近年來，由于公路網建設的深入推進和河砂資源的分布不均，河砂已無法滿足公路工程建設與生態環保的實際需求。機制砂具有“符合‘因地制宜、就地取材’原則；質量可調可控；成分與相同母巖加工的碎石一致，對混凝土物理力學性能有利；可避免材料遠運，節約工程投資；可實現計劃生產，保證工程質量和進度”等特點，且大量試驗研究和工程應用表明，機制砂可代替河砂用于水泥混凝土。

國家層面也在大力推進機制砂應用。2019年，工業和信息化部、國家發展和改革委員會、自然資源部、生態環境部、住房城鄉建設部、交通運輸部、水利部、應急管理部、國家市場監管總局、國家鐵路集團有限公司十部門聯合《關于推進機制砂石行業高質量發展的若干意見》（工信部聯原〔2019〕239號）。2020年，交通運輸部辦公廳發《交通運輸部辦公廳關于提高公路工程機制砂應用水平的通知》(交辦公路函〔2020〕746號)。在工程中就地取材，加工機制砂應用于公路工程建設成為發展的必然趨勢。

【資料圖】

/ 機制砂生產工藝及特點 /

機制砂生產工藝機制砂是以合格的母巖為原料，經除土處理，由機械破碎、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、風化的顆粒。機制砂生產一般采用粗碎、中碎、細碎三級破碎工藝。粗碎一般采用顎破碎機，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，或將反擊式破碎機與圓錐式破碎機合或將反擊式破碎機與整形機組合，再將粗碎后的碎石進一步破碎到5毫米至30毫米顆粒；細碎是制砂環節，采用制砂機將中碎后的碎石破碎成0毫米至4.75毫米顆粒的機制砂。

公路工程機制砂生產典型工藝流程

制砂機是機制砂生產的關鍵和核心設備，一般認為制砂機經歷了以下發展過程：對輥制砂機（粒形差）、棒磨機（粒形好但產能低）、錘式制砂機（粒形不佳）、反擊式制砂機（粒形比錘式制砂機有改善，但仍不夠理想）、立軸式沖擊破碎機（粒形好、產能高）。

其中，立軸式沖擊破碎機的工作原理為：通過轉子以每分鐘1600轉至1800轉的速度高速旋轉，使進入制砂機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，在流動過程中產生較大的研磨作用。由于立軸式沖擊破碎機生產的砂粒形好、產能高，已成為目前制砂機的主流。隨著制砂工藝的進步，目前出現了樓站式機制砂系統，該系統將制砂設備進行了集成，使機制砂生產控制水平得到了提高。

樓站式機制砂系統

機制砂的特點

機制砂發展的基本邏輯和思路是“以機制砂代替河砂”，因此在機制砂出現后，業內自然而然地會將機制砂的各項指標與河砂進行對比。

機制砂與河砂對比

公路工程機制砂的特色

隨著經濟的發展，我國對環境保護越來越重視，早期隨意選點開山炸石、靠簡陋設備加工機制砂的生產狀況已成為歷史，國家倡導機制砂向規模化、專業化、高質量化發展。公路是帶狀工程，其建設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，因此機制砂生產線只能選擇中小規模。近年來，隨著交通行業綠色公路、品質工程、高質量發展的理念深入人心，一方面要求機制砂品質更加優異和穩定；另一方面要求充分利用公路紅線范圍內路基、隧道開挖的巖石作為母巖，以減少建設棄渣。因此，公路工程機制砂生產需堅持“系統思考、優選設備、專業生產、源頭控制、過程檢測”的原則，才能確保生產質量。

/ 機制砂混凝土的歷史沿革 /

早在1958年，貴州省根據“因地制宜、就地取材”的原則，開始在工業與民用建筑中用機制砂代替河砂配制混凝土，并在20世紀60年代的工程中逐漸使用C15、C20、C30機制砂混凝土。1959年，貴州省貓跳河水力發電工程指揮部（中國水利水電第九工程局有限公司的前身）組織技術人員就地取白云巖進行破碎試驗，并與廣西、四川、貴州的天然砂做了大量對比。試驗證明，用白云巖砂骨料拌制的C17和C20混凝土性能優于四川長江的天然砂。20世紀60年代，貴州公路建設中也開始使用機制砂配制混凝土，但混凝土強度都在C30以下，用量不大。這一時期是對機制砂混凝土技術的探索期，由于當時對機制砂與機制砂混凝土的物理力學性能了解不夠，對機制砂混凝土的耐久性能存疑，公路行業邊探索、邊使用機制砂混凝土。1966年，貴州聯合多家科研和工程單位開展了機制砂混凝土的試驗研究，并結合工程實例進行了大型鋼筋混凝土構件及預應力鋼筋混凝土構件的試制。研究耗時10年，制作了5.4萬個試件，取得了30萬條數據。基于這些研究和工程實例成果，1978年，貴州省印發了《山砂混凝土技術規定》，并于同年10月開始施行，這是我國第一部關于機制砂混凝土的技術規程。

