近年来，由于公路网建设的深入推进和河砂资源的分布不均，河砂已无法满足公路工程建设与生态环保的实际需求。机制砂具有“符合‘因地制宜、就地取材’原则；质量可调可控；成分与相同母岩加工的碎石一致，对混凝土物理力学性能有利；可避免材料远运，节约工程投资；可实现计划生产，保证工程质量和进度”等特点，且大量试验研究和工程应用表明，机制砂可代替河砂用于水泥混凝土。
国家层面也在大力推进机制砂应用。2019年，工业和信息化部、国家发展和改革委员会、自然资源部、生态环境部、住房城乡建设部、交通运输部、水利部、应急管理部、国家市场监管总局、国家铁路集团有限公司十部门联合《关于推进机制砂石行业高质量发展的若干意见》（工信部联原〔2019〕239号）。2020年，交通运输部办公厅发《交通运输部办公厅关于提高公路工程机制砂应用水平的通知》(交办公路函〔2020〕746号)。在工程中就地取材，加工机制砂应用于公路工程建设成为发展的必然趋势。
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/ 机制砂生产工艺及特点 /
机制砂生产工艺机制砂是以合格的母岩为原料，经除土处理，由机械破碎、整形、筛分、粉控等工艺制成，级配、粒形和石粉含量足要求且粒径小于4.75毫米，但不包括软质、风化的颗粒。机制砂生产一般采用粗碎、中碎、细碎三级破碎工艺。粗碎一般采用颚破碎机，将母岩破碎到100毫米至200毫米颗粒；中碎一般选择反击式破碎机，或将反击式破碎机与圆锥式破碎机合或将反击式破碎机与整形机组合，再将粗碎后的碎石进一步破碎到5毫米至30毫米颗粒；细碎是制砂环节，采用制砂机将中碎后的碎石破碎成0毫米至4.75毫米颗粒的机制砂。
公路工程机制砂生产典型工艺流程
制砂机是机制砂生产的关键和核心设备，一般认为制砂机经历了以下发展过程：对辊制砂机（粒形差）、棒磨机（粒形好但产能低）、锤式制砂机（粒形不佳）、反击式制砂机（粒形比锤式制砂机有改善，但仍不够理想）、立轴式冲击破碎机（粒形好、产能高）。
其中，立轴式冲击破碎机的工作原理为：通过转子以每分钟1600转至1800转的速度高速旋转，使进入制砂机的碎石在离心力作用下被抛出，并使其与冲击面和其他颗粒相撞，在流动过程中产生较大的研磨作用。由于立轴式冲击破碎机生产的砂粒形好、产能高，已成为目前制砂机的主流。随着制砂工艺的进步，目前出现了楼站式机制砂系统，该系统将制砂设备进行了集成，使机制砂生产控制水平得到了提高。
楼站式机制砂系统
机制砂的特点
机制砂发展的基本逻辑和思路是“以机制砂代替河砂”，因此在机制砂出现后，业内自然而然地会将机制砂的各项指标与河砂进行对比。
机制砂与河砂对比
公路工程机制砂的特色
随着经济的发展，我国对环境保护越来越重视，早期随意选点开山炸石、靠简陋设备加工机制砂的生产状况已成为历史，国家倡导机制砂向规模化、专业化、高质量化发展。公路是带状工程，其建设过程中对砂的需求不像大型水电工程和建筑工程那样大而集中，因此机制砂生产线只能选择中小规模。近年来，随着交通行业绿色公路、品质工程、高质量发展的理念深入人心，一方面要求机制砂品质更加优异和稳定；另一方面要求充分利用公路红线范围内路基、隧道开挖的岩石作为母岩，以减少建设弃渣。因此，公路工程机制砂生产需坚持“系统思考、优选设备、专业生产、源头控制、过程检测”的原则，才能确保生产质量。
/ 机制砂混凝土的历史沿革 /
