编者按：中国砂石协会定于2023年12月5日—7日，在中国上海召开第八届中国国际砂石骨料大会（点击了解）。本次大会在砂石行业内广泛征集了学术论文，今日，中国砂石协会融媒体中心推出杨安民、李彬、熊浩撰写的《砂石骨料在混凝土中的研究进展》一文，以飨读者。本文详细介绍了人工机制砂代替天然砂石骨料制备环保混凝土的最新研究成果，并从和易性、力学性能、耐久性和微观结构性能对环保混凝土的性能进行了阐述。本文还对砂石矿山的区域位置、产品的品质及生产线的工艺等对企业盈利的影响进行了探讨。砂石骨料在混凝土中的研究进展杨安民1，李彬2，熊浩2（1. 上海山美环保装备股份有限公司，上海，201414 2.洛阳理工学院，洛阳 471023）
【摘要】河砂是用于制造混凝土和砂浆的细骨料的重要材料之一。由于河沙开采变得越来越困难，建筑行业砂石骨料的需求不断增加。为满足日益增长的需求和保护环境需要，在混凝土中使用机制砂代替细骨料将是一种十分有前景的方法。固体废物经粉碎后可以有效地替代混凝土中的天然砂石骨料。本文主要综述了利用人工机制砂代替天然砂石骨料制造各种等级环保混凝土的相关文献，并从和易性、力学性能、耐久性和微观结构性能等方面报道了不同的环保混凝土的性能。这将很好地让广大读者了解近期科研人员在混凝土中使用机制砂和再生骨料的相关研究工作。【关键词】砂石骨料；再生骨料；固废利用；混凝土
Research on the application of sand and stone aggregate in concrete
Yang Anmin1, Li Bin2, Xiong Hao2
(1. Shanghai Sanme Mining Machinery Corp., Ltd., Shanghai, 201414
2.Luoyang Institute of Science and Technology, Luoyang 471023)
Abstract: River sand is one of the important materials used in the manufacture of fine aggregates for concrete and mortar. As river sand mining becomes more and more difficult, the demand for sand aggregate in the construction industry is increasing. In order to meet the growing demand and protect the environment, the use of manufactured sand instead of fine aggregate in concrete will be a very promising method. After grinding, solid waste can effectively replace natural sand and stone aggregate in concrete. This paper mainly reviews the relevant literature on the use of artificial sand instead of natural sand aggregate to produce various grades of environmentally friendly concrete, and reports the performance of different environmentally friendly concrete in terms of workability, mechanical properties, durability and microstructure properties. This paper will be a good way to inform readers of recent research on the use of manufactured sands and recycled aggregates in concrete.
Keywords: Sand and stone aggregate; Renewable aggregate; Utilization of solid waste; Concrete