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

2000年，隨著西部大開發戰略的實施，西部地區迎來了交通建設的春天，大量高速公路開工建設，高速公路的高標準也帶來了高橋隧比，需要建設大量高墩、大跨的橋梁，對混凝土的物理力學性能、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。貴州交通系統聯合了多家科研、施工、項目建設管理單位，結合高速公路建設實際，依托西部交通建設科技項目《路用復合材料應用研究》《巖溶地區公路修筑成套技術研究》等科技項目，對機制砂高強混凝土、機制砂高性能混凝土開展了大量技術攻關。并于2008年編制了貴州省地方標準《貴州省高速公路機制砂高強混凝土技術規程》（DBJ52-55-2008），該規程于2008年4月開始施行，是我國第一部關于機制砂高強混凝土的技術規程（2015年修訂為《貴州省高速公路機制砂高性能混凝土技術規程》(DBJ 052/T 055－2015)）。在該規程的指導下，貴州公路建設，特別是高速公路建設進入大量應用機制砂高強混凝土、高性能混凝土的階段，貴州應用機制砂混凝土建設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的跨度超過千米的橋梁，該橋主塔采用機制砂配制的泵送混凝土，一次泵送高程超過200米，創造了當時機制砂泵送高程的新紀錄。

隨著機制砂混凝土技術在全國的推廣應用，全國多地編制了公路工程機制砂混凝土應用技術地方標準。

基于國內大量的研究和工程應用成果，2011年，交通運輸部印發了由交通運輸部公路科學研究院等單位編制的《公路工程 水泥混凝土用機制砂》（JT/T 819-2011），該標準規定了機制砂的質量分類與規格、技術要求和試驗方法（該標準已于2023年1月重新修訂）。2018年，中國標準化協會印發了由貴州高速公路集團有限公司等單位編制的《公路機制砂高性能混凝土技術規程》（T/CECS G：K50-30—2018）。2021年，中國標準化協會印發了由貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司等單位編制的《公路機制砂高性能混凝土技術規程》（T/CECS G:K50-30-2018 (EN）)，這是中國標準化協會公路分會印發的第一部英文版規程。2021年，交通運輸部批準貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司等單位編制公路行業機制砂技術標準《公路機制砂應用技術規程》，目前，該規程正在編制之中。近年來，機制砂已成為工程領域研究和應用的熱點。

通過信息檢索發現，關于公路、橋梁、隧道工程的機制砂混凝土科技成果79項、學位論文74篇、期刊與會議文章281篇，基本上都是在2000年以后發表的。79項科技成果中，大部分集中在機制砂高性能混凝土性能研究及制備技術和機制砂混凝土用于橋梁工程的研究與應用。

經過60多年的發展，業內對機制砂混凝土形成了一定的認識。一是機制砂用于公路工程建設符合“因地制宜，就地取材”的基本原則，技術可行，可以實現計劃生產，質量可調可控。二是機制砂質量受母巖性能和生產工藝的影響，不同巖石、不同工藝加工的機制砂質量有較大差別。三是機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，增加混凝土的密實性。工程中宜采取“高控低放”的策略，即高強度混凝土應控制石粉的含量不能過高，而低強度混凝土可以放寬石粉含量的限制。四是機制砂混凝土與河砂混凝土相比，強度高、工作性略差、收縮徐變大10%左右、抗彎曲疲勞性能優。

中國公路行業機制砂混凝土逐漸形成了一系列具有創新性與實用性的理論、方法、技術和規范標準，實現了機制砂混凝土技術的重大突破與創新。

/ 機制砂混凝土未來攻關方向 /

圍繞公路行業高質量發展，促進前沿信息技術與混凝土材料的深度融合發展，聚焦精細制砂技術、機制砂超高強與超高性能混凝土、機制砂混凝土配合比優選技術、智慧機制砂混凝土等研發與應用，突破技術瓶頸，促進成熟科技成果轉化應用，將是下一步公路行業機制砂混凝土技術攻關的主要任務。

小型精細制砂技術研究

機制砂發展遵循著“因地制宜，就地取材”的基本原則，公路工程的帶狀構造物特性決定了公路行業機制砂具有“制砂規模不宜過大、制砂設備便于拆裝、原材料充分利用工程棄渣”的特點。目前的機制砂質量水平較以前已有提升，但是制砂工藝沒有本質突破，機制砂質量波動仍然存在。應開展制砂技術硬件與軟件的攻關，研發小型移動制砂系統和制砂智能控制系統，建立科學的機制砂生產質量控制體系，使機制砂實現精細生產，使其質量達到類似水泥的工業化產品水平。

機制砂混凝土配合比優選技術研究

由于機制砂在混凝土中應用的基本邏輯是“以機制砂代替河砂”，目前行業內對機制砂混凝土已經開展了大量的研究，但多數只是重復論證了機制砂代替河砂的可行性。大量機制砂工程應用案例表明，機制砂受到母巖性能的影響非常大，不同類型母巖加工的機制砂，其配制出的混凝土性能差異很大，因此基于經驗參數進行混凝土配合比設計往往難以達到要求。將機制砂混凝土視為一種新材料，開發基于混凝土性能的機制砂混凝土配合比優選方法，結合工程實際開展機制砂混凝土配合比優選，對降低混凝土綜合成本、避免材料浪費、促進綠色發展具有重要的意義。

機制砂超高強與超高性能混凝土研究和工程應用目前，國內已有不少超高強與超高性能混凝土研究和應用，但基本都是采用河砂作為原材料，需要開展機制砂超高強與超高性能混凝土研究，推動機制砂超高強與超高性能混凝土在公路工程中的應用，通過混凝土材料性能的大幅提升來改善混凝土性能，并以材料發展來促進混凝土結構的優化。

智慧機制砂混凝土研究

隨著智慧交通的發展，對基礎設施的材料提出了智慧的要求。開發智慧機制砂混凝土，在機制砂混凝土原有組分基礎上復合智能型組分，使機制砂混凝土成為具有自感知和記憶，具有自適應、自修復特性的多功能材料，可實現對混凝土性能全壽命周期的監控，便于準確判斷結構的安全和壽命，一方面可融入智慧交通的大系統，另一方面也將促進混凝土結構的優化和升級。

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