關鍵詞：機制砂；混凝土；性能；正交設計
1 緒論
1.1 人工砂生產現狀
隨著建筑行業迅速發展，砂子開采發展迅速，但目前產量卻無人能說清，這主要是由該行業的特點決定的。砂子屬地方材料，絕大多數為中小業主承包經菅，缺乏資金投入，且由于技術和意識上的不到位，絕大部分企業均無試驗室，質量意識淡薄。
目前，我國不少地區出現天然砂資源逐步減少，甚至無天然砂的情況，混凝土用砂供需矛盾尤為突出，砂的價格越來越高，用砂高峰時還無砂可用，影響了工程建設的進展。經濟利益的驅使下，我國很多地區都出現了亂采亂挖天然砂的情況。毀田挖砂，破壞河道挖砂的情況，不但破壞了有限的耕地、防洪堤壩，也由此引發了不少工程亊故。
為適應新形勢的發展，2002年2月1日起實施的國標GB/T14684-2001《建筑用砂》首次增加了人工砂種類，確定了人工砂的定義、技術要求和檢驗方法，規定了凡經除土處理的機制砂、混合砂都統稱為人工砂，為人工砂的發展開創了新的局面。但是如同其它新亊物一樣，機制砂目前的發展極不平衡，仍有很大的阻力，主要來自傳統習慣勢力的影響，及人工砂的認識不足，從而限制了人工砂的發展。
1.2 砂生產使用過程中的問題
砂有天然砂和機制砂，天然砂是在氣候或水和風的作用下形成的，機制砂是通過對天然石料的破碎形成的。由于傳統的觀念，人們對砂的認識存在著偏差，認為砂在混凝土中僅起填充作用，砂的質量對水泥混凝土質置影響不大。而從現代混凝土學分析，這種認識是片面的。
例如，北京西直門立交橋，由于使用了具有堿活性的集料，僅使用了10年左右，就因混凝土堿骨料反應而出現大面積的混凝土損壞，加劇了除冰鹽作用下的鋼筋腐蝕，大大縮短了使用壽命。1988年，美國對45個州的水泥混凝土路面進行了使用壽命的調查，結果表明其平均壽命只有20.5年。從中可以得到重要啟示：混凝土材料已經使用了一個多世紀，在各方面條件發生很大變化的今天，有必要重新認識一下骨料的一些問題，以利于更好地發展水泥混凝土公路建設。
1.3 本文主要工作
測定機制砂主要物理性能，分析機制砂代替天然砂對混凝土強度等性質的影響。考慮到工程應用對細集料各主要方面的要求，研究其應用于工程實踐的可行性。
2 機制砂混凝土性能研究
2.1 概述
隨著我國四化建設的發展，越來越多地采用混凝土及其制品作為建筑材料。隨著河砂的大量消耗，機制砂成為河砂的一個重要替代品，但等量替代后機制砂混凝土的強度是否會達到河砂混凝土的等級是我們所關注的。本文采用正交設計的方法，以取代率、砂率和減水劑及水灰比為四因素，研究在三個不同水平下，混凝的工作性、抗壓強度、抗折強度，以求得出各因素對混凝土影響的主次，并找出最優的搭配。
2.2 試驗材料及前期工作
2.2.1 試驗材料來源
水泥：秦峰牌水泥(P.O 42.5)；機制砂：陜西省涇陽縣山底村采石場；天然砂：普通中砂。
2.2.2 細骨料物理性質
天然砂堆積密度為1.424Kg/L，機制砂為1.502Kg/L，天然砂表觀密度為2.61Kg/L，機制砂為2.69Kg/L。
P=(1-p0/p)*100%。
機制砂：P=(1-1.502/2.69)*100%=44.2%。天然砂：p=(1-1.424/2.61)*100%=45.4%
砂的篩分析試驗：
對機制砂、天然砂、不同取代率的混合砂進行篩分試驗，了解它們的級配情況。對取代率為0%，20%，25%，33.3%，50%，66.6%，75%，80%，100%的混合砂級配進行試驗，可得到計算細度模數：
機制砂：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
故機制砂是中砂，天然砂是細砂。
根據試驗數據繪制不同取代率下的級配曲線如圖1，系列1--9代表取代率0%-100%。
得到級配曲線之后，參考砂顆粒級配區劃定的累計篩余量范圍判定砂的級配是否符合級配要求。
結合曲線可得：天然砂屬于3區砂，篩余量在3區砂要求范圍內，故級配良好；機制砂屬于2區，級配良好；混合砂中取代率20%為3區砂，其余為2區砂，且級配良好。所以所有砂都有良好的級配。
2.2.3 水泥物理性質測定
實驗測得的水泥篩余量平均值為2.5%，故該水泥合格。測定該水泥三天的抗折強度平均值為3.14MPa，抗壓強度為12.88MPa，折壓比為0.24。
標準稠度用水量P=加水量/水泥試樣量*100%
實驗可得標準稠度用水量為28.0%。
水泥砂漿擴展度試驗：
① 每次試驗取300g水泥，750g砂，測擴展度每次敲擊15下；
② 砂是標準砂時，用水量150ml，擴展度154ml；
③ 砂為天然砂與機制砂混合時，測置機制砂對天然砂的不同取代率所需用水量及達到的擴展度。i是試驗為得到合適擴展度，不同取代率的混合砂需水量與標準砂需水量之比。
經試驗得取代率從0到100%的用水量分別為：155ml 163ml 160ml 162ml 172ml 170ml 178ml 180ml 184ml。
