隨著建筑工程的日益增多，建筑用砂量呈現(xiàn)逐年遞增趨勢。天然砂，作為建筑用砂中比例最大的砂材，卻具有短時(shí)間內(nèi)不可再生資源的屬性，很多地區(qū)如今已經(jīng)面臨天然砂匱乏的問題，砂荒現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。在建筑行業(yè)的飛速發(fā)展，天然砂急劇匱乏的情況下，機(jī)制砂在許多地域開始大量推廣。然而，當(dāng)機(jī)制砂代替天然砂成為常用細(xì)骨料材料后，混凝土出現(xiàn)了有許多天然砂混凝土不曾有過的性能特性，按照天然砂的使用方法應(yīng)用機(jī)制砂，會使混凝土出現(xiàn)諸多不良現(xiàn)象，從而使得混凝土在生產(chǎn)施工過程中飽受批評，由此引發(fā)的各種工程事故，也讓大多數(shù)混凝土供應(yīng)商對機(jī)制砂產(chǎn)生了抵觸心理。根據(jù)調(diào)查，在一些天然砂資源目前尚可的地方，混凝土商們完全拒絕使用機(jī)制砂。而對于天然砂匱乏的地方，混凝土商們也努力向周邊還有天然砂的地區(qū)采購，即使運(yùn)輸價(jià)格昂貴，也在所不惜。

由此可見，機(jī)制砂的推廣仍然受到嚴(yán)重阻礙。究其根源，還是機(jī)制砂混凝土性能受影響的問題沒有得到解決。因此，如何設(shè)計(jì)出合理的配合比，從而獲得性能理想的機(jī)制砂混凝土，是解決問題的關(guān)鍵。

機(jī)制砂主要來源于碎石生產(chǎn)，是石塊經(jīng)數(shù)次破碎、分篩、沖洗，分離出各粒徑的成品碎石后的下腳料。機(jī)制砂由機(jī)械加工而來，相比而言，天然河砂由于常年的摩擦腐蝕使得它的表面十分光滑棱角少，而機(jī)制砂則由于機(jī)械外力作用使得它的表面粗糙棱角較多，其粗糙的表面有利于機(jī)制砂相互之間的咬合，但是由于機(jī)制砂棱角較多也會大大的增加機(jī)制砂之間空隙，降低了機(jī)制砂的密實(shí)程度，這些性能會直接影響到機(jī)制砂混凝土的和易性和強(qiáng)度。

機(jī)制砂在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生一定量的石粉，這便是機(jī)制砂與天然砂的不同點(diǎn)之一，石粉含量的高低，可以影響機(jī)制砂的物理性能，例如機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)、堆積密度、比表面積。適量的石粉對機(jī)制砂混凝土是有益的，可以改善混凝土的和易性，通過提高混凝土密實(shí)度從而提高混凝土強(qiáng)度及耐久性。但石粉含量并不是越高越好，石粉過量會使得混凝土需水量增加，整體工作性能變差，進(jìn)而會使得機(jī)制砂混凝土整體強(qiáng)度的降低，耐久性能變差。

根據(jù)筆者調(diào)查，在商品混凝土攪拌站的實(shí)際生產(chǎn)中，純機(jī)制砂混凝土往往因?yàn)樾阅懿焕硐攵苌偈褂?。又因?yàn)闄C(jī)制砂生產(chǎn)廠家生產(chǎn)工藝、設(shè)備、技術(shù)水平等的參差不齊，使得機(jī)制砂在材料進(jìn)場檢測中，常出現(xiàn)石粉含量、細(xì)度模數(shù)等指標(biāo)的較大波動(dòng)，在這些情況下，如果僅僅把機(jī)制砂作為全部的細(xì)骨料去使用，很容易導(dǎo)致混凝土狀態(tài)偏差嚴(yán)重，影響混凝土質(zhì)量。

因此，在機(jī)制砂實(shí)際應(yīng)用中，基本都以機(jī)制砂搭配天然細(xì)砂，形成混合細(xì)骨料后再進(jìn)行生產(chǎn)。這種混合細(xì)骨料的生產(chǎn)模式，能得到級配合理的砂材，操作也比較靈活簡單，對混凝土質(zhì)量的穩(wěn)定性也容易控制，從而保證機(jī)制砂混凝土的有序生產(chǎn)。