1.引言砂石骨料是混凝土的重要组成部分，约占混凝土体积分数的60%以上，广泛应用于基础工程建设中。随着天然砂石的大量开采，河道里的沙石资源变得越来越少，而且开采成本也较高。因此，基于建筑固体废弃物粉碎制备可再生砂石骨料用于混凝土的研究具有重要意义。本文结合近几年砂石骨料在混凝土中的应用情况，总结一些相关科研工作者的研究成果。将建筑垃圾、废尾矿等固体废物粉碎后得到的可再生砂石骨料在混凝土中的利用进行归纳和总结。
2. 混凝土骨料发展现状砂石骨料是第二大天然消耗材料。2019年全球的砂石骨料总产量约为500亿吨，其中中国的砂石骨料约有200亿吨，占全球总产量的进一半。印度的砂石骨料总产量约为50亿吨，排名第二。美国砂石骨料总产量约为25亿吨，同比增长近5%，总产量排名世界第三[1]。2020年中国混凝土行业上半年产量约为12亿立方米，前九个月的累积总产量约为20亿立方米，全国混凝土总产量与2019年持平[2]。但是目前房地产不景气，基建投资不如预期，混凝土企业开工率不足50%，部分区域甚至不足30%，市场竞争逐渐进入白热化。与此同时，大型水泥、建材、城投企业纷纷踏足砂石产业，砂石产能集中度不断提高，众多大型绿色砂石矿山项目相继落地。面对砂石市场供需失衡、产能过剩，砂石价格一跌再跌的市场困境。决定企业是否具有竞争力的关键是保证品质的情况下节约成本。
决定成本的首要因素是矿山的区域位置，在排除区域位置干扰的前提下，产品的品质及生产线的工艺就会成为企业盈利的关键。
3. 砂石骨料生产成本控制
近年来，很多企业把重点放在绿色环保上，在矿山生态环境建设方面投入巨额资金，忽视了砂石生产线的设计和建设不合理这一重要问题，导致项目生产运营费用过高。在施工过程中对施工质量进行控制，主要控制混凝土拌和、混凝土运输入仓、混凝土浇筑和混凝土振捣作业过程[3]。通过制定混凝土骨料的产品质量等级和市场价格，可以有效提升混凝土砂石骨料的市场竞争力。采取的措施包括，粒径尺寸控制、含砂量大小等[4]。对于不同类型的矿山和地域市场需求多样化特点，制砂工艺的选择尤为重要。有针对性的分析矿山母岩的物理化学性质，再结合企业产品的市场定位，量身定制的工艺方案，既可以用技术来保障产品品质，又可以在设计阶段就做好生产成本的预设和把控。
对矿山母岩制备砂石骨料的生产流程进行设计，对矿山母岩进行物理化学分析后，设计出有针对性的生产方案，通过两级、三级，甚至四级破碎方案，保障各工艺段具有合理的破碎比，进而保障合理的能耗值和产品结构，如图1所示。还要对砂石骨料产品进行优化设计，针对高品质骨料的级配、粒型等核心要求，工艺设计围绕以上核心点进行产品优化设计，有选择的“多筛少破”和整形，提升产品品质。同时保证砂石骨料的破碎工艺简洁，设备使用、维护方便，操作简单、维修方便的“傻瓜机”是骨料生产线第一选择。此外，还要求建材设备数量要少，型号尽可能统一。因为设备数量少，故障点减少，土建费用也会相应降低。型号统一，备品备件费用低，管理方便。最后还要求设备运转率高，对于砂石骨料生产线来说，最核心的指标是运行稳定，高运转率高意味着高效能，低成本。
图1 某建材项目机制砂工艺流程
Fig. 1 Sand aggregate production process of a building material project
4. 再生砂石骨料混凝土
王承军等[5]在利用铜尾矿制备机制砂的过程中发现，对铜矿区域的废石不需要进行区分可直接利用，同时铜尾矿废石还具有优异的力学性能，用铜尾矿废料制备的机制砂可满足混凝土骨料的强度要求。唐迎杰等[6]用铁尾矿废石制备的机制砂完全代替天然砂石，制备了铁尾矿砂石骨料的混凝土，并研究其工作性、力学性能和耐久性。研究结果表明：铁尾矿骨料混凝土的抗氯离子渗透性能、抗碳化性能、抗冻性能及抗硫酸盐侵蚀性能与天然砂石骨料混凝土都十分接近。张道平[7]尝试用煤矿中的煤矸石替代天然砂石骨料，对煤矸石的骨料类型和替代比例进行实验设计，并对煤矸石骨料混凝土的物理特性、工作性能和流动性进行研究发现：煤矸石粗骨料相比于其细骨料对混凝土产品的影响更加显著。王卫娟[8]用建筑垃圾制备再生砂制备绿色混凝土，建筑垃圾再生砂粉的含量占混凝土的比例为70%，其制备的轻质混凝土及制品实现了节能低碳生产。申洪波等[9]对沙千水库拱坝的混凝土砂石骨料进行试验和分析，通过对坝址区岩屑石英砂岩的系列试验分析发现：采用沙千水库当地砂岩料加工大坝填筑混凝土砂石骨料的方案具有较高的合理性，而且大坝混凝土的技术参数、工程适应性好，对拱坝进行混凝土填筑后大坝整体安全性较高。
