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近年來，由于公路網(wǎng)建設(shè)的深入推進(jìn)和河砂資源的分布不均，河砂已無法滿足公路工程建設(shè)與生態(tài)環(huán)保的實(shí)際需求。機(jī)制砂具有“符合‘因地制宜、就地取材’原則；質(zhì)量可調(diào)可控；成分與相同母巖加工的碎石一致，對混凝土物理力學(xué)性能有利；可避免材料遠(yuǎn)運(yùn)，節(jié)約工程投資；可實(shí)現(xiàn)計(jì)劃生產(chǎn)，保證工程質(zhì)量和進(jìn)度”等特點(diǎn)，且大量試驗(yàn)研究和工程應(yīng)用表明，機(jī)制砂可代替河砂用于水泥混凝土。

國家層面也在大力推進(jìn)機(jī)制砂應(yīng)用。2019年，工業(yè)和信息化部、國家發(fā)展和改革委員會、自然資源部、生態(tài)環(huán)境部、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部、交通運(yùn)輸部、水利部、應(yīng)急管理部、國家市場監(jiān)管總局、國家鐵路集團(tuán)有限公司十部門聯(lián)合《關(guān)于推進(jìn)機(jī)制砂石行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的若干意見》（工信部聯(lián)原〔2019〕239號）。2020年，交通運(yùn)輸部辦公廳發(fā)《交通運(yùn)輸部辦公廳關(guān)于提高公路工程機(jī)制砂應(yīng)用水平的通知》(交辦公路函〔2020〕746號)。在工程中就地取材，加工機(jī)制砂應(yīng)用于公路工程建設(shè)成為發(fā)展的必然趨勢。

【資料圖】

/ 機(jī)制砂生產(chǎn)工藝及特點(diǎn) /

機(jī)制砂生產(chǎn)工藝機(jī)制砂是以合格的母巖為原料，經(jīng)除土處理，由機(jī)械破碎、整形、篩分、粉控等工藝制成，級配、粒形和石粉含量足要求且粒徑小于4.75毫米，但不包括軟質(zhì)、風(fēng)化的顆粒。機(jī)制砂生產(chǎn)一般采用粗碎、中碎、細(xì)碎三級破碎工藝。粗碎一般采用顎破碎機(jī)，將母巖破碎到100毫米至200毫米顆粒；中碎一般選擇反擊式破碎機(jī)，或?qū)⒎磽羰狡扑闄C(jī)與圓錐式破碎機(jī)合或?qū)⒎磽羰狡扑闄C(jī)與整形機(jī)組合，再將粗碎后的碎石進(jìn)一步破碎到5毫米至30毫米顆粒；細(xì)碎是制砂環(huán)節(jié)，采用制砂機(jī)將中碎后的碎石破碎成0毫米至4.75毫米顆粒的機(jī)制砂。

公路工程機(jī)制砂生產(chǎn)典型工藝流程

制砂機(jī)是機(jī)制砂生產(chǎn)的關(guān)鍵和核心設(shè)備，一般認(rèn)為制砂機(jī)經(jīng)歷了以下發(fā)展過程：對輥制砂機(jī)（粒形差）、棒磨機(jī)（粒形好但產(chǎn)能低）、錘式制砂機(jī)（粒形不佳）、反擊式制砂機(jī)（粒形比錘式制砂機(jī)有改善，但仍不夠理想）、立軸式?jīng)_擊破碎機(jī)（粒形好、產(chǎn)能高）。

其中，立軸式?jīng)_擊破碎機(jī)的工作原理為：通過轉(zhuǎn)子以每分鐘1600轉(zhuǎn)至1800轉(zhuǎn)的速度高速旋轉(zhuǎn)，使進(jìn)入制砂機(jī)的碎石在離心力作用下被拋出，并使其與沖擊面和其他顆粒相撞，在流動過程中產(chǎn)生較大的研磨作用。由于立軸式?jīng)_擊破碎機(jī)生產(chǎn)的砂粒形好、產(chǎn)能高，已成為目前制砂機(jī)的主流。隨著制砂工藝的進(jìn)步，目前出現(xiàn)了樓站式機(jī)制砂系統(tǒng)，該系統(tǒng)將制砂設(shè)備進(jìn)行了集成，使機(jī)制砂生產(chǎn)控制水平得到了提高。

樓站式機(jī)制砂系統(tǒng)

機(jī)制砂的特點(diǎn)

機(jī)制砂發(fā)展的基本邏輯和思路是“以機(jī)制砂代替河砂”，因此在機(jī)制砂出現(xiàn)后，業(yè)內(nèi)自然而然地會將機(jī)制砂的各項(xiàng)指標(biāo)與河砂進(jìn)行對比。

