沙漠里也會(huì)缺“沙子”？

地處茫茫沙漠之中的沙特阿拉伯除了缺水，居然還缺沙子？但事實(shí)上還真是如此。因?yàn)椴⒉皇撬械纳匙?，都是合格的建筑材料。沙特每年都要從大洋洲進(jìn)口數(shù)百萬噸的河砂，而且只要河砂。不僅是沙特，就連咱們中國，如今也正在面臨“沙子”短缺的問題。

能用于建筑的沙子

一般來說，建筑用的混凝土由水、水泥、沙子和礫石四樣組成。其中水和水泥會(huì)產(chǎn)生水化反應(yīng)，形成黏合劑并逐漸硬化，而被黏住的沙子和礫石才是混凝土的主體部分，也就是“骨料”?，F(xiàn)代的建筑對混凝土的強(qiáng)度提出了很高的要求，而骨料在混凝土當(dāng)中占據(jù)了75%左右，所以沙子本身的質(zhì)量至關(guān)重要。最常見的沙子分四種：山砂、海砂 、河砂和沙漠砂。從外表上來看區(qū)別很小，但是如果我們把它們放到顯微鏡下，一切就變得不同了。

山砂比較兩極分化，顆粒之間，大小差距太大，巖石和淤泥混合在一起。對于混凝土而言，理想沙子的顆粒大小和級配要恰當(dāng)適中，骨料當(dāng)中最好包含不同大小的顆粒，以便填充空隙，提高混凝土的密實(shí)度。較好的級配可以減少混凝土中的孔隙率，提高其抗壓強(qiáng)度。而反過來，則會(huì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部空隙增多，降低其密實(shí)度，從而影響混凝土的強(qiáng)度和耐久性。以我國《建設(shè)用砂》中的規(guī)定來說，直徑過大或者過小的顆粒都是要被篩除的，而山砂各方面都很難達(dá)到建材標(biāo)準(zhǔn)。

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沙漠砂和山砂的差異，用手指就能很清晰地感覺出來。一個(gè)粗糙，另一個(gè)則明顯細(xì)膩光滑。在顯微鏡下，沙漠砂的直徑一般都在0.25mm以下，屬于超細(xì)砂。由于常年風(fēng)吹日曬，沙漠砂的造型明顯圓潤、細(xì)小，和山砂有著明顯的區(qū)別，這也是沙漠砂的特點(diǎn)。但對混凝土來說，它顯然不合適。因?yàn)楣橇仙笆谋砻嫘枰M可能的粗糙、有棱角，棱角多的砂石骨料能提供較高的摩擦力和機(jī)械咬合力，從而使得混凝土更具強(qiáng)度和穩(wěn)定性。若是拿這種超細(xì)砂去拌水泥，就需要更多的水泥漿來填充沙子之間的縫隙，水泥漿的比例就會(huì)上升，帶來的結(jié)果就是因?yàn)樗?，混凝土成型之后水化反?yīng)還會(huì)繼續(xù)放熱，造成結(jié)構(gòu)內(nèi)部熱量不均勻，最終導(dǎo)致開裂、破損。

海砂，在顯微鏡下，它甚至稱得上是瑰麗。相比于其他砂礫，海砂中擁有大量的雜質(zhì)，甚至從里面還能找到貝殼、珊瑚的碎片。作為建筑材料，海砂無疑是不合格的。因?yàn)樯笆?，需要盡量不含或少含有機(jī)物、泥土、淤泥等雜質(zhì)。這些雜質(zhì)會(huì)影響水泥與骨料之間的黏結(jié)力，可能導(dǎo)致混凝土中的空隙增多，最終降低強(qiáng)度。另一方面，海水含鹽量太高，鹽分會(huì)帶來過多的氯離子，用作混凝土?xí)r，會(huì)腐蝕鋼筋。除非經(jīng)過淡化和過濾處理將雜質(zhì)都洗掉，把氯離子含量降低至0.06%以下，才能符合標(biāo)準(zhǔn)。但從成本上考慮，這顯然相當(dāng)不劃算。

最后我們再來看河砂。相較于其他砂石，河砂無論造型還是形狀都相對規(guī)整，大小適中，只要經(jīng)過簡單的篩選，就能符合我國國家標(biāo)準(zhǔn)要求的1.6—4.5毫米的標(biāo)準(zhǔn)，而且表面有棱有角。因此河砂堪稱工程師的“夢中情砂”。