早在1958年，贵州省根据“因地制宜、就地取材”的原则，开始在工业与民用建筑中用机制砂代替河砂配制混凝土，并在20世纪60年代的工程中逐渐使用C15、C20、C30机制砂混凝土。1959年，贵州省猫跳河水力发电工程指挥部（中国水利水电第九工程局有限公司的前身）组织技术人员就地取白云岩进行破碎试验，并与广西、四川、贵州的天然砂做了大量对比。试验证明，用白云岩砂骨料拌制的C17和C20混凝土性能优于四川长江的天然砂。20世纪60年代，贵州公路建设中也开始使用机制砂配制混凝土，但混凝土强度都在C30以下，用量不大。这一时期是对机制砂混凝土技术的探索期，由于当时对机制砂与机制砂混凝土的物理力学性能了解不够，对机制砂混凝土的耐久性能存疑，公路行业边探索、边使用机制砂混凝土。1966年，贵州联合多家科研和工程单位开展了机制砂混凝土的试验研究，并结合工程实例进行了大型钢筋混凝土构件及预应力钢筋混凝土构件的试制。研究耗时10年，制作了5.4万个试件，取得了30万条数据。基于这些研究和工程实例成果，1978年，贵州省印发了《山砂混凝土技术规定》，并于同年10月开始施行，这是我国第一部关于机制砂混凝土的技术规程。
改革开放后，机制砂混凝土逐渐发展为具有贵州特色的混凝土，工程应用更为普遍。随着20世纪80年代中后期日本发明了聚羧酸高性能减水剂，以及20世纪90年代初提出了高性能混凝土技术理念，机制砂混凝土技术也随之不断进步，逐渐向高强混凝土和高性能混凝土发展。1986年开工建设的贵阳至黄果树汽车专用公路，是我国西南地区第一条高等级公路，这条公路的桥涵工程就近应用了机制砂来配制混凝土，混凝土最高标号已达到500号（相当于C48）。1987年开工建设的江界河大桥，其下部结构采用了400号（相当于C38）机制砂混凝土，上部结构采用了600号（相当于C58）机制砂混凝土，成为国内第一座采用600号机制砂混凝土的桥梁。
2000年，随着西部大开发战略的实施，西部地区迎来了交通建设的春天，大量高速公路开工建设，高速公路的高标准也带来了高桥隧比，需要建设大量高墩、大跨的桥梁，对混凝土的物理力学性能、耐久性能、工作性能提出了高要求，特别是泵送混凝土工艺的推广，对混凝土拌和物工作性能要求越来越高。贵州交通系统联合了多家科研、施工、项目建设管理单位，结合高速公路建设实际，依托西部交通建设科技项目《路用复合材料应用研究》《岩溶地区公路修筑成套技术研究》等科技项目，对机制砂高强混凝土、机制砂高性能混凝土开展了大量技术攻关。并于2008年编制了贵州省地方标准《贵州省高速公路机制砂高强混凝土技术规程》（DBJ52-55-2008），该规程于2008年4月开始施行，是我国第一部关于机制砂高强混凝土的技术规程（2015年修订为《贵州省高速公路机制砂高性能混凝土技术规程》(DBJ 052/T 055－2015)）。在该规程的指导下，贵州公路建设，特别是高速公路建设进入大量应用机制砂高强混凝土、高性能混凝土的阶段，贵州应用机制砂混凝土建设了大量有影响力的超级工程，例如2009年建成通车的坝陵河大桥，是世界首座在山地峡谷地带建设的跨度超过千米的桥梁，该桥主塔采用机制砂配制的泵送混凝土，一次泵送高程超过200米，创造了当时机制砂泵送高程的新纪录。
随着机制砂混凝土技术在全国的推广应用，全国多地编制了公路工程机制砂混凝土应用技术地方标准。
基于国内大量的研究和工程应用成果，2011年，交通运输部印发了由交通运输部公路科学研究院等单位编制的《公路工程 水泥混凝土用机制砂》（JT/T 819-2011），该标准规定了机制砂的质量分类与规格、技术要求和试验方法（该标准已于2023年1月重新修订）。2018年，中国标准化协会印发了由贵州高速公路集团有限公司等单位编制的《公路机制砂高性能混凝土技术规程》（T/CECS G：K50-30—2018）。2021年，中国标准化协会印发了由贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司等单位编制的《公路机制砂高性能混凝土技术规程》（T/CECS G:K50-30-2018 (EN）)，这是中国标准化协会公路分会印发的第一部英文版规程。2021年，交通运输部批准贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司等单位编制公路行业机制砂技术标准《公路机制砂应用技术规程》，目前，该规程正在编制之中。近年来，机制砂已成为工程领域研究和应用的热点。
