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國家統計數據顯示，2012年水泥產量21.8億噸，按混凝土中水泥與砂的比例為1:2.5估計，砂用量超過50億噸。然而，天然砂受資源總量、分布和季節限制，加之政策限采，由此產生了供應不足、價格攀升、運輸成本高、質量波動大等問題，局部地區已出現供需矛盾激化的現象。結合社會發展的一般規律和國外先進經驗，發展機制砂已成行業共識。但是，傳統機制砂性能不足，存在如級配“兩頭大，中間小”、粒型多角尖銳、雜質多等問題，在實際應用中影響混凝土和砂漿的整體性能和效益，難以滿足市場對優質砂的需求。
另一方面，人們對砂的認識大部分仍停留在“5mm以下顆粒”的層面，對砂的性能指標及其對混凝土的影響重視程度不足，不利于解決砂石產業發展的困境。因此，本文主要通過總結國內外研究結果與具體項目經驗，探討混凝土與砂的關系、傳統制砂工藝的局限及新型制砂概念，為砂石、水泥、混凝土產業鏈的整合研究提供參考，希望為砂石產業的發展帶來新的機會。
混凝土用砂的核心要求
混凝土是由膠凝材料和水，粗、細骨料(砂)按一定比例配制而成的混合物，經攪拌、搗實、硬化而成的人造石材。如圖1所示，砂石約占混凝土體積的70%，對混凝土的性能和配制成本影響顯著。詳細討論砂石對混凝土的影響規律已經超出本文的范圍，但工程經驗及我們與多家混凝土企業的聯合實驗證明，混凝土用砂的核心要求是：級配、粒型和含粉(泥)量(當然，諸如氯離子、堅固性等指標必須符合國標要求)。
總體而言，級配和粒型綜合影響砂的空隙率、比表面積和流動性能(其示意關系如圖2所示)，從而影響混凝土配比中水泥和水的用量。比如，針片狀、棱角尖銳的顆粒，將增大空隙率和比表面積，增大拌合物的流動阻力，因此需要更多的水泥漿去填充、包裹和產生流動性。級配組成中0.15~0.6mm部分的細砂，可以有效填充拌合物的空隙，并充當潤滑中心，降低流動阻力，利于優化混凝土配比。
而控制含粉(泥)量主要是為了保證砂的潔凈度，控制膨脹性粘土的含量，以免在拌合過程中發生吸附反應和活性反應，破壞混凝土的性能。但石粉含量應根據實際情況進行靈活調節，對裹挾泥粉、礦物組分活性高的石粉，應嚴格控制;對剝離干凈、成分無害的石粉，可放寬標準。通過亞甲藍值測試可對砂的潔凈度進行評價，同時確定其石粉的活性和可采用范圍。
至此，結合圖3的直觀對比，我們可總結天然中砂與傳統機制砂在混凝土配制中表現不一的原因為：天然中砂經過長期的自然作用，級配合理、粒型圓潤、雜質含量少，符合混凝土用砂的核心要求;而傳統機制砂針片狀含量高、棱角尖銳、級配不均、含粉高(部分產品含泥量高)，不符合混凝土用砂的核心要求。
傳統制砂工藝的局限
傳統機制砂性能不足主要是由制砂工藝不合理造成的，主要表現為以下兩點：
1、破碎工藝單一，甚至采用擠壓式破碎機作為終碎設備。從破碎原理來看，常見的制砂設備可分成擠壓式破碎和沖擊式破碎兩類。諸如顎破、圓錐破、對輥破、錘破等擠壓式破碎設備，雖然可以提供較大的破碎比，但成品針片狀含量高，顆粒棱角尖銳，且磨損后不能產生穩定的級配，一般不能作為制砂終段設備。相反，沖擊式破碎設備，特別是VSI沖擊破，能產出粒型基本達標的成品砂，屬于比較合理的制砂設備選型。但單一采用傳統沖擊破制砂，其成品表面棱角仍過于尖銳，且石粉含量過高、0.15~0.6mm細砂含量過低(如圖4所示)，難以滿足高標準用砂的需求。
2、篩選工藝單一，調控困難，效率較低。以最常見的濕法生產工藝為例，這種工藝通過振動篩控制砂的最大粒徑，通過洗砂機去除泥、粉。如果篩分設置合理(如設置2~3層5mm及以下篩網并將篩下物按一定比例混合)，水洗徹底并配置細砂回收裝置，該工藝也可生產出合格的中低標準砂。但這種篩選工藝無法改變沖擊破出料細砂含量過低的問題，同時，即使配置細砂回收裝置，水洗也難免帶走較多的細砂，使成品砂級配更加不合理(如圖4所示)。另外，整套篩選工藝除了更換篩網尺寸以外，調控空間小，同時存在損耗大、易堵塞、效率低、用水量大、污水淤泥處理困難等問題。