河砂資源日漸枯竭

河砂源于巖石風(fēng)化后被水流反復(fù)沖刷、侵蝕，這個(gè)過程相當(dāng)緩慢。因此，河砂實(shí)際上是一個(gè)不可再生資源。而且，河砂的最終歸宿是被沖入大海，變成海砂。放眼全世界，每年新增的河砂量都是微乎其微的?，F(xiàn)在我們挖掘的河砂，都是過去百萬年積累下來的河砂沉積層，挖一點(diǎn)就少一點(diǎn)。

我們不是還有黃河嗎？黃河被稱為“世界上含沙量最高的河流”，每年水土流失就有十幾億噸，但黃河的沙子也不適合作為建筑材料。因?yàn)辄S河沙屬于泥沙，來自上游的黃土高原，而非風(fēng)化的巖石。這種沙子往往顆粒較細(xì)，形狀較圓滑，而且含泥量也太大。在過去的幾十年里中國基建蓬勃發(fā)展，但基建發(fā)展的背后帶來的是河砂資源的日漸枯竭。中國砂石協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)顯示，20世紀(jì)90年代的河砂一噸也就幾塊錢，但現(xiàn)在直接漲到了上百元。同時(shí)，在國際貿(mào)易上也出現(xiàn)了大規(guī)模購買河砂的現(xiàn)象，比如文章開頭提到的沙特。

據(jù)估計(jì)，如今全球每年消耗約400—500億噸砂石骨料，其中大部分是河砂，但已經(jīng)探明的河砂儲(chǔ)量，大概只有6000億噸。保守估計(jì)，這些河砂儲(chǔ)量也就夠再用十幾年。然而城市化是大勢所趨，加上采砂帶來的環(huán)境污染等問題，近些年來我國對砂石開采行業(yè)采取了嚴(yán)厲的限制措施，我國已經(jīng)從一個(gè)砂石出口國，變成了砂石進(jìn)口國。如果砂石還是不夠用該怎么辦？那就只能使用機(jī)制砂了。

所謂機(jī)制砂，是指通過制砂機(jī)和其他附屬設(shè)備加工而成的人工砂石，其主要材料是山上的石頭或者建筑垃圾。19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，在天然河砂資源有限的背景下，人們開始探索通過機(jī)械手段破碎巖石，制造出粒徑合適的砂石骨料，以替代天然河砂，這就是最早的機(jī)制砂。

早期的機(jī)制砂制造主要是通過簡單的破碎機(jī)，如顎式破碎機(jī)和錘式破碎機(jī)，將較大塊的巖石破碎成較小的顆粒，并在建筑項(xiàng)目中使用。20世紀(jì)中期，隨著破碎和篩分設(shè)備的進(jìn)步，機(jī)制砂的生產(chǎn)逐漸標(biāo)準(zhǔn)化。特別是在二戰(zhàn)后，全球重建時(shí)期，機(jī)制砂技術(shù)在歐美得到了進(jìn)一步的發(fā)展，并逐漸形成了一套比較成熟的生產(chǎn)和質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)。例如，德國的建筑垃圾回收制砂技術(shù)就很成熟，世界上最早的大型移動(dòng)破碎站就誕生于二戰(zhàn)后的德國。

20世紀(jì)70年代起，日本等國家在本土天然砂石資源匱乏的情況下，大力發(fā)展機(jī)制砂生產(chǎn)技術(shù)，并在工程項(xiàng)目中廣泛使用。此時(shí)，機(jī)制砂的質(zhì)量和形狀都得到了顯著改善。相關(guān)研究表明，發(fā)達(dá)國家的建筑垃圾回收率達(dá)到了百分之八九十，但中國內(nèi)地卻只有50%左右。如今建筑垃圾回收，顯然大有可為。

但建筑垃圾回收也只能解決存量問題，而無法解決增量問題，河砂資源日益枯竭的難題依然存在。往后也許可以開山取石，也許可以大規(guī)模利用淡化的海砂。雖說世界上的沙子數(shù)不勝數(shù)，但對人類來說真正有價(jià)值的，只有那一小部分。除了我們提到的建筑行業(yè)，還有像是半導(dǎo)體行業(yè)制備晶圓，需要的就是高純度的石英砂，而不能隨便從沙漠中找來一把沙子。往往“普遍”并不意味著“可用”。這種稀缺性，或許正是人與自然的關(guān)系中，一種微妙的體現(xiàn)。

（責(zé)編：南名俊岳）