由JGJ55-2011普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程中可以看出，普通混凝土設(shè)計(jì)中，最主要的三個(gè)參數(shù)為：水膠比，用水量，砂率。這三個(gè)參數(shù)與混凝土的性能密切相關(guān)。例如：水膠比與混凝土強(qiáng)度、耐久性有關(guān)，用水量與混凝土的流動(dòng)性相關(guān)，砂率則與混凝土粘聚性保水性密切相關(guān)。

機(jī)制砂作為一種比較特殊的砂材，具備類似膠材顆粒級別的石粉，又同時(shí)具有遠(yuǎn)高于普通天然砂的細(xì)度模數(shù)，正是因?yàn)檫@種兩頭粒徑極端的現(xiàn)象，使得機(jī)制砂的性能能同時(shí)影響到配合比中水灰比、用水量、砂率這三個(gè)主要參數(shù)的設(shè)定，同時(shí)，由于機(jī)制砂及機(jī)制砂混凝土的特殊性，僅僅通過三個(gè)普通配合比中的參數(shù)來控制，明顯有些不夠，還應(yīng)該設(shè)立更多的參數(shù)來合理優(yōu)化機(jī)制砂混凝土配合比。因此，機(jī)制砂混凝土配合比優(yōu)化理論的研究中，主要從以下幾點(diǎn)探索：

（1）由于石粉的存在，使得混凝土中粉狀級別的材料總量，從常規(guī)的水泥+礦粉+粉煤灰，演變成了水泥+礦粉+粉煤灰+石粉，在這種情況下，由于粉料群的比表面積的擴(kuò)大，使得粉料相應(yīng)的需水量大大提高，進(jìn)而影響混凝土整體用水量，影響水灰比。

（2）由于機(jī)制砂的強(qiáng)度效果高于天然砂，同等水灰比下，機(jī)制砂混凝土強(qiáng)度具有明顯富余，因此，在不影響設(shè)計(jì)強(qiáng)度的情況下，適當(dāng)提高水灰比，可以通過提高用水量，或者減少膠凝材料用量，來達(dá)到目的。

（3）由于機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)較高，且粒徑較大的部分占比多，作為細(xì)集料的級配上，缺陷比較明顯，但是，機(jī)制砂的大粒徑顆粒，可以近似看作，給碎石骨料增加了一級較小碎石的級配，使得碎石的級配層次更加完美。因此，砂率的優(yōu)化調(diào)整也是整個(gè)混凝土和易性好的關(guān)鍵。

（4）鑒于機(jī)制砂的特性可知，機(jī)制砂的自身物理性能指標(biāo)，能對混凝土產(chǎn)生較大的影響，與水灰比、膠凝材料用量、砂率三者息息相關(guān)，因此，機(jī)制砂物理特性也是優(yōu)化混凝土配合比的重要參數(shù)之一。

（5）外加劑作為混凝土中的重要組成部分，對混凝土的和易性、強(qiáng)度等方面有直接的影響，因?yàn)?，機(jī)制砂混凝土的外加劑性能參數(shù)，也是優(yōu)化配合比的一個(gè)重要方面。

用水量參數(shù)的優(yōu)化研究

相比天然砂混凝土，機(jī)制砂混凝土最大的優(yōu)勢是強(qiáng)度，絕大多數(shù)情況下，機(jī)制砂混凝土的強(qiáng)度都能超出天然砂混凝土強(qiáng)度，且高出混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度許多，因此，筆者認(rèn)為可以適當(dāng)“犧牲”掉機(jī)制砂混凝土的這部分富余強(qiáng)度。

提升混凝土用水量，提高混凝土水灰比，雖然使得強(qiáng)度下降，但可以增強(qiáng)拌合物的和易性，使其工作性能提高。

在此思路下，設(shè)計(jì)配合比調(diào)整方案見表1。機(jī)制砂混凝土配合比中用水量調(diào)整后，混凝土性能結(jié)果對比見表1與圖1，圖2。