新型制砂概念和工藝
從以上分析可知，新型制砂工藝所產成品應該像天然中砂一樣，滿足混凝土用砂的核心要求，明顯提高級配、粒型、含粉(泥)量等指標。實際的技術方案應該是通過整體性的系統方案，盡可能模擬天然砂形成過程中的破、磨、選等自然作用，實現充分的破碎、搓磨及精細可控的篩選，同時兼顧環保要求。在這樣的指導思想下，我們提出VU系列骨料優化系統，在全新的干式制砂工藝框架下，對破、磨、選三方面技術進行整體革新，以解決優質機制砂的生產問題，最終實現機制砂可替代天然砂的目標。
首先，我們以十多年的沖擊破碎技術積累為基礎，對傳統沖擊破結構和原理進行大幅度的改進，例如，加大拋料和碰撞頻率，加強搓磨破碎作用等。在以上技術革新下，VU型沖擊破(針對VU系統定制設計)克服了傳統沖擊破成砂率低、細砂生產能力不足的缺點，同時能進一步改善砂子粒型。
其次，為了對沖擊破碎作用進一步補充，首次提出“低能量破碎整型技術”，并相應研制了粒優機(可進一步優化粒型的機器)，模仿天然砂形成過程中的水流沖刷作用，進一步去除砂顆粒表面的毛刺和棱角，而脫落的碎片成為珍貴的細砂，改善成品的級配。
最后，通過整合成熟的破碎篩分和磨機空氣選粉技術，提出一體化干式篩選的方案。在全封閉腔體中，利用空氣負壓和機械振動的作用，同時完成除粉和篩分的任務。通過調節風量、流道等，可實現在線較精細的調節，使成品砂的細度模數變得可控可調，因此，我們對該設備暫命名為模控篩(細度模數可控的篩分機)。
我們通過兩個塔樓結構，以合理的工藝流程將上述主要設備和其他輔助設備連接起來，其工藝流程圖和三維效果圖如圖5所示。原料經過VU型沖擊破破碎整型后，在模控篩和除塵模塊作用下分成三路：石粉、返料和準成品砂。石粉通過除塵模塊后統一儲存在粉礦倉中，準成品砂進入粒優機進一步整型，經加濕攪拌后完成加工過程。值得一提的是，VU系統實現了全流程自動化檢測、監控和調整，保證了生產過程穩定高效;防塵設計非常成功，現場基本無揚塵，環保指標符合國家標準。
需要說明的是，VU系統對原料有一定要求。其一，由于采用了調控性能、穩定性能和環保性能更高的干式生產工藝，VU系統要求原料干燥、較潔凈，含水率在3%以下，含泥量不能過高;其二，為了針對性提高VU型沖擊破對5mm以下物料的作用，我們適當調整了設備的破碎比，最大進料粒徑須小于15mm(從市場角度來看，以30mm以下碎石作為制砂原料并不經濟，而15mm以下、甚至10mm以下碎石，俗稱“瓜米石”“石屑”，更廉價易得，以此作為制砂原料，也可同時增加系統的經濟收益)。除此以外，VU系統可適用于大部分制砂工況，而即使原料不能滿足以上兩點要求，也可采用輔助設備和工藝進行配合。因此，VU系統實際上可滿足大部分的優質制砂需求。
VU系統的成效完全達到我們的設計預期。成品砂級配符合二區中砂分布，-0.6mm細砂占比大幅提升;粒型以高方形度和球形度為主，表面棱角、毛刺最大程度地減少;含粉量穩定，并在3~15%間可調可控。實驗表明，VU砂完全符合混凝土用砂的標準，可有效提高強度、工作性，并能節省水泥，性能媲美天然中砂。特別是，成品砂的性能指標十分穩定，這點對混凝土配合比設計和應用的重要性不言而喻。
結論
混凝土用砂對級配、粒型和含粉(泥)量等指標提出較高要求，VU系列骨料優化系統應該可以解決傳統工藝破碎和篩選單一的問題，生產出可替代天然砂的優質機制砂。同時，系統采用價值低、甚至廢棄的碎石作為原料，在干法工藝下完成優質制砂的過程，不產生揚塵和污水、淤泥，經濟性能和環保指標出色。在用砂需求持續高漲、天然砂供應不足的背景下，VU系統所帶來的新工藝流程和優質成品砂，有希望為砂石產業的發展帶來新的機會。
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