機(jī)制砂與河砂對比

公路工程機(jī)制砂的特色

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國對環(huán)境保護(hù)越來越重視，早期隨意選點(diǎn)開山炸石、靠簡陋設(shè)備加工機(jī)制砂的生產(chǎn)狀況已成為歷史，國家倡導(dǎo)機(jī)制砂向規(guī)模化、專業(yè)化、高質(zhì)量化發(fā)展。公路是帶狀工程，其建設(shè)過程中對砂的需求不像大型水電工程和建筑工程那樣大而集中，因此機(jī)制砂生產(chǎn)線只能選擇中小規(guī)模。近年來，隨著交通行業(yè)綠色公路、品質(zhì)工程、高質(zhì)量發(fā)展的理念深入人心，一方面要求機(jī)制砂品質(zhì)更加優(yōu)異和穩(wěn)定；另一方面要求充分利用公路紅線范圍內(nèi)路基、隧道開挖的巖石作為母巖，以減少建設(shè)棄渣。因此，公路工程機(jī)制砂生產(chǎn)需堅(jiān)持“系統(tǒng)思考、優(yōu)選設(shè)備、專業(yè)生產(chǎn)、源頭控制、過程檢測”的原則，才能確保生產(chǎn)質(zhì)量。

/ 機(jī)制砂混凝土的歷史沿革 /

早在1958年，貴州省根據(jù)“因地制宜、就地取材”的原則，開始在工業(yè)與民用建筑中用機(jī)制砂代替河砂配制混凝土，并在20世紀(jì)60年代的工程中逐漸使用C15、C20、C30機(jī)制砂混凝土。1959年，貴州省貓?zhí)铀Πl(fā)電工程指揮部（中國水利水電第九工程局有限公司的前身）組織技術(shù)人員就地取白云巖進(jìn)行破碎試驗(yàn)，并與廣西、四川、貴州的天然砂做了大量對比。試驗(yàn)證明，用白云巖砂骨料拌制的C17和C20混凝土性能優(yōu)于四川長江的天然砂。20世紀(jì)60年代，貴州公路建設(shè)中也開始使用機(jī)制砂配制混凝土，但混凝土強(qiáng)度都在C30以下，用量不大。這一時期是對機(jī)制砂混凝土技術(shù)的探索期，由于當(dāng)時對機(jī)制砂與機(jī)制砂混凝土的物理力學(xué)性能了解不夠，對機(jī)制砂混凝土的耐久性能存疑，公路行業(yè)邊探索、邊使用機(jī)制砂混凝土。1966年，貴州聯(lián)合多家科研和工程單位開展了機(jī)制砂混凝土的試驗(yàn)研究，并結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行了大型鋼筋混凝土構(gòu)件及預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土構(gòu)件的試制。研究耗時10年，制作了5.4萬個試件，取得了30萬條數(shù)據(jù)。基于這些研究和工程實(shí)例成果，1978年，貴州省印發(fā)了《山砂混凝土技術(shù)規(guī)定》，并于同年10月開始施行，這是我國第一部關(guān)于機(jī)制砂混凝土的技術(shù)規(guī)程。

改革開放后，機(jī)制砂混凝土逐漸發(fā)展為具有貴州特色的混凝土，工程應(yīng)用更為普遍。隨著20世紀(jì)80年代中后期日本發(fā)明了聚羧酸高性能減水劑，以及20世紀(jì)90年代初提出了高性能混凝土技術(shù)理念，機(jī)制砂混凝土技術(shù)也隨之不斷進(jìn)步，逐漸向高強(qiáng)混凝土和高性能混凝土發(fā)展。1986年開工建設(shè)的貴陽至黃果樹汽車專用公路，是我國西南地區(qū)第一條高等級公路，這條公路的橋涵工程就近應(yīng)用了機(jī)制砂來配制混凝土，混凝土最高標(biāo)號已達(dá)到500號（相當(dāng)于C48）。1987年開工建設(shè)的江界河大橋，其下部結(jié)構(gòu)采用了400號（相當(dāng)于C38）機(jī)制砂混凝土，上部結(jié)構(gòu)采用了600號（相當(dāng)于C58）機(jī)制砂混凝土，成為國內(nèi)第一座采用600號機(jī)制砂混凝土的橋梁。