從表1、圖1與圖2中可以看出，對于C20～C40機(jī)制砂混凝土，增加5～8kg的用水量后，混凝土坍落度均有明顯增加，從試驗(yàn)現(xiàn)場看，混凝土的流動(dòng)性得到明顯提高，具有較好的泵送性能。加水后，抗壓強(qiáng)度確實(shí)均有下降，但只是造成了約1.5MPa左右的強(qiáng)度下降幅度，筆者認(rèn)為在滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求的前提下，這點(diǎn)強(qiáng)度的犧牲是可以接受的。由上述效果可知，機(jī)制砂混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，與普通混凝土相比，在保持膠凝材料不變的情況下，每方機(jī)制砂混凝土可以提高5～8kg的用水量，相對應(yīng)的水灰比約增加0.01～0.03，強(qiáng)度約下降1.2～1.6MPa。

膠凝材料用量參數(shù)的優(yōu)化研究

石粉因其粒徑細(xì)度近似膠凝材料，且部分石粉（石灰石石粉）具有一定活性，再加上石粉對混凝土結(jié)構(gòu)起到填充密實(shí)效果，所以可以考慮用石粉來替代一部分膠凝材料。在試驗(yàn)中，因?yàn)榭紤]到礦粉和煤灰的早期強(qiáng)度不高，以及活性可能略低于水泥，故而在石粉替代膠材的時(shí)候，盡量替代礦粉和粉煤灰數(shù)量，保持水泥用量不變。具體方法為：在石粉添加之后，逐步減少粉煤灰和礦粉的用量，最后達(dá)到石粉等量取代粉煤灰和礦粉的用量。調(diào)整后配比見表2。

上述試驗(yàn)中，水粉比=水/（水泥+FA+SL+石粉），通過試驗(yàn)可以看出，水粉比對混凝土強(qiáng)度的影響，明顯不同于水灰比的線性影響規(guī)律，水灰比對強(qiáng)度的影響顯得雜亂無章，其主要原因是，由石粉增加而導(dǎo)致的粉料總量增加，其對強(qiáng)度的增加效果，不如膠凝材料總量那么明顯。因此，從上述試驗(yàn)可以看出，盡管石粉具有諸多有利于強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)際中并不能起到大量替代膠凝材料的效果，根據(jù)試驗(yàn)效果，機(jī)制砂中石粉，能取代5～15kg的膠凝材料用量，其取代的極限數(shù)據(jù)是15kg。

從試驗(yàn)中坍落度可看出，由于石粉的需水量低于膠凝材料，且在混凝土中具有一定滾珠效應(yīng)，使得石粉在替代部分膠凝材料后，混凝土坍落度得略微到提升。

砂率參數(shù)的優(yōu)化研究

配合比設(shè)計(jì)中的砂率，是影響混凝土工作性能的重要參數(shù)，由于砂率的變化，直接導(dǎo)致混凝土需水量的變化，對混凝土強(qiáng)度也有很大程度的影響。本節(jié)對比了機(jī)制砂混凝土和天然中砂混凝土，在達(dá)到相同和易性的前提下，混凝土砂率的變化，如表3和表4。

通過表3和表4可以得出結(jié)論，為達(dá)到相同和易性，機(jī)制砂混凝土相比天然砂混凝土要高出2%～3%的砂率。分析其主要原因，應(yīng)該是由于機(jī)制砂在顆粒形貌上包含大量不規(guī)則棱角，影響了水泥漿體對粗細(xì)骨料的包裹效果。又因?yàn)闄C(jī)制砂細(xì)度模數(shù)偏大且級配較差，混凝土層次感比較差，使得漿骨分離等現(xiàn)象容易發(fā)生。

機(jī)制砂物理性能參數(shù)的優(yōu)化研究

在實(shí)驗(yàn)室情況下，尤其是在一段時(shí)間范圍內(nèi)，機(jī)制砂作為試驗(yàn)材料，必然是相對恒定且穩(wěn)定的，把機(jī)制砂性能作為混凝土配合比設(shè)計(jì)中的一個(gè)參數(shù)，似乎顯得不重要。然而，面對實(shí)際生產(chǎn)來說，機(jī)制砂性能很容易出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。在筆者調(diào)查研究的許多商品混凝土攪拌站，機(jī)制砂進(jìn)場時(shí)的性能指標(biāo)，尤其是石粉含量和細(xì)度模數(shù)這兩個(gè)指標(biāo)，經(jīng)常出現(xiàn)較大波動(dòng)，這給機(jī)制砂混凝土性能帶來很大差異。因此，筆者認(rèn)為，機(jī)制砂物理性能參數(shù)的實(shí)際情況，是配合比在設(shè)計(jì)時(shí)，需要優(yōu)化調(diào)整的一個(gè)重要的參數(shù)。