汤小文等[10]研究了水工混凝土中粗细骨料对混凝土性能的影响，发现碎石骨料的粒型的均匀性、形状、颗粒级配等因素可以提高混凝土中骨料的堆积程度，降低孔隙率，减少水泥砂浆的填充用量，这大大降低了水工混凝土的生产成本。吴跃文[11]也研究了砂石骨料对混凝土性能的影响，对砂石骨料的成分进行分析，并对混凝土的组分、结构、材料进行了分析，阐述了提高砂石骨料品质的要点和方法。申明娟[12]研究了砂石骨料中石粉的含量对混凝土工作性能、耐久性和力学性能的影响。研究结果表明：混凝土中水泥砂浆的流动性随石粉含量的增加而降低，混凝土的干缩率和抗压强度随石粉含量的增加而增大。孟书灵等[13]设计了混凝土骨料级配优化方案及评价方法，针对混凝土进行细骨料级配优化，有效地改善了混凝土的工作性能和力学性能。刘云鹏等[14]对特种骨料混凝土进行了综述分析，重点对轻骨料混凝土、重混凝土以及再生骨料混凝土三类特种骨料混凝土的研究进展与发展趋势进行总结，介绍了特种骨料的性质、混凝土界面过渡区结构与混凝土施工性能等方面的技术现状。上述这些砂石骨料混凝土的研究对土工混凝土的未来发展方向具有一定的指导意义。Zhang等[15]制备的珊瑚-海水-海砂混凝土的形貌如图2（a）所示，珊瑚-海水-海砂混凝土在压剪复合作用下的力学性能如图2（b）所示。设计了54个混凝土试件进行剪切试验，考虑了不同的正应力比、养护龄期和不同骨料类型等参数。通过观察试件在压剪应力联合作用下的损伤形态，得到了珊瑚-海水-海砂混凝土的剪切应力-位移曲线。此外作者分析了不同正应力比对珊瑚-海水-海砂混凝土试件抗剪强度、峰值剪切位移和损伤演化模式的影响。Zhang等还提出了两种更能反映压剪联合作用下CSSC抗剪强度的破坏模型，建立了不同法向应力比下的珊瑚-海水-海砂混凝土的压剪损伤本构模型。
图2 （a）珊瑚-海水-海砂混凝土的表面形貌[15];(b) 珊瑚-海水-海砂混凝土的剪切强度和位移关系图[15]
Fig. 2 Surface disruption morphology of coral seawater sea sand concrete[15]; (b) Shear stress-displacement curves of coral seawater sea sand concrete under Normal stress ratio[15].
Graziano等[16]通过使用工业废物陶瓷抛光渣、废玻璃作为轻质膨胀混凝料来生成轻质混凝土骨料，如图3所以。然后将这种轻质骨料在中试规模实验中用作粗骨料制备轻质混凝土和多孔混凝土，以实现在结构、隔热和隔音方面的应用。轻质混凝土的技术性能符合轻量化结构混凝土抗压强度大于25MPa，实验中制备的泡沫混凝土测得的热导率范围在18~24 W*m-1K-1之间，满足混凝土的标准要求。
图3 工业废陶瓷制备的轻质混凝土骨料形貌
[16].Fig. 3 Morphology of lightweight expanded aggregates[16].
Jadon等[17]采用天然骨料设计了两种设计混合料。用再生粗骨料代替天然粗骨料，用石粉代替天然河砂，得到了0~100%的等效混合料。通过添加不同剂量的高效增塑剂，不同混料的坍落度值大致相同。评估了混凝土在硫酸盐侵蚀和高温下的耐久性。试验结果表明，利用这些废弃物制备优质混凝土具有良好的前景。研究还发现，以再生混凝土骨料为粗骨料、石粉替代河砂40%的混凝土在强度和耐久性方面取得了较好的效果。Yang等[18]研究石粉掺量对机制砂混凝土碳化性能的影响，以提高机制砂混凝土的耐久性，促进机制砂的应用。用不同石粉含量的机制砂混凝土测试了碳化深度、孔隙溶液pH和钢筋的半电池电位。利用扫描电镜分析了机制砂混凝土碳酸化的机理，实验流程如图4所示。实验结果表明，随着石粉含量的增加，钢筋碳化深度和腐蚀概率先减小后增大。机制砂混凝土孔隙溶液的碳酸化深度和pH可划分为完全碳酸化带、部分碳酸化带和非碳酸化带。当石粉含量为7%时，在不同碳化年龄下，碳化深度达到最小值，螺纹钢半胞电位达到最大值，部分碳化带的末端深度和长度达到最小值。碳化年龄为120 天且石粉含量超过7%时，钢筋半电池电位仅处于中概率腐蚀区，其余情况均处于低概率腐蚀区。电子显微图像表明，低石粉含量通过物理充填和化学反应增加混凝土密度。然而，高石粉含量降低了混凝土的工作性能，增加了混凝土成型后的孔隙率。因此，综合评价石粉的碳化性能时，石粉的最佳掺量为7%。
图4 石粉掺量对机制砂混凝土碳化性能的影响研究概略图[18].
Fig. 4 Study on the influence of stone dust content on carbonation performance of manufactured sand concrete[18].