2000年，隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，西部地區(qū)迎來了交通建設(shè)的春天，大量高速公路開工建設(shè)，高速公路的高標(biāo)準(zhǔn)也帶來了高橋隧比，需要建設(shè)大量高墩、大跨的橋梁，對混凝土的物理力學(xué)性能、耐久性能、工作性能提出了高要求，特別是泵送混凝土工藝的推廣，對混凝土拌和物工作性能要求越來越高。貴州交通系統(tǒng)聯(lián)合了多家科研、施工、項(xiàng)目建設(shè)管理單位，結(jié)合高速公路建設(shè)實(shí)際，依托西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目《路用復(fù)合材料應(yīng)用研究》《巖溶地區(qū)公路修筑成套技術(shù)研究》等科技項(xiàng)目，對機(jī)制砂高強(qiáng)混凝土、機(jī)制砂高性能混凝土開展了大量技術(shù)攻關(guān)。并于2008年編制了貴州省地方標(biāo)準(zhǔn)《貴州省高速公路機(jī)制砂高強(qiáng)混凝土技術(shù)規(guī)程》（DBJ52-55-2008），該規(guī)程于2008年4月開始施行，是我國第一部關(guān)于機(jī)制砂高強(qiáng)混凝土的技術(shù)規(guī)程（2015年修訂為《貴州省高速公路機(jī)制砂高性能混凝土技術(shù)規(guī)程》(DBJ 052/T 055－2015)）。在該規(guī)程的指導(dǎo)下，貴州公路建設(shè)，特別是高速公路建設(shè)進(jìn)入大量應(yīng)用機(jī)制砂高強(qiáng)混凝土、高性能混凝土的階段，貴州應(yīng)用機(jī)制砂混凝土建設(shè)了大量有影響力的超級工程，例如2009年建成通車的壩陵河大橋，是世界首座在山地峽谷地帶建設(shè)的跨度超過千米的橋梁，該橋主塔采用機(jī)制砂配制的泵送混凝土，一次泵送高程超過200米，創(chuàng)造了當(dāng)時機(jī)制砂泵送高程的新紀(jì)錄。

隨著機(jī)制砂混凝土技術(shù)在全國的推廣應(yīng)用，全國多地編制了公路工程機(jī)制砂混凝土應(yīng)用技術(shù)地方標(biāo)準(zhǔn)。

基于國內(nèi)大量的研究和工程應(yīng)用成果，2011年，交通運(yùn)輸部印發(fā)了由交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院等單位編制的《公路工程 水泥混凝土用機(jī)制砂》（JT/T 819-2011），該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了機(jī)制砂的質(zhì)量分類與規(guī)格、技術(shù)要求和試驗(yàn)方法（該標(biāo)準(zhǔn)已于2023年1月重新修訂）。2018年，中國標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會印發(fā)了由貴州高速公路集團(tuán)有限公司等單位編制的《公路機(jī)制砂高性能混凝土技術(shù)規(guī)程》（T/CECS G：K50-30—2018）。2021年，中國標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會印發(fā)了由貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司等單位編制的《公路機(jī)制砂高性能混凝土技術(shù)規(guī)程》（T/CECS G:K50-30-2018 (EN）)，這是中國標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會公路分會印發(fā)的第一部英文版規(guī)程。2021年，交通運(yùn)輸部批準(zhǔn)貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司等單位編制公路行業(yè)機(jī)制砂技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)《公路機(jī)制砂應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》，目前，該規(guī)程正在編制之中。近年來，機(jī)制砂已成為工程領(lǐng)域研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。

通過信息檢索發(fā)現(xiàn)，關(guān)于公路、橋梁、隧道工程的機(jī)制砂混凝土科技成果79項(xiàng)、學(xué)位論文74篇、期刊與會議文章281篇，基本上都是在2000年以后發(fā)表的。79項(xiàng)科技成果中，大部分集中在機(jī)制砂高性能混凝土性能研究及制備技術(shù)和機(jī)制砂混凝土用于橋梁工程的研究與應(yīng)用。

經(jīng)過60多年的發(fā)展，業(yè)內(nèi)對機(jī)制砂混凝土形成了一定的認(rèn)識。一是機(jī)制砂用于公路工程建設(shè)符合“因地制宜，就地取材”的基本原則，技術(shù)可行，可以實(shí)現(xiàn)計(jì)劃生產(chǎn)，質(zhì)量可調(diào)可控。二是機(jī)制砂質(zhì)量受母巖性能和生產(chǎn)工藝的影響，不同巖石、不同工藝加工的機(jī)制砂質(zhì)量有較大差別。三是機(jī)制砂中的石粉與河砂中的泥不同，絕大部分是母巖被破碎的細(xì)粒。石粉一方面使砂的比表面積增大，增加用水量，增加混凝土干縮表面開裂；另一方面石粉產(chǎn)生的滾珠作用又會改善混凝土的和易性，增加混凝土的密實(shí)性。工程中宜采取“高控低放”的策略，即高強(qiáng)度混凝土應(yīng)控制石粉的含量不能過高，而低強(qiáng)度混凝土可以放寬石粉含量的限制。四是機(jī)制砂混凝土與河砂混凝土相比，強(qiáng)度高、工作性略差、收縮徐變大10%左右、抗彎曲疲勞性能優(yōu)。

