隨著自然資源的枯竭和人類環境保護意識的增強，利用人工機制砂代替天然河砂用于水泥混凝土和工程建設，成為時代發展的必然。機制砂是粒度小于4.75mm，由石灰石、花崗巖、玄武巖、片麻巖、砂巖和其他石塊通過破碎、研磨和篩分工藝制成。而在我國大力推進可持續發展戰略的背景下，機制砂可由高爐尾礦、建筑垃圾等固體廢棄物來生產，來打造綠色循環經濟，產生可觀的環保和經濟效益。隨著天然河砂資源的枯竭和河砂限采相關政策的施行，機制砂憑借其原料充足且綠色環保的優勢正在逐步成為我國建筑用砂的主要品種。在目前供不應求的市場環境下，砂石企業良莠不齊，機制砂的來源頻繁變化、技術性質不穩定已為常態。作為構成混凝土骨架的關鍵原料，混凝土的性能會受到機制砂的技術性質起伏影響，導致混凝土的性能下降，在生產混凝土的過程中，經常出現的水、離析、和易性差等現象是最主要的表現，前者會影響混凝土的拌和物工作性能，甚至發生混凝土的強度指標達不到設計值的情況，從而造成嚴重的工程事故。

　　本文對機制砂混凝土配合比設計方法進行了概括，對以機制砂為細骨料的混凝土的性能進行了評估，并根據國內學者的研究做出總結與展望。

　　機制砂混凝土配合比設計方法

　　為保護自然資源以及維護生態環境，近幾年國家大力限制河砂的開采，同時為保證建筑的安全，嚴格限制海砂的使用，山砂由于含泥量較高因此可使用性較低。天然砂的使用幾近退出混凝土用主力砂源，使用機械破碎的機制砂已經成為了建筑行業的主力砂源。

　　由于砂源的改變，混凝土出現很多的不適應性，然而，當前的混凝土配合比設計難以應對砂源的變化，為了適應新的砂源，一些研究人員提出了新的配合比設計方法。

　　北京城建混凝土有限公司副總工程 師公司、研究所所長朱效榮提出了一種數字量化混凝土制造技術，本文簡稱數字量化法，主要內容如下：首先，混凝土的用水量由機制砂的壓實含水率，粗骨料飽和面干含水率和水泥材料標準稠度組成;其次是不認可水灰比定律及其混凝土制備技術理念，認為在用水量確定后，通過膠凝材料活性和用量滿足混凝土強度要求。

　　北京科技大學教授劉娟紅和北京建筑工程學院教授宋少民提出了一種計算混凝土配合比的新方法，稱為基于原材料質量的混凝土配合比設計方法，簡稱原材料法。核心內容包括：

　　1.舍棄保羅米公式，根據項目的具體條件和要求以及當地原材料的性能，確定水泥材料的總量，并通過查找表格選擇水膠比;

　　2.建立膠凝材料用量計算公式，依據混凝土強度等級、骨料品質以及膠凝材料需水行為影響因子進行計算;

　　3.不以砂率為主進行計算，混凝土用粗骨料用量通過查閱表格確定。《普通混凝土配合比設計規程》(JGJ55-2011)中規定的方法，簡稱為規范法，對于機制砂也做出微調，在選擇砂率這一步驟中加人注解，當使用機制砂時可增加1%～2%的砂率。

　　國際知名的統計學家與工程管理專家田口玄一還提出了正交實驗設計方法，該方法的優點是在推斷出最佳方案的基礎上，更深一步的分析，從而得到各種因素信息，主要方法是在眾多實驗方案中選擇一些具有代表性的實驗方案，分析結果。核心內容是根據多因素多水平設計正交實驗表，優選出最佳的材料配合比。