Shen等[19]以河西-百色高速公路工程为例，对数字控制机制砂清洁生产和再生石粉生态利用进行了研究。该新型生产系统不仅可以生产出高质量的制砂，还可以回收废石粉，减少环境污染。与普通制砂相比，数字控制机制砂具有更合理的级配、可修改的颗粒形状和可调节的石粉含量，这将大大简化数字控制机制砂的生态应用。对不同工程配合比下细骨料类型和石粉掺量的性能进行了评价。结果表明:与普通机制砂混凝土相比，掺数字控制机制砂混凝土的工作性能平均提高16.19%，强度平均提高7.1%，并具有优异的抗氯离子渗透性能。数字控制机制砂的应用也降低了混凝土中水泥和补充胶凝材料的含量。再生石粉全面应用于制砂的数字化控制清洁生产。实现了废石、废石、废尘、废浆等固体废物的零排放，取得了显著的经济效益和生态效益。Miah等[20]用高达75%的废轮胎细骨料代替砂制备的混凝土的机械强度、收缩率、耐久性和结构性能。实验结果表明，随着废轮胎细骨料含量的增加，坍落度、干密度和机械强度均降低。当废轮胎细骨料含量为75%时，混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度分别降低了71~77%和59 ~62%。当废轮胎细骨料含量为75%时，杨氏模量下降约71~77%。相比之下，75% 废轮胎细骨料的梁的抗弯承载力下降了约63-69%。100天的收缩率试验显示，废轮胎细骨料在20%以下时混凝土没有明显的收缩率。统计分析显示，在混凝土中掺入废轮胎细骨料对机械和耐久性性能没有显著影响。结果表明，在许多设计强度不高的结构混凝土中，20%的废轮胎细骨料可以用作河砂的替代品。Jeyanthi等[21]将废铸造砂和花岗岩废料作为混凝土的替代材料。选择了高强混凝土标号M50，并确定了其配合比。将废铸造砂部分置换为细骨料。按细骨料重量计算，废铸造砂部分替代率分别为5%、10%、15%、20%、25%、30%。研究者将废花岗岩的比例固定为20%。以20%花岗岩废料为原料，采用不同比例的废铸造砂浇筑混凝土立方体和圆柱体。对部分置换混凝土试件进行了抗压强度试验和劈裂抗拉强度试验。混合后的混凝土填性能与市售混凝土相当。因此，废铸造砂和花岗岩废料可以作为建筑领域较好的建材替代品。Pavithra等[22]在机制砂中加入采石场石灰粉后，研究自固结混凝土的流变学、力学和耐久性性能。实验配制了五种不同的机制砂混合物，水灰比为0.40，水泥含量为490 kg/m³。这些混合物样品中以不同的比例用破碎的石灰石代替破碎的沙子。利用流变仪对所获得的机制砂混合料进行坍落度流动试验、漏斗流动时间试验、抗偏析试验和流变试验。在28天的养护期结束时，对机制砂混合物的抗压、抗拉和抗弯强度进行了评估。结果表明：提高细灰岩在机制砂混合料中的替代量，可以降低坍落度流动和屈服应力，并对优化配合比下的第7天和第28天立方体进行了扫描电镜和X射线衍射分析。通过图像对混凝土的显微结构分析，并测试其抗压强度。所有的机制砂组合混凝土试验品都具有较好的填充和通过能力，并且没有发现任何分离现象。使用石灰石粉代替碎砂还可以减少混凝土内部毛细血管吸收的水量，阻止氯离子的移动，从而提高混凝土的性能。
5. 展望
与天然砂石充当混凝土骨料相比，可再生砂石在环境和经济两方面都具有重要意义。大量的研究表明众多固废粉碎后作为可再生骨料在混凝土制品生产过程中都有着巨大的应用潜力。
机制砂生产设备——楼站式机制砂生产系统，在生产加工机制砂过程中具有一定的代表性。以上海山美环保装备股份有限公司为例，该公司开发设计的建材粉碎装备，定制型S系列精品楼站式机制砂生产系统已用于2022年投产的华润水泥的上思、田阳、武平骨料生产项目。该机制砂生产装备采用干法生产工艺和楼站式全封闭布，集高效制砂、粒型优化、石粉控制、级配调整、含水率控制、环保处理于一体，所得精品机制砂粒型佳、分计筛余合理，级配完全符合国标《建筑用砂》（GB/T 14684-2022）II区中砂要求。该机制砂生产系统用于商品混凝土生产中，不仅可以改善混凝土性能，还能大幅降低混凝土的综合生产成本。
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来源：第八届中国国际砂石骨料大会论文集
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