关键词：机制砂；混凝土；性能；正交设计

　　1 绪论

　　1.1 人工砂生产现状

　　随着建筑行业迅速发展，砂子开采发展迅速，但目前产量却无人能说清，这主要是由该行业的特点决定的。砂子属地方材料，绝大多数为中小业主承包经菅，缺乏资金投入，且由于技术和意识上的不到位，绝大部分企业均无试验室，质量意识淡薄。

　　目前，我国不少地区出现天然砂资源逐步减少，甚至无天然砂的情況，混凝土用砂供需矛盾尤为突出，砂的价格越来越高，用砂高峰时还无砂可用，影响了工程建设的进展。经济利益的驱使下，我国很多地区都出现了乱采乱挖天然砂的情况。毁田挖砂，破坏河道挖砂的情况，不但破坏了有限的耕地、防洪堤坝，也由此引发了不少工程亊故。　　

　　为适应新形势的发展，2002年2月1日起实施的国标GB/T14684-2001《建筑用砂》首次增加了人工砂种类，确定了人工砂的定义、技术要求和检验方法，规定了凡经除土处理的机制砂、混合砂都统称为人工砂，为人工砂的发展开创了新的局面。但是如同其它新亊物一样，机制砂目前的发展极不平衡，仍有很大的阻力，主要来自传统习惯势力的影响，及人工砂的认识不足，从而限制了人工砂的发展。

　　1.2 砂生产使用过程中的问题

　　砂有天然砂和机制砂，天然砂是在气候或水和风的作用下形成的，机制砂是通过对天然石料的破碎形成的。由于传统的观念，人们对砂的认识存在着偏差，认为砂在混凝土中仅起填充作用，砂的质量对水泥混凝土质置影响不大。而从现代混凝土学分析，这种认识是片面的。

　　例如，北京西直门立交桥，由于使用了具有碱活性的集料，仅使用了10年左右，就因混凝土碱骨料反应而出现大面积的混凝土损坏，加剧了除冰盐作用下的钢筋腐蚀，大大缩短了使用寿命。1988年，美国对45个州的水泥混凝土路面进行了使用寿命的调查，结果表明其平均寿命只有20.5年。从中可以得到重要启示：混凝土材料已经使用了一个多世纪，在各方面条件发生很大变化的今天，有必要重新认识一下骨料的一些问题，以利于更好地发展水泥混凝土公路建设。

　　1.3 本文主要工作

　　测定机制砂主要物理性能，分析机制砂代替天然砂对混凝土强度等性质的影响。考虑到工程应用对细集料各主要方面的要求，研究其应用于工程实践的可行性。

　　2 机制砂混凝土性能研究

　　2.1 概述

　　随着我国四化建设的发展，越来越多地采用混凝土及其制品作为建筑材料。随着河砂的大量消耗，机制砂成为河砂的一个重要替代品，但等量替代后机制砂混凝土的强度是否会达到河砂混凝土的等级是我们所关注的。本文采用正交设计的方法，以取代率、砂率和减水剂及水灰比为四因素，研究在三个不同水平下，混凝的工作性、抗压强度、抗折强度，以求得出各因素对混凝土影响的主次，并找出最优的搭配。

　　2.2 试验材料及前期工作

　　2.2.1 试验材料来源

　　水泥：秦峰牌水泥(P.O 42.5)；机制砂：陕西省泾阳县山底村采石场；天然砂：普通中砂。

　　2.2.2 细骨料物理性质

　　天然砂堆积密度为1.424Kg/L，机制砂为1.502Kg/L，天然砂表观密度为2.61Kg/L，机制砂为2.69Kg/L。

　　P=(1-p0/p)*100%。

　　机制砂：P=(1-1.502/2.69)*100%=44.2%。天然砂：p=(1-1.424/2.61)*100%=45.4%

　　砂的筛分析试验：

　　对机制砂、天然砂、不同取代率的混合砂进行筛分试验，了解它们的级配情况。对取代率为0%，20%，25%，33.3%，50%，66.6%，75%，80%，100%的混合砂级配进行试验，可得到计算细度模数：

　　机制砂：Uf=(A2.36+A1.18+A0.60+A0.30+A0.15)/100=2.71

　　天然砂：Uf=[(A2.36+A1.18+AO.6O+A0.3O+AO.15)-5A4.75]/(100-A4.75)=1.71

　　故机制砂是中砂，天然砂是细砂。

　　根据试验数据绘制不同取代率下的级配曲线如图1，系列1--9代表取代率0%-100%。

　　得到级配曲线之后，参考砂颗粒级配区划定的累计筛余量范围判定砂的级配是否符合级配要求。

　　结合曲线可得：天然砂属于3区砂，筛余量在3区砂要求范围内，故级配良好；机制砂属于2区，级配良好；混合砂中取代率20%为3区砂，其余为2区砂，且级配良好。所以所有砂都有良好的级配。