中國公路行業(yè)機(jī)制砂混凝土逐漸形成了一系列具有創(chuàng)新性與實(shí)用性的理論、方法、技術(shù)和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)制砂混凝土技術(shù)的重大突破與創(chuàng)新。

/ 機(jī)制砂混凝土未來攻關(guān)方向 /

圍繞公路行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，促進(jìn)前沿信息技術(shù)與混凝土材料的深度融合發(fā)展，聚焦精細(xì)制砂技術(shù)、機(jī)制砂超高強(qiáng)與超高性能混凝土、機(jī)制砂混凝土配合比優(yōu)選技術(shù)、智慧機(jī)制砂混凝土等研發(fā)與應(yīng)用，突破技術(shù)瓶頸，促進(jìn)成熟科技成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用，將是下一步公路行業(yè)機(jī)制砂混凝土技術(shù)攻關(guān)的主要任務(wù)。

小型精細(xì)制砂技術(shù)研究

機(jī)制砂發(fā)展遵循著“因地制宜，就地取材”的基本原則，公路工程的帶狀構(gòu)造物特性決定了公路行業(yè)機(jī)制砂具有“制砂規(guī)模不宜過大、制砂設(shè)備便于拆裝、原材料充分利用工程棄渣”的特點(diǎn)。目前的機(jī)制砂質(zhì)量水平較以前已有提升，但是制砂工藝沒有本質(zhì)突破，機(jī)制砂質(zhì)量波動仍然存在。應(yīng)開展制砂技術(shù)硬件與軟件的攻關(guān)，研發(fā)小型移動制砂系統(tǒng)和制砂智能控制系統(tǒng)，建立科學(xué)的機(jī)制砂生產(chǎn)質(zhì)量控制體系，使機(jī)制砂實(shí)現(xiàn)精細(xì)生產(chǎn)，使其質(zhì)量達(dá)到類似水泥的工業(yè)化產(chǎn)品水平。

機(jī)制砂混凝土配合比優(yōu)選技術(shù)研究

由于機(jī)制砂在混凝土中應(yīng)用的基本邏輯是“以機(jī)制砂代替河砂”，目前行業(yè)內(nèi)對機(jī)制砂混凝土已經(jīng)開展了大量的研究，但多數(shù)只是重復(fù)論證了機(jī)制砂代替河砂的可行性。大量機(jī)制砂工程應(yīng)用案例表明，機(jī)制砂受到母巖性能的影響非常大，不同類型母巖加工的機(jī)制砂，其配制出的混凝土性能差異很大，因此基于經(jīng)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)往往難以達(dá)到要求。將機(jī)制砂混凝土視為一種新材料，開發(fā)基于混凝土性能的機(jī)制砂混凝土配合比優(yōu)選方法，結(jié)合工程實(shí)際開展機(jī)制砂混凝土配合比優(yōu)選，對降低混凝土綜合成本、避免材料浪費(fèi)、促進(jìn)綠色發(fā)展具有重要的意義。

機(jī)制砂超高強(qiáng)與超高性能混凝土研究和工程應(yīng)用目前，國內(nèi)已有不少超高強(qiáng)與超高性能混凝土研究和應(yīng)用，但基本都是采用河砂作為原材料，需要開展機(jī)制砂超高強(qiáng)與超高性能混凝土研究，推動機(jī)制砂超高強(qiáng)與超高性能混凝土在公路工程中的應(yīng)用，通過混凝土材料性能的大幅提升來改善混凝土性能，并以材料發(fā)展來促進(jìn)混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

智慧機(jī)制砂混凝土研究

隨著智慧交通的發(fā)展，對基礎(chǔ)設(shè)施的材料提出了智慧的要求。開發(fā)智慧機(jī)制砂混凝土，在機(jī)制砂混凝土原有組分基礎(chǔ)上復(fù)合智能型組分，使機(jī)制砂混凝土成為具有自感知和記憶，具有自適應(yīng)、自修復(fù)特性的多功能材料，可實(shí)現(xiàn)對混凝土性能全壽命周期的監(jiān)控，便于準(zhǔn)確判斷結(jié)構(gòu)的安全和壽命，一方面可融入智慧交通的大系統(tǒng)，另一方面也將促進(jìn)混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和升級。

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