摘要：以往對混凝土的研究，土木工作者把更多的注意力放在了水泥、水灰比、外加劑以及粉煤灰和硅灰等外摻材料上。集料也是混凝土的重要組成部分，在混凝土中占有很重要的地位。隨著土木建設(shè)的日趨發(fā)展和完善，天然砂日益緊缺，我們應(yīng)重新審視集料對混凝土性能的影響。本文就著手研究用機(jī)制砂取代河砂對混凝土性能的影響。

  關(guān)鍵詞：機(jī)制砂；混凝土；性能；正交設(shè)計(jì)

  1 緒論

  1.1 人工砂生產(chǎn)現(xiàn)狀

  隨著建筑行業(yè)迅速發(fā)展，砂子開采發(fā)展迅速，但目前產(chǎn)量卻無人能說清，這主要是由該行業(yè)的特點(diǎn)決定的。砂子屬地方材料，J大多數(shù)為中小業(yè)主承包經(jīng)菅，缺乏資金投入，且由于技術(shù)和意識上的不到位，J大部分企業(yè)均無試驗(yàn)室，質(zhì)量意識淡薄。

  目前，我國不少地區(qū)出現(xiàn)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(jià)格越來越高，用砂高峰時(shí)還無砂可用，影響了工程建設(shè)的進(jìn)展。經(jīng)濟(jì)利益的驅(qū)使下，我國很多地區(qū)都出現(xiàn)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(fā)了不少工程亊故?！　?/span>

  為適應(yīng)新形勢的發(fā)展，2002年2月1日起實(shí)施的國標(biāo)GB/T14684-2001《建筑用砂》s次增加了人工砂種類，確定了人工砂的定義、技術(shù)要求和檢驗(yàn)方法，規(guī)定了凡經(jīng)除土處理的機(jī)制砂、混合砂都統(tǒng)稱為人工砂，為人工砂的發(fā)展開創(chuàng)了新的局面。但是如同其它新亊物一樣，機(jī)制砂目前的發(fā)展J不平衡，仍有很大的阻力，主要來自傳統(tǒng)習(xí)慣勢力的影響，及人工砂的認(rèn)識不足，從而限制了人工砂的發(fā)展。

  1.2 砂生產(chǎn)使用中的問題

  砂有天然砂和機(jī)制砂，天然砂是在氣候或水和風(fēng)的作用下形成的，機(jī)制砂是通過對天然石料的破碎形成的。由于傳統(tǒng)的觀念，人們對砂的認(rèn)識存在著偏差，認(rèn)為砂在混凝土中J起填充作用，砂的質(zhì)量對水泥混凝土質(zhì)置影響不大。而從現(xiàn)代混凝土學(xué)分析，這種認(rèn)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，J使用了10年左右，就因混凝土堿骨料反應(yīng)而出現(xiàn)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(gè)州的水泥混凝土路面進(jìn)行了使用壽命的調(diào)查，結(jié)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(jīng)使用了一個(gè)多世紀(jì)，在各方面條件發(fā)生很大變化的今天，有b要重新認(rèn)識一下骨料的一些問題，以利于更好地發(fā)展水泥混凝土公路建設(shè)。

 1.3 本文主要工作

  測定機(jī)制砂主要物理性能，分析機(jī)制砂代替天然砂對混凝土強(qiáng)度等性質(zhì)的影響。考慮到工程應(yīng)用對細(xì)集料各主要方面的要求，研究其應(yīng)用于工程實(shí)踐的可行性。

  2 機(jī)制砂混凝土性能研究

 2.1 概述

  隨著我國四化建設(shè)的發(fā)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(jī)制砂成為河砂的一個(gè)重要替代品，但等量替代后機(jī)制砂混凝土的強(qiáng)度是否會達(dá)到河砂混凝土的等J是我們所關(guān)注的。本文采用正交設(shè)計(jì)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(gè)不同水平下，混凝的工作性、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度，以求得出各因素對混凝土影響的主次，并找出**優(yōu)的搭配。

