其生境面积减少或丧失，减弱了水域生态系统的自我净化和富集污染物质的能力。采砂对河流水体生物多样性也会造成严重威胁，致使水生动植物数量锐减，尤其是部分珍贵的水生物存在灭绝的危险。于是，国家与政府也相继出台了关于河砂开采等很多限制性管理措施。机制砂加工生产车间均采用全封闭式生产工艺流程，采用低耗能设备；对于生产过程中需经常调节介质参数的设备，采用变频调节；变电所尽量靠近用电负荷中心位置等。加工厂站全部实现机械化自动化智能化一条龙生产，全面达到高质高产的效果，采用闭路水循环系统及污水处理系统，污水实现零排放；厂内所有扬尘点设高效除尘设施；厂内道路及地面硬化处理。且原料场、成品堆放区必须用绿色隔离板围挡封闭闭，隔离挡板高度不小于2米。机制砂生产企业必须设置唯一出入口、配备符合要求的车辆冲洗平台及沉淀池等废水处理设施，安装经检定合格的称重地磅，制止违法超限超载车辆出厂，完全符合绿色环保低碳的政策要求。另外，对矿山尾矿处理再利用及按开发利用方案开采过程中不可避免产生的砂石原料；以及建筑垃圾一般固体废物资源再利用的砂石料均可作为机制砂原材料进行生产加工，大大提高了当地固体废物再利用效率，变废为宝，化腐朽为神奇，从而实现对地方环境污染降低到最低，符合当地政府经济可持续发展的战略要求。

3.2经济效益方面

自2019年12月以来，全国各地陆续爆发疫情，对人民出行及道路运输行业造成了巨大的影响，面对天然河砂的稀缺以及道路运输运费的飞涨，远距离运输天然河砂至建设工程施工现场的成本已成倍增加，使得很多经营类施工企业不堪重负，对企业的经营及正常运转造成了不可估量的影响，2022年上半年已有46万家企业破产注销，在经济形势严重下行的压力下，成本控制在当下对工程建设相关企业来说就变得至关重要。该项目建设需用水泥混凝土约7万m³，用砂约6.5万吨。通过市场调查分析，在该项目所在地成品机制砂含税含运费运至施工现场约90元/吨，优质天然河砂中粗砂含税含运运至施工现场约160元/吨，价格悬殊较大，仅仅一个项目约6.5万吨的用砂量，便可降低约450万元的成本。如在该地区大范围的推广使用，将产生巨大的经济效益，带动经济效益同时，还可以带动地方的就业发展。在经济效益方面，机制砂相较于天然河砂具有巨大的市场潜力和优越性。

4、机制砂在加工品质控制方面具有较大优越性

现如今，大规模成片区的开采天然河砂已基本不太现实，工程施工现场的天然河砂来源地天南海北，导致了天然河砂质量参差不齐，质量难以有效控制，即使是天然河砂，时常出现含泥量及泥块含量超标现象，在加之目前天然河砂价格居高不下，更使得天然河砂质量良莠不齐，根本无法保证河砂到达现场的质量，甚至会出现运到现场在退回厂家的现象。目前，本项目用洁净弱风化石灰岩采用干法、半干法、湿法三种制砂工艺加工生产出的机制砂，经过试验室大量的进行试验检测，干法、半干法及湿法制砂，MB小于等于0.8%，石粉含量小于等于10.0%，用硫酸钠溶液法试验，砂的质量损失小于等于6%，单级最大压碎值指标小于等于18%，完全符合公路桥涵施工技术规范（JTG/T  3650-2020）中Ⅱ类机制砂标准要求，可以推荐试配等级在C30-C60之间及有抗冻、抗渗或者有其他要求的水泥混凝土。另外，对于对矿山尾矿处理再利用及按开发利用开采过程中不可避免产生的砂石原料生产机制砂仍然可以达到Ⅱ类机制砂标准要求，建筑垃圾一般固体废物资源再利用的砂石料作为原材料采用干法生产加工的机制砂，经试验检测，MB小于等于1.4%，石粉含量小于等于15.0%，由于未进行预先洁净处理，后期经过工艺优化，石粉含量可以控制在10%以内，最终用硫酸钠溶液法试验，砂的质量损失小于等于10%，单级最大压碎值指标小于等于30%，完全符合公路桥涵施工技术规范（JTG/T  3650-2020）中Ⅲ类机制砂标准要求，可以推荐试配等级在C30以下水泥混凝土和砌筑砂浆。详细指标见下表一。