　　機制砂混凝土性能的研究

　　機制砂與天然河砂在性質上的區別，決定了兩者在性能上的差異，并主要體現在工作性能、力學性能和耐久性三方面。

　　1.機制砂的特性

　　機制砂的出現，在一定程度上能夠取代河砂作為混凝土的細骨料，其原因在于：首先，為了滿足各種各樣的工程要求，特定的工程需使用定制的機制砂，通過機械打磨機制砂的級配方便可靠;其次，在表面粗糙度方面，天然砂比機制砂光滑，前者因受雨水侵蝕作用，而后者則因由機械破碎制成，因此機制砂能比天然河砂更好地發揮細骨料填充作用，進而改善混凝土的和易性;然后，在力學性能方面，機制砂混凝土的抗壓、抗拉、抗折強度等均高于河砂混凝土，且干燥收縮率更低;最后，機制砂的生產更加綠色經濟環保，可用混凝土廢料或者碎石來生產，實現廢物利用。然而，它也存在一些缺陷，比如以0.075mm為界，低于此級配的機制砂制成的混凝土的強度較小。以下詳述機制砂的特點。

　　生產特點：機制砂的生產大多是利用巖石、礦石破碎而成的砂石以及建筑垃圾等廢棄物來生產，所以可以選擇得到想要的機制砂的屬性。也就是機制砂的細度模數、顆粒形貌、級配等均可以按需分配。

　　級配情況：機制砂的顆粒分布情況大致上可以總結為兩頭大、中間少的特點，以2.36mm及0.15mm為界。大于前者和小于后者的顆粒偏多，并且還存在一個粒級沒有砂粒的情況。總體上，機制砂的級配能夠滿足河砂的技術規范要求。

　　顆粒形狀：機制砂的制作是通過機械破碎巖石、礦石或者建筑廢棄料而成，因此，其形狀大多呈現不規則的狀態，這之間，以片狀的顆粒居多。正是由于其顆粒表面粗糙，形狀的不規則，進而能夠幫助水泥拌合料更好地混合。但同時也會產生一些不良影響，在混凝土的生產過程中出現水、離析、和易性差等現象。

　　石粉含量：石粉的存在，區分開了機制砂與天然河砂。石粉的加人，可以改善混凝土的和易性，泵送性能，完善骨料集配。使得混凝土的各個方面性能得到顯著提升。

　　2.機制砂混凝土的工作性能

　　為了達到工程要求，泵送混凝土泵送前后的混凝土工作性能要求不變也可以略有變化。然而機制砂集配大、顆粒形貌較為尖銳且石粉的含量很大，種種因素共同促使機制砂混凝土的可泵性差的特點，在泵送過程中管道的堵塞也就成為了一種常見的現象。機制砂混凝土的泵送指標也因此被提出了更多的標準。

　　機制砂混凝土的可泵性受諸多成分作用：

　　杭州市交通規劃設計研究院周潤翔在分析影響機制砂自密實混凝土泵送性能的要素的研究中，提出了三種影響要素：石粉濃度、細度模數、MB值。實驗研究發現當石粉濃度為10%、細度模數為2.8時，機制砂自密實混凝土的泵送性能會大幅提升，當MB大于1.3時，機制砂自密實混凝土的泵送性會有一定程度的下降。有學者將聚羧酸減水劑與粉煤灰、石墨粉和沸石粉一起使用，增加了混凝土的可泵性。

　　曹振生等以水粉比、砂率、石粉含量等成分對混凝土泵送性能的影響為切入點，發現對混凝土泵送性能作用最強的是水和膠凝材料的比率以及砂在膠凝材料總量中的占比，粗骨料占膠凝材料總量的比率影響甚微，為了達到最佳的泵送性能，砂率控制在45%，粉煤灰摻量在30%以下，石粉摻量10%。

　　中電建路橋集團有限公司吳銀芳等在研究機制砂自密實混凝土泵送性能影響因素時發現，在混凝土的配合比設計時，可以變化其粉煤灰的添加量來改變泵送性能。從而達到泵送性能的指標，實驗數據顯示，當粉煤灰的摻量低于50%時，自密實混凝土的泵送性會呈現出逐漸上升的趨勢。大于50%，泵送性能反之下降。綜上所述，對于機制砂泵送混凝土而言，理應存在一個最佳石粉摻量和最佳粉煤灰摻量能使混凝土的泵送性能得到提升。

