随着建筑工程的日益增多，建筑用砂量呈现逐年递增趋势。天然砂，作为建筑用砂中比例最大的砂材，却具有短时间内不可再生资源的属性，很多地区如今已经面临天然砂匮乏的问题，砂荒现象时有发生。在建筑行业的飞速发展，天然砂急剧匮乏的情况下，机制砂在许多地域开始大量推广。然而，当机制砂代替天然砂成为常用细骨料材料后，混凝土出现了有许多天然砂混凝土不曾有过的性能特性，按照天然砂的使用方法应用机制砂，会使混凝土出现诸多不良现象，从而使得混凝土在生产施工过程中饱受批评，由此引发的各种工程事故，也让大多数混凝土供应商对机制砂产生了抵触心理。根据调查，在一些天然砂资源目前尚可的地方，混凝土商们完全拒绝使用机制砂。而对于天然砂匮乏的地方，混凝土商们也努力向周边还有天然砂的地区采购，即使运输价格昂贵，也在所不惜。
由此可见，机制砂的推广仍然受到严重阻碍。究其根源，还是机制砂混凝土性能受影响的问题没有得到解决。因此，如何设计出合理的配合比，从而获得性能理想的机制砂混凝土，是解决问题的关键。
1 机制砂对混凝土性能影响
机制砂主要来源于碎石生产，是石块经数次破碎、分筛、冲洗，分离出各粒径的成品碎石后的下脚料。机制砂由机械加工而来，相比而言，天然河砂由于常年的摩擦腐蚀使得它的表面十分光滑棱角少，而机制砂则由于机械外力作用使得它的表面粗糙棱角较多，其粗糙的表面有利于机制砂相互之间的咬合，但是由于机制砂棱角较多也会大大的增加机制砂之间空隙，降低了机制砂的密实程度，这些性能会直接影响到机制砂混凝土的和易性和强度。
机制砂在生产过程中会产生一定量的石粉，这便是机制砂与天然砂的不同点之一，石粉含量的高低，可以影响机制砂的物理性能，例如机制砂的细度模数、堆积密度、比表面积。适量的石粉对机制砂混凝土是有益的，可以改善混凝土的和易性，通过提高混凝土密实度从而提高混凝土强度及耐久性。但石粉含量并不是越高越好，石粉过量会使得混凝土需水量增加，整体工作性能变差，进而会使得机制砂混凝土整体强度的降低，耐久性能变差。
根据笔者调查，在商品混凝土搅拌站的实际生产中，纯机制砂混凝土往往因为性能不理想而很少使用。又因为机制砂生产厂家生产工艺、设备、技术水平等的参差不齐，使得机制砂在材料进场检测中，常出现石粉含量、细度模数等指标的较大波动，在这些情况下，如果仅仅把机制砂作为全部的细骨料去使用，很容易导致混凝土状态偏差严重，影响混凝土质量。
因此，在机制砂实际应用中，基本都以机制砂搭配天然细砂，形成混合细骨料后再进行生产。这种混合细骨料的生产模式，能得到级配合理的砂材，操作也比较灵活简单，对混凝土质量的稳定性也容易控制，从而保证机制砂混凝土的有序生产。
2 机制砂混凝土配合比优化理论研究
由JGJ55-2011普通混凝土配合比设计规程中可以看出，普通混凝土设计中，最主要的三个参数为：水胶比，用水量，砂率。这三个参数与混凝土的性能密切相关。例如：水胶比与混凝土强度、耐久性有关，用水量与混凝土的流动性相关，砂率则与混凝土粘聚性保水性密切相关。
机制砂作为一种比较特殊的砂材，具备类似胶材颗粒级别的石粉，又同时具有远高于普通天然砂的细度模数，正是因为这种两头粒径极端的现象，使得机制砂的性能能同时影响到配合比中水灰比、用水量、砂率这三个主要参数的设定，同时，由于机制砂及机制砂混凝土的特殊性，仅仅通过三个普通配合比中的参数来控制，明显有些不够，还应该设立更多的参数来合理优化机制砂混凝土配合比。因此，机制砂混凝土配合比优化理论的研究中，主要从以下几点探索：
（1）由于石粉的存在，使得混凝土中粉状级别的材料总量，从常规的水泥+矿粉+粉煤灰，演变成了水泥+矿粉+粉煤灰+石粉，在这种情况下，由于粉料群的比表面积的扩大，使得粉料相应的需水量大大提高，进而影响混凝土整体用水量，影响水灰比。
（2）由于机制砂的强度效果高于天然砂，同等水灰比下，机制砂混凝土强度具有明显富余，因此，在不影响设计强度的情况下，适当提高水灰比，可以通过提高用水量，或者减少胶凝材料用量，来达到目的。
（3）由于机制砂细度模数较高，且粒径较大的部分占比多，作为细集料的级配上，缺陷比较明显，但是，机制砂的大粒径颗粒，可以近似看作，给碎石骨料增加了一级较小碎石的级配，使得碎石的级配层次更加完美。因此，砂率的优化调整也是整个混凝土和易性好的关键。
（4）鉴于机制砂的特性可知，机制砂的自身物理性能指标，能对混凝土产生较大的影响，与水灰比、胶凝材料用量、砂率三者息息相关，因此，机制砂物理特性也是优化混凝土配合比的重要参数之一。