通过信息检索发现，关于公路、桥梁、隧道工程的机制砂混凝土科技成果79项、学位论文74篇、期刊与会议文章281篇，基本上都是在2000年以后发表的。79项科技成果中，大部分集中在机制砂高性能混凝土性能研究及制备技术和机制砂混凝土用于桥梁工程的研究与应用。
经过60多年的发展，业内对机制砂混凝土形成了一定的认识。一是机制砂用于公路工程建设符合“因地制宜，就地取材”的基本原则，技术可行，可以实现计划生产，质量可调可控。二是机制砂质量受母岩性能和生产工艺的影响，不同岩石、不同工艺加工的机制砂质量有较大差别。三是机制砂中的石粉与河砂中的泥不同，绝大部分是母岩被破碎的细粒。石粉一方面使砂的比表面积增大，增加用水量，增加混凝土干缩表面开裂；另一方面石粉产生的滚珠作用又会改善混凝土的和易性，增加混凝土的密实性。工程中宜采取“高控低放”的策略，即高强度混凝土应控制石粉的含量不能过高，而低强度混凝土可以放宽石粉含量的限制。四是机制砂混凝土与河砂混凝土相比，强度高、工作性略差、收缩徐变大10%左右、抗弯曲疲劳性能优。
中国公路行业机制砂混凝土逐渐形成了一系列具有创新性与实用性的理论、方法、技术和规范标准，实现了机制砂混凝土技术的重大突破与创新。
/ 机制砂混凝土未来攻关方向 /
围绕公路行业高质量发展，促进前沿信息技术与混凝土材料的深度融合发展，聚焦精细制砂技术、机制砂超高强与超高性能混凝土、机制砂混凝土配合比优选技术、智慧机制砂混凝土等研发与应用，突破技术瓶颈，促进成熟科技成果转化应用，将是下一步公路行业机制砂混凝土技术攻关的主要任务。
小型精细制砂技术研究
机制砂发展遵循着“因地制宜，就地取材”的基本原则，公路工程的带状构造物特性决定了公路行业机制砂具有“制砂规模不宜过大、制砂设备便于拆装、原材料充分利用工程弃渣”的特点。目前的机制砂质量水平较以前已有提升，但是制砂工艺没有本质突破，机制砂质量波动仍然存在。应开展制砂技术硬件与软件的攻关，研发小型移动制砂系统和制砂智能控制系统，建立科学的机制砂生产质量控制体系，使机制砂实现精细生产，使其质量达到类似水泥的工业化产品水平。
机制砂混凝土配合比优选技术研究
由于机制砂在混凝土中应用的基本逻辑是“以机制砂代替河砂”，目前行业内对机制砂混凝土已经开展了大量的研究，但多数只是重复论证了机制砂代替河砂的可行性。大量机制砂工程应用案例表明，机制砂受到母岩性能的影响非常大，不同类型母岩加工的机制砂，其配制出的混凝土性能差异很大，因此基于经验参数进行混凝土配合比设计往往难以达到要求。将机制砂混凝土视为一种新材料，开发基于混凝土性能的机制砂混凝土配合比优选方法，结合工程实际开展机制砂混凝土配合比优选，对降低混凝土综合成本、避免材料浪费、促进绿色发展具有重要的意义。
机制砂超高强与超高性能混凝土研究和工程应用目前，国内已有不少超高强与超高性能混凝土研究和应用，但基本都是采用河砂作为原材料，需要开展机制砂超高强与超高性能混凝土研究，推动机制砂超高强与超高性能混凝土在公路工程中的应用，通过混凝土材料性能的大幅提升来改善混凝土性能，并以材料发展来促进混凝土结构的优化。
智慧机制砂混凝土研究
随着智慧交通的发展，对基础设施的材料提出了智慧的要求。开发智慧机制砂混凝土，在机制砂混凝土原有组分基础上复合智能型组分，使机制砂混凝土成为具有自感知和记忆，具有自适应、自修复特性的多功能材料，可实现对混凝土性能全寿命周期的监控，便于准确判断结构的安全和寿命，一方面可融入智慧交通的大系统，另一方面也将促进混凝土结构的优化和升级。