　　毋庸置疑，由于強度和壓實度，良好的混凝土和易性可以顯著減少水泥消耗，延長結構的使用壽命。因此，國內很多學者對機制砂混凝土的和易性進行了研究。楊家偉等研究了各種摻量對低強度混凝土和易性及強度的影響，發現，混凝土的和易性會在石粉含量達到24.8%時最優異。

　　國內大量學者研究發現，機制砂高性能混凝土落度、流動度和強度都會伴隨石粉含量的提高，而隨著時間的增長而減小。艾長發等將機制砂顆粒的組成分為兩類，以1.18mm的粒徑為邊界。粒徑小于1.18mm的顆粒主要影響混凝土的粘聚性，其含量過多將導致混凝土黏稠、和易性降低，難以泵送澆筑。

　　宋少民等采取選用選擇六種不同巖性的普通機制砂來進行對比實驗的方式，從機制砂巖性的角度出發，它對混凝土和易性的影響還與機制砂混凝土的其他性質掛鉤，比如機制砂的石粉含量、表面結構、成分組成等。結果表明，從性能上來看，鈣質機制砂整體上優于硅質機制砂;從對混凝土和易性的影響來看，這些有著不規則砂礫的表面結構以及高的石粉含量的花崗巖、凝灰巖和片麻巖有著舉足輕重的影響。隨著我國基礎設施建設的發展，長距離機制砂水泥混凝土泵送工藝的應用勢在必行，這也就導致對機制砂混凝土和易性的要求不斷提高。

　　3.機制砂混凝土的力學性能

　　大多數國內外研究者都主張機制砂混凝土的力學特性高于天然河砂混凝土，一部分學者從石粉的影響角度出發。王建國等深入研究了石粉含量在玄武巖機制砂中對混凝土力學特性的影響，其方法是將相當量的機制砂替換成石粉，這樣就可以生產出滿足工程中所需的力學性能要求的高強機制砂混凝土，如果在混凝土的用水量與膠凝材料用量比值沒有發生改變的前提下，機制砂混凝土的石粉含量應該限制在5%～7%，因為此時的混凝土已經具備了良好的力學特性，與此同在抗壓強度方面，機制砂產物明顯優于天然河砂產物。

　　許多國內外學者認為在機制砂混凝土中加入等量的石粉后，混凝土的抗壓強度和和劈裂強度會有一個峰值，因此，可以確定一個最優的石粉含量，此時混凝土的力學性能達到最佳，且強度優于天然河砂混凝土。周明凱等發現石粉在機制砂中能發揮出良好的包裹和填充優勢，改善粘聚性，從而有效提高混凝土的強度。除了從石粉的影響角度展開研究，還有部分學者從機制砂級配、顆粒形貌以及混凝土骨料成分的角度切人，探究其影響程度。王稷良將級配作為影響因素，以天然河砂與機制砂為研究對象，研究其強度的區別。試驗結果表明，與天然砂混凝土相比，機制砂混凝土的強度要高出2MPa。郭立賢等研究機制砂不同巖性及石粉含量對MB值、砂漿流動性及C35混凝土力學性能的影響，發現在石粉含量添加7%時，用花崗巖和石灰巖機制砂制備的C35混凝土每一項力學性能指標都會優于同一時間的用河砂制備的混凝土。謝華兵采用顆粒粒形綜合指數對機制砂顆粒形貌進行表征，并認為粒形綜合指數高的機制砂制備的砂漿其力學性能更優。部分研究者研究了片狀顆粒含量對高強大流態混凝土抗壓強度，得出機制砂片狀顆粒含量不應大于20%(質量分數)。張淑云等以骨料成分作為切入點，研究其對混凝土力學性能的影響。發現在抗壓性能及劈拉強度方面，用機制砂作為細集料的混凝土其兩者強度均高于天然河砂混凝土。.