 2.2 試驗(yàn)材料及前期工作

 2.2.1 試驗(yàn)材料來源

 水泥：秦峰牌水泥(P.O 42.5)；機(jī)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(xì)骨料物理性質(zhì)

 天然砂堆積密度為1.424Kg/L，機(jī)制砂為1.502Kg/L，天然砂表觀密度為2.61Kg/L，機(jī)制砂為2.69Kg/L。

 P=(1-p0/p)*100%。

 機(jī)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(yàn)：

 對機(jī)制砂、天然砂、不同取代率的混合砂進(jìn)行篩分試驗(yàn)，了解它們的J配情況。對取代率為0%，20%，25%，33.3%，50%，66.6%，75%，80%，100%的混合砂J配進(jìn)行試驗(yàn)，可得到計(jì)算細(xì)度模數(shù)：

 機(jī)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(jī)制砂是中砂，天然砂是細(xì)砂。

 根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制不同取代率下的J配曲線如圖1，系列1--9代表取代率0%-100%。

圖1

 得到J配曲線之后，參考砂顆粒J配區(qū)劃定的累計(jì)篩余量范圍判定砂的J配是否符合J配要求。

  結(jié)合曲線可得：天然砂屬于3區(qū)砂，篩余量在3區(qū)砂要求范圍內(nèi)，故J配良好；機(jī)制砂屬于2區(qū)，J配良好；混合砂中取代率20%為3區(qū)砂，其余為2區(qū)砂，且J配良好。所以所有砂都有良好的J配。

 2.2.3 水泥物理性質(zhì)測定

 實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度平均值為3.14MPa，抗壓強(qiáng)度為12.88MPa，折壓比為0.24。

 標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量P=加水量/水泥試樣量*100%

 實(shí)驗(yàn)可得標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為28.0%。

 水泥砂漿擴(kuò)展度試驗(yàn)：

 ① 每次試驗(yàn)取300g水泥，750g砂，測擴(kuò)展度每次敲擊15下；

 ② 砂是標(biāo)準(zhǔn)砂時(shí)，用水量150ml，擴(kuò)展度154ml；

 ③ 砂為天然砂與機(jī)制砂混合時(shí)，測置機(jī)制砂對天然砂的不同取代率所需用水量及達(dá)到的擴(kuò)展度。i是試驗(yàn)為得到合適擴(kuò)展度，不同取代率的混合砂需水量與標(biāo)準(zhǔn)砂需水量之比。

 經(jīng)試驗(yàn)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(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，隨著取代率增大，即砂中機(jī)制砂越多，為達(dá)到一定擴(kuò)展度所需水越多。所以在后來的試驗(yàn)中要考慮使用減水劑來避免機(jī)制砂的使用影響混凝土拌和物的和易性。

 2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

 在此次實(shí)驗(yàn)中我們從機(jī)制砂的取代程度即取代率，砂率，減水劑用量，水灰比四個(gè)因素考慮。如果把每個(gè)因素中的三個(gè)水平每種組合都列舉出來，費(fèi)時(shí)費(fèi)力而且沒有b要，為了節(jié)約時(shí)間精力資源，試驗(yàn)采用四因素三水平的正交法設(shè)計(jì)試驗(yàn)，利用下圖正交表，合理安排試驗(yàn)。另外設(shè)置純天然砂和純?nèi)斯ど暗膶φ战M兩組。

 依據(jù)《建筑材料試驗(yàn)研究的數(shù)學(xué)方法》中三水平四因素正交表制定試驗(yàn)安排表，由正交設(shè)計(jì)原理：每一個(gè)因素中的水平出現(xiàn)的機(jī)率一樣，每兩個(gè)因素之間，各種水平搭配出現(xiàn)的次數(shù)一樣，故按正交表安排的試驗(yàn)是均衡搭配的。