1、石粉含量變化時(shí)配合比優(yōu)化方法研究

由于生產(chǎn)廠家工藝、設(shè)備、控制等方面的差異不同，機(jī)制砂在生產(chǎn)過程中石粉含量難免不穩(wěn)定，致使商品混凝土攪拌站很難用上長期穩(wěn)定石粉含量的機(jī)制砂，而石粉含量對混凝土的性能有至關(guān)重要的作用，所以，需要商品混凝土攪拌站在使用機(jī)制砂時(shí)，時(shí)刻監(jiān)控石粉含量，當(dāng)機(jī)制砂中石粉含量發(fā)生變化時(shí)，靈活對配合比相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。經(jīng)本試驗(yàn)研究，配合比參數(shù)優(yōu)化方法和試驗(yàn)效果見表5。

從表5可看出，對于C30機(jī)制砂混凝土，當(dāng)石粉的含量發(fā)生變化時(shí)，通過調(diào)整細(xì)骨料中機(jī)制砂與天然細(xì)砂的比例，可以達(dá)到優(yōu)化混凝土的效果，具體為：當(dāng)石粉含量在3%～9%范圍內(nèi)變化時(shí)，石粉含量每增加1%，細(xì)骨料中機(jī)制砂的比例提高約7%～8%。

2、機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)變化時(shí)配合比優(yōu)化方法研究

砂的細(xì)度模數(shù)是影響混凝土和易性的重要指標(biāo)，相比于天然砂，機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)偏高，且級配較差，當(dāng)機(jī)制砂和天然砂混合后，更增加了細(xì)骨料細(xì)度模數(shù)的復(fù)雜變化，故而當(dāng)機(jī)制砂材料進(jìn)場的時(shí)候，細(xì)度模數(shù)也成為嚴(yán)格檢驗(yàn)的指標(biāo)之一，由于機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)發(fā)生變化，引起細(xì)骨料整體細(xì)度模數(shù)變化，則混凝土配合比需要進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化才可應(yīng)對。經(jīng)本試驗(yàn)研究，配合比參數(shù)優(yōu)化方法和試驗(yàn)效果見表6。

由試驗(yàn)結(jié)果看出，對于C30機(jī)制砂混凝土，機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)在3.0～3.8范圍內(nèi)時(shí)，細(xì)度模數(shù)每增加0.2，配合比中的砂率應(yīng)提高1%～2%，從而使機(jī)制砂混凝土滿足設(shè)計(jì)要求。

機(jī)制砂混凝土專用外加劑參數(shù)的優(yōu)化

外加劑作為混凝土中重要的添加材料，對混凝土的性能往往起著關(guān)鍵性的作用，外加劑能有效影響混凝土的和易性、強(qiáng)度等方面的性能，對改善優(yōu)化機(jī)制砂混凝土的性能可以起到一定的效果。

在混凝土所有材料中，砂石、膠凝材料相對而言基本難以變化，而外加劑是具有可靈活調(diào)整的特性，因此，在單方混凝土中，外加劑用量不變的情況下，如果能通過改善外加劑的性能，使得外加劑更加適應(yīng)機(jī)制砂混凝土，雖然看起來整體配合比在數(shù)據(jù)上沒有發(fā)生變化，但混凝土實(shí)際上性能得到了優(yōu)化。

設(shè)立機(jī)制砂混凝土專用外加劑，通過合理的復(fù)配，使該外加劑專門針對機(jī)制砂混凝土的性能做出相應(yīng)的優(yōu)化，滿足機(jī)制砂混凝土在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。

機(jī)制砂混凝土專用外加劑研發(fā)思路：

思路一：超臨界值引氣型混凝土外加劑

該外加劑通過復(fù)配引氣成分，使得混凝土的含氣量提升，由于氣泡的存在，混凝土在和易性方面有較好的改善，流動(dòng)性、坍落度有明顯提升。但是，超量的引氣，又會導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度下降，因此，該引氣型外加劑，必須結(jié)合機(jī)制砂給混凝土強(qiáng)度帶來一定富余值的基礎(chǔ)上，適當(dāng)添加引氣而降低這部分強(qiáng)度的富余，換取混凝土和易性的改善。