　　4.機制砂混凝土的耐久性能

　　眾多國內研究者研究發現在提高混凝土抗滲性能、抗碳化性能方面，摻加石粉是一個有效的措施，在抗凍性能上，可以不考慮石粉含量變化對混凝土抗凍性能產生不利影響。例如宋軍強研究了影響花崗巖機制砂耐久性因素，考慮到機制砂的性質，提出以石粉含量作為變化參數，得出在混凝土在加人石粉后，其在第56d的試驗時間時，它的抗氯離子滲透性能逐漸優化提升。在認識到加人石粉會增加機制砂混凝土耐久性的基礎上，很多學者便在研究最佳的石粉摻量。李北星等以石粉含量為切入點，研究了三種摻量5%、7%、10%的石粉濃度在由花崗巖機制砂中對C50機制砂海工混凝土耐久性的影響，以天然河砂混凝土作為對比對象。發現為了使得混凝土的抗碳化性能、抗硫酸鹽侵蝕性能等耐久性指標皆達到最佳，同時優于河砂混凝土，石粉濃度應控制在7%，另一方面，為了提高了漿體的氯離子結合能力，可以額外摻加4.5%～15%的石粉，氯離子結合能力到達峰值時，石粉含量為7.5%。肖志敏等研究了不同石粉含量(3%、6%、9%、12%)機制砂對C30、C50混凝土拌合物性能耐久性能的影響，結果表明為了實現混凝土拌合物耐久性最優，在C30混凝土中，機制砂石粉濃度應為12%;在C50混凝土中，機制砂石粉濃度應為9%。同時也有學者研究發現，對于C30混凝土而言，石粉濃度在5%時，以機制砂作為細集料的混凝土的抗滲性得到顯著提升。對此也有研究者給出了反對意見，認為用同等含量的石粉代替水泥，不利于提升混凝土的抗滲性能。其中機理是，粒度較小的微集料，雖然可以發揮微集料的填充作用，但最終的水化產物會有所減少，導致密實度下降。這樣，由于石粉含量的提高，機制砂混凝土的抗滲性能會隨著水泥拌合物中的氯化物離子擴散系數增加而降低。

　　結語

　　目前，國內外學者針對機制砂的配合比設計優化、工作性能、力學性能和耐久性能展開深入研究。機制砂中較低含量的泥粉可改善新拌混凝土的和易性，但過高的泥粉含量會阻礙正常的水泥水化作用，在集料與水泥石的界面過渡區形成大量微裂紋，降低混凝土的物理力學性能。優異的級配可將較細的顆粒與較粗顆粒混合，從而使得結構密實，使混凝土形成最緊密堆積結構，改善混凝土的整體性能。機制砂表面粗糙且富有棱角的顆粒形貌影響了細集料與水泥石之間的結合作用，混凝土的工作性能會在一定的范圍內有所下降，然而，當涉及機制砂混凝土的力學性能，前者對其幾乎沒有影響。因此，在機制砂混凝土的實際應用中，應充分認識到機制砂特性對混凝土性能的影響，生產中關注顆粒級配與顆粒形態之間的關系，以盡可能提高機械砂混凝土的性能，前提是減少材料用量。隨著機制砂石骨材效率的日益提升，機制砂骨材產業已形成工業體系的主要部分。目前，目前進行的試驗與研究主要顯示出如下問題。

　　1.隨著對機制砂混凝土研究的深人，國內外學者發現機制砂中參差不齊的原材料以及一種質量控制指標對混凝土性能的影響是目前絕大部分研究的現狀，在未來的研究中，可以跳出這一思維慣性，考慮多影響因素的耦合作用。

　　2.在原材料設計方面，傳統方法考慮多因素多水平的實驗往往過于繁瑣且效率較低，可以利用正交試驗設計進行組成設計，使設計更加科學合理。

　　3.為了達到機制砂混凝土泵送的要求，使混凝土的工作性能得到更進一步的改善，同時確保提高石粉摻量能夠用于增加機制砂混凝土的強度，這是未來需要研究的方面。(戚定成)