由試驗數據可以看出，隨著取代率增大，即砂中機制砂越多，為達到一定擴展度所需水越多。所以在后來的試驗中要考慮使用減水劑來避免機制砂的使用影響混凝土拌和物的和易性。
2.3 試驗設計
在此次實驗中我們從機制砂的取代程度即取代率，砂率，減水劑用量，水灰比四個因素考慮。如果把每個因素中的三個水平每種組合都列舉出來，費時費力而且沒有必要，為了節約時間精力資源，試驗采用四因素三水平的正交法設計試驗，利用下圖正交表，合理安排試驗。另外設置純天然砂和純人工砂的對照組兩組。
依據《建筑材料試驗研究的數學方法》中三水平四因素正交表制定試驗安排表，由正交設計原理：每一個因素中的水平出現的機率一樣，每兩個因素之間，各種水平搭配出現的次數一樣，故按正交表安排的試驗是均衡搭配的。
根據正交試驗表格搭配的不同，得每組的配合比，在拌制過程中觀察拌和物的和易性即觀察是否泌水，離析，測試坍落度。
根據試驗結果，可以看出就拌和物的和易性來看，第1，2，5，8組比較符合拌和物和易性要求。
通過7天和28天混凝土標準試塊的抗壓強度的測定，得到每組試塊的強度值，填入正交表。接著根據正交表的性質，計算每個因素在各個水平的考核指標和K及平均值k。比較同一列中K或k的大小，能夠對該列上所安排因素的各水平對考核指標的影響大小做出判斷，K值越大的哪個水平越好。另外計算各因素的極差R，R由因素所在列的K1，K2，K3中的最大減最小值得到。極差大小的因素說明它的各水平對強度影響大小，可以列出主次因素。(表2)
試驗得：對照組1(純機制砂)和對照組2(純天然砂)7天21天28天的強度分別為19.3MPa，24.8MPa，28.0MPa和21.4MPa，27.0MPa，32.3MPa。
通過極差R的大小分析各因素對混凝土強度的影響程度。
結論：
① 水灰比對強度的影響最大，其次砂率，再次取代率，最后是減水劑；
② 水灰比為0.5時混凝土性能較好，天然砂取代率為75%時混凝土性能較好，減水劑用量為1.5%時混凝土性能較好，砂率為38%時混凝土性能較好；
③ 綜合結論②，將各種有利因素組合可得較好的條件為天然砂取代率75%、水灰比0.5、減水劑1.5%、砂率38%。
綜合考慮拌和物的和易性和強度，1，5，8組混凝土的性能相對較好，但是為了得到更理想的強度指標，我們采取調整上述三組的水灰比，以期望在保證和易性的條件下能夠得到更高的強度。
調整水灰比之后混凝土配合比及其和易性得三組試塊的和易性均良好，其坍落度分別為75mm，120mm，95mm。
試驗測得1組、5組、8組、對照組1、對照組2的七天的抗壓/劈裂抗拉數據為44.3/2.65，32.9/2.87，32.6/2.53，33.1/2.68，44.5/2.53；28天的數據為51.8/2.82，42.8/2.92，44.9/2.60，34.5/2.71，45.8/2.62(單位均為MPa)。
由該階段試驗結果可以得到如下結論：
① 調整水灰比之后三組的軸心抗壓強度都得到了很好的改善，均能達到設計要求。
② 通過對照組可知，純機制砂的劈裂抗拉強度比純天然砂的要高，但混合砂中并不是取代率越高劈裂抗拉強度越高，天然砂的最佳取代率為50%，當取代率為50%時，混凝土的軸心抗壓強度滿足要求，和易性好，劈裂抗拉強度也高。
③ 用機制砂取代天然砂會影響混凝土拌合物的和易性，但可以通過添加減水劑來克服這一弊端。
④ 用機制砂替代部分天然砂所制得混凝土強度與純天然砂混凝土強度相當。
綜上所述，用機制砂部分替代天然砂拌制混凝土是可行的。而我們實驗所用機制砂是當地用戶及施工人員認為較一般的品種，此次實驗具有代表性，機制砂是天然砂的良好替代品。
3 總結及展望
工程實際應用中，若采用兩種砂混合摻配，不可避免會增加部分工序，給現場拌制混凝土帶來麻煩，但是隨著國家預拌干粉砂漿的強制推廣，這一問題也將得到解決。
而且機制砂來源于采石場，取材方便，也可以減少這一建筑垃圾對生態環境的破壞。若能將其廣泛應用于工程中，也可一定程度的降低建筑物造價，并提高采石場的收益，實現綠色生產這一目標。
集料的大規模研究工作量大，費時費力，且相對于水灰比、水泥等因素影響相對較小，往往受到忽視，但是因為集料用量大，而且部分指標對混凝土的性能有顯著影響，因此需要細心研究，不可忽略。文中主要對機制砂取代天然河砂進行了試驗，不同的試驗方法可能引起不同的試驗結果，需要進一步的試驗驗證。機制砂混凝土其對耐久性的影響也需進一步的試驗研究。
參考文獻：
[1]徐健，蔡基偉，王翟良等.人工砂與人工砂混凝土的研究現狀[J].國外建材科技，2004.
[2]陳家瓏.對我國人工砂發展若干問題的認識[J].廣東建材，2005.
[3]李凌.粗集料表面特征對混凝土強度的影響[J].公路交通科技，2003.
[4]田刑鋒.高性能混凝土集料數量效應的研究[J].四川建筑科學研究，2001.
[5]劉數華，冷發光，羅季英.建筑材料試驗研究的數學方法[M].中國建筑工業出版社，2006.
編輯：趙虹旭