（5）外加剂作为混凝土中的重要组成部分，对混凝土的和易性、强度等方面有直接的影响，因为，机制砂混凝土的外加剂性能参数，也是优化配合比的一个重要方面。
2.1 用水量参数的优化研究
相比天然砂混凝土，机制砂混凝土最大的优势是强度，绝大多数情况下，机制砂混凝土的强度都能超出天然砂混凝土强度，且高出混凝土设计强度许多，因此，笔者认为可以适当“牺牲”掉机制砂混凝土的这部分富余强度。
提升混凝土用水量，提高混凝土水灰比，虽然使得强度下降，但可以增强拌合物的和易性，使其工作性能提高。
在此思路下，设计配合比调整方案见表1。机制砂混凝土配合比中用水量调整后，混凝土性能结果对比见表1与图1，图2。
表1 C20~C40 机制砂混凝土调整用水量试验
图1 用水量调整后的坍落度对比
图2 用水量调整后的28d强度对比
从表1、图1与图2中可以看出，对于C20～C40机制砂混凝土，增加5～8kg的用水量后，混凝土坍落度均有明显增加，从试验现场看，混凝土的流动性得到明显提高，具有较好的泵送性能。加水后，抗压强度确实均有下降，但只是造成了约1.5MPa左右的强度下降幅度，笔者认为在满足设计强度要求的前提下，这点强度的牺牲是可以接受的。由上述效果可知，机制砂混凝土配合比设计时，与普通混凝土相比，在保持胶凝材料不变的情况下，每方机制砂混凝土可以提高5～8kg的用水量，相对应的水灰比约增加0.01～0.03，强度约下降1.2～1.6MPa。
2.2 胶凝材料用量参数的优化研究
石粉因其粒径细度近似胶凝材料，且部分石粉（石灰石石粉）具有一定活性，再加上石粉对混凝土结构起到填充密实效果，所以可以考虑用石粉来替代一部分胶凝材料。在试验中，因为考虑到矿粉和煤灰的早期强度不高，以及活性可能略低于水泥，故而在石粉替代胶材的时候，尽量替代矿粉和粉煤灰数量，保持水泥用量不变。具体方法为：在石粉添加之后，逐步减少粉煤灰和矿粉的用量，最后达到石粉等量取代粉煤灰和矿粉的用量。调整后配比见表2。
表2 C30混凝土石粉替代胶凝材料的试验
上述试验中，水粉比=水/（水泥+FA+SL+石粉），通过试验可以看出，水粉比对混凝土强度的影响，明显不同于水灰比的线性影响规律，水灰比对强度的影响显得杂乱无章，其主要原因是，由石粉增加而导致的粉料总量增加，其对强度的增加效果，不如胶凝材料总量那么明显。因此，从上述试验可以看出，尽管石粉具有诸多有利于强度的优点，但实际中并不能起到大量替代胶凝材料的效果，根据试验效果，机制砂中石粉，能取代5～15kg的胶凝材料用量，其取代的极限数据是15kg。
从试验中坍落度可看出，由于石粉的需水量低于胶凝材料，且在混凝土中具有一定滚珠效应，使得石粉在替代部分胶凝材料后，混凝土坍落度得略微到提升。
2.3 砂率参数的优化研究
配合比设计中的砂率，是影响混凝土工作性能的重要参数，由于砂率的变化，直接导致混凝土需水量的变化，对混凝土强度也有很大程度的影响。
本节对比了机制砂混凝土和天然中砂混凝土，在达到相同和易性的前提下，混凝土砂率的变化，如表3和表4。
表3 C25 机制砂混凝土砂率对和易性的影响
表4 C40 机制砂混凝土砂率对和易性的影响
通过表3和表4可以得出结论，为达到相同和易性，机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，应该是由于机制砂在颗粒形貌上包含大量不规则棱角，影响了水泥浆体对粗细骨料的包裹效果。又因为机制砂细度模数偏大且级配较差，混凝土层次感比较差，使得浆骨分离等现象容易发生。
2.4 机制砂物理性能参数的优化研究
在实验室情况下，尤其是在一段时间范围内，机制砂作为试验材料，必然是相对恒定且稳定的，把机制砂性能作为混凝土配合比设计中的一个参数，似乎显得不重要。然而，面对实际生产来说，机制砂性能很容易出现不稳定的情况。在笔者调查研究的许多商品混凝土搅拌站，机制砂进场时的性能指标，尤其是石粉含量和细度模数这两个指标，经常出现较大波动，这给机制砂混凝土性能带来很大差异。因此，笔者认为，机制砂物理性能参数的实际情况，是配合比在设计时，需要优化调整的一个重要的参数。
2.4.1 石粉含量变化时配合比优化方法研究
由于生产厂家工艺、设备、控制等方面的差异不同，机制砂在生产过程中石粉含量难免不稳定，致使商品混凝土搅拌站很难用上长期稳定石粉含量的机制砂，而石粉含量对混凝土的性能有至关重要的作用，所以，需要商品混凝土搅拌站在使用机制砂时，时刻监控石粉含量，当机制砂中石粉含量发生变化时，灵活对配合比相关参数进行优化。经本试验研究，配合比参数优化方法和试验效果见表5。
