沙漠里也会缺“沙子”？

地处茫茫沙漠之中的沙特阿拉伯除了缺水，居然还缺沙子？但事实上还真是如此。因为并不是所有的沙子，都是合格的建筑材料。沙特每年都要从大洋洲进口数百万吨的河砂，而且只要河砂。不仅是沙特，就连咱们中国，如今也正在面临“沙子”短缺的问题。

能用于建筑的沙子

一般来说，建筑用的混凝土由水、水泥、沙子和砾石四样组成。其中水和水泥会产生水化反应，形成黏合剂并逐渐硬化，而被黏住的沙子和砾石才是混凝土的主体部分，也就是“骨料”。现代的建筑对混凝土的强度提出了很高的要求，而骨料在混凝土当中占据了75%左右，所以沙子本身的质量至关重要。最常见的沙子分四种：山砂、海砂、河砂和沙漠砂。从外表上来看区别很小，但是如果我们把它们放到显微镜下，一切就变得不同了。

山砂比较两极分化，颗粒之间，大小差距太大，岩石和淤泥混合在一起。对于混凝土而言，理想沙子的颗粒大小和级配要恰当适中，骨料当中最好包含不同大小的颗粒，以便填充空隙，提高混凝土的密实度。较好的级配可以减少混凝土中的孔隙率，提高其抗压强度。而反过来，则会导致混凝土内部空隙增多，降低其密实度，从而影响混凝土的强度和耐久性。以我国《建设用砂》中的规定来说，直径过大或者过小的颗粒都是要被筛除的，而山砂各方面都很难达到建材标准。

沙漠砂和山砂的差异，用手指就能很清晰地感觉出来。一个粗糙，另一个则明显细腻光滑。在显微镜下，沙漠砂的直径一般都在0.25mm以下，属于超细砂。由于常年风吹日晒，沙漠砂的造型明显圆润、细小，和山砂有着明显的区别，这也是沙漠砂的特点。但对混凝土来说，它显然不合适。因为骨料砂石的表面需要尽可能的粗糙、有棱角，棱角多的砂石骨料能提供较高的摩擦力和机械咬合力，从而使得混凝土更具强度和稳定性。若是拿这种超细砂去拌水泥，就需要更多的水泥浆来填充沙子之间的缝隙，水泥浆的比例就会上升，带来的结果就是因为水太多，混凝土成型之后水化反应还会继续放热，造成结构内部热量不均匀，最终导致开裂、破损。

海砂，在显微镜下，它甚至称得上是瑰丽。相比于其他砂砾，海砂中拥有大量的杂质，甚至从里面还能找到贝壳、珊瑚的碎片。作为建筑材料，海砂无疑是不合格的。因为砂石中，需要尽量不含或少含有机物、泥土、淤泥等杂质。这些杂质会影响水泥与骨料之间的黏结力，可能导致混凝土中的空隙增多，最终降低强度。另一方面，海水含盐量太高，盐分会带来过多的氯离子，用作混凝土时，会腐蚀钢筋。除非经过淡化和过滤处理将杂质都洗掉，把氯离子含量降低至0.06%以下，才能符合标准。但从成本上考虑，这显然相当不划算。

最后我们再来看河砂。相较于其他砂石，河砂无论造型还是形状都相对规整，大小适中，只要经过简单的筛选，就能符合我国国家标准要求的1.6—4.5毫米的标准，而且表面有棱有角。因此河砂堪称工程师的“梦中情砂”。

河砂资源日渐枯竭

河砂源于岩石风化后被水流反复冲刷、侵蚀，这个过程相当缓慢。因此，河砂实际上是一个不可再生资源。而且，河砂的最终归宿是被冲入大海，变成海砂。放眼全世界，每年新增的河砂量都是微乎其微的。现在我们挖掘的河砂，都是过去百万年积累下来的河砂沉积层，挖一点就少一点。

我们不是还有黄河吗？黄河被称为“世界上含沙量最高的河流”，每年水土流失就有十几亿吨，但黄河的沙子也不适合作为建筑材料。因为黄河沙属于泥沙，来自上游的黄土高原，而非风化的岩石。这种沙子往往颗粒较细，形状较圆滑，而且含泥量也太大。在过去的几十年里中国基建蓬勃发展，但基建发展的背后带来的是河砂资源的日渐枯竭。中国砂石协会的数据显示，20世纪90年代的河砂一吨也就几块钱，但现在直接涨到了上百元。同时，在国际贸易上也出现了大规模购买河砂的现象，比如文章开头提到的沙特。

据估计，如今全球每年消耗约400—500亿吨砂石骨料，其中大部分是河砂，但已经探明的河砂储量，大概只有6000亿吨。保守估计，这些河砂储量也就够再用十几年。然而城市化是大势所趋，加上采砂带来的环境污染等问题，近些年来我国对砂石开采行业采取了严厉的限制措施，我国已经从一个砂石出口国，变成了砂石进口国。如果砂石还是不够用该怎么办？那就只能使用机制砂了。

所谓机制砂，是指通过制砂机和其他附属设备加工而成的人工砂石，其主要材料是山上的石头或者建筑垃圾。19世纪末到20世纪初，在天然河砂资源有限的背景下，人们开始探索通过机械手段破碎岩石，制造出粒径合适的砂石骨料，以替代天然河砂，这就是最早的机制砂。

早期的机制砂制造主要是通过简单的破碎机，如颚式破碎机和锤式破碎机，将较大块的岩石破碎成较小的颗粒，并在建筑项目中使用。20世纪中期，随着破碎和筛分设备的进步，机制砂的生产逐渐标准化。特别是在二战后，全球重建时期，机制砂技术在欧美得到了进一步的发展，并逐渐形成了一套比较成熟的生产和质量控制标准。例如，德国的建筑垃圾回收制砂技术就很成熟，世界上最早的大型移动破碎站就诞生于二战后的德国。

20世纪70年代起，日本等国家在本土天然砂石资源匮乏的情况下，大力发展机制砂生产技术，并在工程项目中广泛使用。此时，机制砂的质量和形状都得到了显著改善。相关研究表明，发达国家的建筑垃圾回收率达到了百分之八九十，但中国内地却只有50%左右。如今建筑垃圾回收，显然大有可为。

但建筑垃圾回收也只能解决存量问题，而无法解决增量问题，河砂资源日益枯竭的难题依然存在。往后也许可以开山取石，也许可以大规模利用淡化的海砂。虽说世界上的沙子数不胜数，但对人类来说真正有价值的，只有那一小部分。除了我们提到的建筑行业，还有像是半导体行业制备晶圆，需要的就是高纯度的石英砂，而不能随便从沙漠中找来一把沙子。往往“普遍”并不意味着“可用”。这种稀缺性，或许正是人与自然的关系中，一种微妙的体现。

（责编：南名俊岳）