思路二：增強(qiáng)型減水劑

該外加劑通過常規(guī)減水劑和減膠劑復(fù)配而成。由于減膠劑具備一定增強(qiáng)混凝土強(qiáng)度的效果，減膠劑引入混凝土中的原本目的是為了節(jié)省膠凝材料用量，作為機(jī)制砂混凝土專用外加劑，在減水劑中引入減膠劑成分，同配比下，可以增加混凝土的強(qiáng)度。然后，用為改善機(jī)制砂混凝土和易性而不得提高的用水量，來“犧牲”掉這部分強(qiáng)度，進(jìn)而使得機(jī)制砂混凝土在保證強(qiáng)度的同時(shí)，提高了工作性能。

思路三：聚羧酸外加劑與調(diào)節(jié)劑小料的復(fù)配型外加劑

總所周知的，聚羧酸外加劑作為新型第三代外加劑，有著萘系等第二代外加劑不可比擬的減水、保坍等效果優(yōu)勢，但聚羧酸外加劑在復(fù)配上，往往沒有很好的可與之匹配的復(fù)配材料。通過對一些復(fù)配小料的研究，能夠使得聚羧酸在機(jī)制砂中發(fā)揮出1加1大于2的更好效果，這種外加劑，必將使得聚羧酸在機(jī)制砂混凝土中的應(yīng)用范圍更廣。

機(jī)制砂混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)理論小結(jié)

通過上述研究，可以看出，機(jī)制砂混凝土配合比的優(yōu)化，需要在普通配合比設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，提出以下5個(gè)參數(shù)：用水量、膠凝材料用量、砂率、機(jī)制砂物理性能、機(jī)制砂專用外加劑性能。通過對這5個(gè)參數(shù)的優(yōu)化，綜合搭配，才能完成對機(jī)制砂混凝土配合比的合理優(yōu)化。

根據(jù)上節(jié)優(yōu)化理論的研究，對中低強(qiáng)度（C20～C40）機(jī)制砂混凝土進(jìn)行配合比優(yōu)化，設(shè)計(jì)出實(shí)用配合比后進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1、試驗(yàn)材料

水泥：江西萬年青42.5普通硅酸鹽水泥；粉煤灰：F類Ⅱ級粉煤灰；礦粉：S95級礦渣粉；機(jī)制砂：細(xì)度模數(shù)3.4，石粉含量6%；天然細(xì)砂：贛昌河砂，細(xì)度模數(shù)1.6；碎石：江西高安某礦山所產(chǎn)碎石；外加劑：ZX-101J型高效減水劑，南昌卓鑫實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)。

2、C20～C40機(jī)制砂混凝土配合比

試驗(yàn)中混合細(xì)骨料中機(jī)制砂摻量設(shè)定為70%～80%，其中C20～C30為70%，C35～C40為80%，混凝土設(shè)計(jì)坍落值為（160±30）mm。設(shè)計(jì)后配合比如表7。

3、試驗(yàn)結(jié)果

C20～C40混凝土和易性及抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如8。

通過表8可以看出，按照優(yōu)化后的配合比進(jìn)行試驗(yàn)，各組混凝土和易性良好，試驗(yàn)中目測基本沒有泌水、離析、骨料分離等不良現(xiàn)象出現(xiàn)，混凝土在坍落度和擴(kuò)展度方面均達(dá)到理想設(shè)計(jì)，流動(dòng)性能良好，適宜泵送，混凝土工作性能驗(yàn)證合格。各標(biāo)號的混凝土抗壓強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求，強(qiáng)度驗(yàn)證合格。試驗(yàn)結(jié)果基本可以驗(yàn)證上述配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)理論的成功。

通過對機(jī)制砂和機(jī)制砂砼的性能研究，結(jié)合普通混凝土設(shè)計(jì)規(guī)程，提出機(jī)制砂混凝土配合比優(yōu)化理論中的5項(xiàng)參數(shù)：用水量、膠凝材料用量、砂率、機(jī)制砂物理性能、機(jī)制砂專用外加劑，重點(diǎn)研究了各參數(shù)的優(yōu)化方式，得出了詳細(xì)調(diào)整的數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)出了C20～C40標(biāo)號的機(jī)制砂混凝土，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，證明了機(jī)制砂混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)理論的可行性。