                          表一

经过近几年工艺的不断完善，生产设备的不断更新，在先进的科学技术力量的推动下，机制砂的加工工艺已愈发成熟，生产加工的机制砂不仅有着较好的与水结合的能力和稳定性，而且还具有着极强的可控制，可塑造，可改良，可调整，可增强性能。通过三种制砂工艺生产出的机制砂，目前已完全可以控制机制砂的细度模数的区间值，甚至可以精确控制石粉的含量。大规模生产机制砂的同时，质量稳定可靠是机制砂生产的另一大优点，目前生产出的机制砂综合性能指标已有接近甚至超过天然河砂的产品，后期将根据生产不同的标号的混凝土，选用不同制砂工艺及原材料，在保证质量的同时，也能最大化的保证工程项目的经济效益。

5、机制砂水泥混凝土拌合物在特定的工作性能中具有强大的优越性

5.1抗压强度指标

水泥混凝土强度历来是混凝土关键评定指标，其重要性不言而喻，本项目其中一部分标号混凝土在选用机制砂拌合时，在同等条件下进行了两组拌合试验，见下表二，从表中可以看出，无论是早期混凝土强度还是28d混凝土强度均高于机制砂拌合物均高于河砂拌合物，混凝土终凝时间机制砂较短，由于机制砂的石粉含量一般略高于河砂，机制砂拌制坍落度度略小于河砂，通过反复试验表明，需增加0.2kg的减水剂，机制砂拌制的混凝土的坍落度能达到河砂一样的效果。通过反复的试验及大量数据证明，合理调配机制砂混凝土配合比，其综合工作性能完全能达到甚至超过河砂拌制混凝土。

表二C30机制砂与天然河砂混凝土拌合物详细数据对比

5.2水泥混凝土的抗渗及抗冻性能

水泥混凝土的抗渗性能主要决定因素是混凝土的密实度、内部孔隙的大小及内部缝隙的构造，由于机制砂中一般石粉含量高于天然河砂，在混凝土拌合中填充其中孔隙。通过研究表明，机制砂中的小于75μm颗粒完全可作为一种有效的填料，虽然不具有胶凝特性，但填充了混凝土中的内部孔隙，从而提高了混凝土密实性能，增强了水泥与骨料界面粘结；使得全部材料充分融合为一个整体，另外有人通过化学研究认为：机制砂的中小于75μm的颗粒能与硅酸三钙快速发生水化反应，并快速与铝酸三钙、铁铝酸四钙反应生成结晶水化物，这种物质能改善水泥混凝土中的内部缝隙构造，综合以上原因，因而机制砂拌制混凝土能大幅提高其抗渗性能。

    北方的冬天气温较低，因此混凝土抗冻性能否满足要求，将面临一个巨大的考验，关于机制砂混凝土抗冻性试验可参考性较小，于是我们委托试验室做了一个关于混凝土抗冻融的耐久性试验，试验规程依据公路工程水泥及水泥混凝土试验规程进行试验，通过试验结果，经过250次的循环冻融，机制砂拌制的混凝土试件的质量变化率指标及试件的质量损失指标均小于天然河砂拌制的混凝土。另外机制砂拌制的混凝土的最大抗冻融循环次数及冻融结束后弯拉强度均高于河砂拌制混凝土。

从以上试验数据及相关研究表明，机制砂拌合的混凝土拌合物在某些特定的工作性能方面具有巨大的优越性，例如混凝土整体的密实性、抗压强度、一些特定的耐久性指标均有所增强，而且后期随着相关研究的深入，机制砂拌合的混凝土还有更多的优点有待发现。

结束语

在科技技术不断飞速跨越式发展的当下，工程人不断追求新的技术与工艺的决心从未改变，经过大量实践项目证明，机制砂的优越性越来越强，机制砂拌制的混凝土也表现出强大的工作性能，从当前来看，机制砂在资源获取方面、加工生产、质量控制、生态环境保护、经济效益及特定性能方面等表现出强大的优越性，在未来时代发展的浪潮中，机制砂必将逐步取代天然河砂，成为建筑材料当中不可或缺的重要组成部分。

参考文献：

[1]JTG/T 3650-2020,公路桥涵施工技术规范[S].人民交通出版社,2020

[2]刘三豆.欧宁.林旭,浅谈机制砂替代河砂用于高标号混凝土的可行性.湖南交通科技,[J].2012(03) 1008—844X (2012 )01—0092—02