 根據(jù)正交試驗(yàn)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(jù)試驗(yàn)結(jié)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(biāo)準(zhǔn)試塊的抗壓強(qiáng)度的測定，得到每組試塊的強(qiáng)度值，填入正交表。接著根據(jù)正交表的性質(zhì)，計(jì)算每個(gè)因素在各個(gè)水平的考核指標(biāo)和K及平均值k。比較同一列中K或k的大小，能夠?qū)υ摿猩纤才乓蛩氐母魉綄己酥笜?biāo)的影響大小做出判斷，K值越大的哪個(gè)水平越好。另外計(jì)算各因素的J差R，R由因素所在列的K1，K2，K3中的**大減**小值得到。J差大小的因素說明它的各水平對強(qiáng)度影響大小，可以列出主次因素。(表2)

 試驗(yàn)得：對照組1(純機(jī)制砂)和對照組2(純天然砂)7天21天28天的強(qiáng)度分別為19.3MPa，24.8MPa，28.0MPa和21.4MPa，27.0MPa，32.3MPa。

 通過J差R的大小分析各因素對混凝土強(qiáng)度的影響程度。

結(jié)論：

  ① 水灰比對強(qiáng)度的影響**大，其次砂率，再次取代率，**后是減水劑；

  ② 水灰比為0.5時(shí)混凝土性能較好，天然砂取代率為75%時(shí)混凝土性能較好，減水劑用量為1.5%時(shí)混凝土性能較好，砂率為38%時(shí)混凝土性能較好；

  ③ 綜合結(jié)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(qiáng)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(qiáng)度指標(biāo)，我們采取調(diào)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(qiáng)度。

表2正交法試驗(yàn)結(jié)果分析

  附注1　由以往的工程實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)可知摻入機(jī)制砂的混凝土拌合物和易性較差，所以前期所選水灰比較大

調(diào)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(yàn)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(yàn)結(jié)果可以得到如下結(jié)論：

 ① 調(diào)整水灰比之后三組的軸心抗壓強(qiáng)度都得到了很好的改善，均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

 ② 通過對照組可知，純機(jī)制砂的劈裂抗拉強(qiáng)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(qiáng)度越高，天然砂的**佳取代率為50%，當(dāng)取代率為50%時(shí)，混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度滿足要求，和易性好，劈裂抗拉強(qiáng)度也高。

 ③ 用機(jī)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(jī)制砂替代部分天然砂所制得混凝土強(qiáng)度與純天然砂混凝土強(qiáng)度相當(dāng)。

 綜上所述，用機(jī)制砂部分替代天然砂拌制混凝土是可行的。而我們實(shí)驗(yàn)所用機(jī)制砂是當(dāng)?shù)赜脩艏笆┕と藛T認(rèn)為較一般的品種，此次實(shí)驗(yàn)具有代表性，機(jī)制砂是天然砂的良好替代品。

 3 總結(jié)及展望

  工程實(shí)際應(yīng)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(xiàn)場拌制混凝土帶來麻煩，但是隨著國家預(yù)拌干粉砂漿的強(qiáng)制推廣，這一問題也將得到解決。

 而且機(jī)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(tài)環(huán)境的破壞。若能將其廣泛應(yīng)用于工程中，也可一定程度的降低建筑物造價(jià)，并提高采石場的收益，實(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn)這一目標(biāo)。

 集料的大規(guī)模研究工作量大，費(fèi)時(shí)費(fèi)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?yàn)榧嫌昧看?，而且部分指?biāo)對混凝土的性能有顯著影響，因此需要細(xì)心研究，不可忽略。文中主要對機(jī)制砂取代天然河砂進(jìn)行了試驗(yàn)，不同的試驗(yàn)方法可能引起不同的試驗(yàn)結(jié)果，需要進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。機(jī)制砂混凝土其對耐久性的影響也需進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。

  下篇我們會講隆中重工的細(xì)砂回收機(jī)是否符合人工制沙的要求