　　2.2.3 水泥物理性质测定

　　实验测得的水泥筛余量平均值为2.5%，故该水泥合格。测定该水泥三天的抗折强度平均值为3.14MPa，抗压强度为12.88MPa，折压比为0.24。

　　标准稠度用水量P=加水量/水泥试样量*100%

　　实验可得标准稠度用水量为28.0%。

　　水泥砂浆扩展度试验：

　　① 每次试验取300g水泥，750g砂，测扩展度每次敲击15下；

　　② 砂是标准砂时，用水量150ml，扩展度154ml；

　　③ 砂为天然砂与机制砂混合时，测置机制砂对天然砂的不同取代率所需用水量及达到的扩展度。i是试验为得到合适扩展度，不同取代率的混合砂需水量与标准砂需水量之比。

　　经试验得取代率从0到100%的用水量分别为：155ml 163ml 160ml 162ml 172ml 170ml 178ml 180ml 184ml。

　　由试验数据可以看出，随着取代率增大，即砂中机制砂越多，为达到一定扩展度所需水越多。所以在后来的试验中要考虑使用减水剂来避免机制砂的使用影响混凝土拌和物的和易性。

　　2.3 试验设计

　　在此次实验中我们从机制砂的取代程度即取代率，砂率，减水剂用量，水灰比四个因素考虑。如果把每个因素中的三个水平每种组合都列举出来，费时费力而且没有必要，为了节约时间精力资源，试验采用四因素三水平的正交法设计试验，利用下图正交表，合理安排试验。另外设置纯天然砂和纯人工砂的对照组两组。

　　依据《建筑材料试验研究的数学方法》中三水平四因素正交表制定试验安排表，由正交设计原理：每一个因素中的水平出现的机率一样，每两个因素之间，各种水平搭配出现的次数一样，故按正交表安排的试验是均衡搭配的。

　　根据正交试验表格搭配的不同，得每组的配合比，在拌制过程中观察拌和物的和易性即观察是否泌水，离析，测试坍落度。

　　根据试验结果，可以看出就拌和物的和易性来看，第1，2，5，8组比较符合拌和物和易性要求。

　　通过7天和28天混凝土标准试块的抗压强度的测定，得到每组试块的强度值，填入正交表。接着根据正交表的性质，计算每个因素在各个水平的考核指标和K及平均值k。比较同一列中K或k的大小，能够对该列上所安排因素的各水平对考核指标的影响大小做出判断，K值越大的哪个水平越好。另外计算各因素的极差R，R由因素所在列的K1，K2，K3中的最大减最小值得到。极差大小的因素说明它的各水平对强度影响大小，可以列出主次因素。(表2)

　　试验得：对照组1(纯机制砂)和对照组2(纯天然砂)7天21天28天的强度分别为19.3MPa，24.8MPa，28.0MPa和21.4MPa，27.0MPa，32.3MPa。

　　通过极差R的大小分析各因素对混凝土强度的影响程度。

　　结论：

　　① 水灰比对强度的影响最大，其次砂率，再次取代率，最后是减水剂；

　　② 水灰比为0.5时混凝土性能较好，天然砂取代率为75%时混凝土性能较好，减水剂用量为1.5%时混凝土性能较好，砂率为38%时混凝土性能较好；

　　③ 综合结论②，将各种有利因素组合可得较好的条件为天然砂取代率75%、水灰比0.5、减水剂1.5%、砂率38%。

　　综合考虑拌和物的和易性和强度，1，5，8组混凝土的性能相对较好，但是为了得到更理想的强度指标，我们采取调整上述三组的水灰比，以期望在保证和易性的条件下能够得到更高的强度。

　　调整水灰比之后混凝土配合比及其和易性得三组试块的和易性均良好，其坍落度分别为75mm，120mm，95mm。

　　试验测得1组、5组、8组、对照组1、对照组2的七天的抗压/劈裂抗拉数据为44.3/2.65，32.9/2.87，32.6/2.53，33.1/2.68，44.5/2.53；28天的数据为51.8/2.82，42.8/2.92，44.9/2.60，34.5/2.71，45.8/2.62(单位均为MPa)。

　　由该阶段试验结果可以得到如下结论：

　　① 调整水灰比之后三组的轴心抗压强度都得到了很好的改善，均能达到设计要求。

　　② 通过对照组可知，纯机制砂的劈裂抗拉强度比纯天然砂的要高，但混合砂中并不是取代率越高劈裂抗拉强度越高，天然砂的最佳取代率为50%，当取代率为50%时，混凝土的轴心抗压强度满足要求，和易性好，劈裂抗拉强度也高。

　　③ 用机制砂取代天然砂会影响混凝土拌合物的和易性，但可以通过添加减水剂来克服这一弊端。

　　④ 用机制砂替代部分天然砂所制得混凝土强度与纯天然砂混凝土强度相当。

　　综上所述，用机制砂部分替代天然砂拌制混凝土是可行的。而我们实验所用机制砂是当地用户及施工人员认为较一般的品种，此次实验具有代表性，机制砂是天然砂的良好替代品。

　　3 总结及展望

　　工程实际应用中，若采用两种砂混合掺配，不可避免会增加部分工序，给现场拌制混凝土带来麻烦，但是随着国家预拌干粉砂浆的强制推广，这一问题也将得到解决。

　　而且机制砂来源于采石场，取材方便，也可以减少这一建筑垃圾对生态环境的破坏。若能将其广泛应用于工程中，也可一定程度的降低建筑物造价，并提高采石场的收益，实现绿色生产这一目标。

　　集料的大规模研究工作量大，费时费力，且相对于水灰比、水泥等因素影响相对较小，往往受到忽视，但是因为集料用量大，而且部分指标对混凝土的性能有显著影响，因此需要细心研究，不可忽略。文中主要对机制砂取代天然河砂进行了试验，不同的试验方法可能引起不同的试验结果，需要进一步的试验验证。机制砂混凝土其对耐久性的影响也需进一步的试验研究。

　　参考文献：

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编辑：赵虹旭