表5 C30 混凝土石粉含量变化时配合比优化试验
从表5可看出，对于C30机制砂混凝土，当石粉的含量发生变化时，通过调整细骨料中机制砂与天然细砂的比例，可以达到优化混凝土的效果，具体为：当石粉含量在3%～9%范围内变化时，石粉含量每增加1%，细骨料中机制砂的比例提高约7%～8%。
2.4.2 机制砂细度模数变化时配合比优化方法研究
砂的细度模数是影响混凝土和易性的重要指标，相比于天然砂，机制砂的细度模数偏高，且级配较差，当机制砂和天然砂混合后，更增加了细骨料细度模数的复杂变化，故而当机制砂材料进场的时候，细度模数也成为严格检验的指标之一，由于机制砂细度模数发生变化，引起细骨料整体细度模数变化，则混凝土配合比需要进行调整优化才可应对。经本试验研究，配合比参数优化方法和试验效果见表6。
表6 C30混凝土细度模数变化时配合比优化试验
由试验结果看出，对于C30机制砂混凝土，机制砂细度模数在3.0～3.8范围内时，细度模数每增加0.2，配合比中的砂率应提高1%～2%，从而使机制砂混凝土满足设计要求。
2.5 机制砂混凝土专用外加剂参数的优化
外加剂作为混凝土中重要的添加材料，对混凝土的性能往往起着关键性的作用，外加剂能有效影响混凝土的和易性、强度等方面的性能，对改善优化机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、胶凝材料相对而言基本难以变化，而外加剂是具有可灵活调整的特性，因此，在单方混凝土中，外加剂用量不变的情况下，如果能通过改善外加剂的性能，使得外加剂更加适应机制砂混凝土，虽然看起来整体配合比在数据上没有发生变化，但混凝土实际上性能得到了优化。
设立机制砂混凝土专用外加剂，通过合理的复配，使该外加剂专门针对机制砂混凝土的性能做出相应的优化，满足机制砂混凝土在实际生产中的应用。
机制砂混凝土专用外加剂研发思路：
思路一：超临界值引气型混凝土外加剂
该外加剂通过复配引气成分，使得混凝土的含气量提升，由于气泡的存在，混凝土在和易性方面有较好的改善，流动性、坍落度有明显提升。但是，超量的引气，又会导致混凝土强度下降，因此，该引气型外加剂，必须结合机制砂给混凝土强度带来一定富余值的基础上，适当添加引气而降低这部分强度的富余，换取混凝土和易性的改善。
思路二：增强型减水剂
该外加剂通过常规减水剂和减胶剂复配而成。由于减胶剂具备一定增强混凝土强度的效果，减胶剂引入混凝土中的原本目的是为了节省胶凝材料用量，作为机制砂混凝土专用外加剂，在减水剂中引入减胶剂成分，同配比下，可以增加混凝土的强度。然后，用为改善机制砂混凝土和易性而不得提高的用水量，来“牺牲”掉这部分强度，进而使得机制砂混凝土在保证强度的同时，提高了工作性能。
思路三：聚羧酸外加剂与调节剂小料的复配型外加剂
总所周知的，聚羧酸外加剂作为新型第三代外加剂，有着萘系等第二代外加剂不可比拟的减水、保坍等效果优势，但聚羧酸外加剂在复配上，往往没有很好的可与之匹配的复配材料。通过对一些复配小料的研究，能够使得聚羧酸在机制砂中发挥出1加1大于2的更好效果，这种外加剂，必将使得聚羧酸在机制砂混凝土中的应用范围更广。
2.6 机制砂混凝土配合比优化设计理论小结
通过上述研究，可以看出，机制砂混凝土配合比的优化，需要在普通配合比设计的基础上，提出以下5个参数：用水量、胶凝材料用量、砂率、机制砂物理性能、机制砂专用外加剂性能。通过对这5个参数的优化，综合搭配，才能完成对机制砂混凝土配合比的合理优化。
3 机制砂混凝土配合比优化设计方法验证
根据上节优化理论的研究，对中低强度（C20-C40）机制砂混凝土进行配合比优化，设计出实用配合比后进行试验验证。
3.1 试验材料
水泥：江西万年青42.5普通硅酸盐水泥；粉煤灰：F类Ⅱ级粉煤灰；矿粉：S95级矿渣粉；机制砂：细度模数3.4，石粉含量6%；天然细砂：赣昌河砂，细度模数1.6；碎石：江西高安某矿山所产碎石；外加剂：ZX-101J型高效减水剂，南昌卓鑫实业有限公司生产。
3.2 C20-C40机制砂混凝土配合比
试验中混合细骨料中机制砂掺量设定为70%～80%，其中C20～C30为70%，C35～C40为80%，混凝土设计坍落值为（160±30）mm。设计后配合比如表7。
表7 C20~C40机制砂(机制砂石粉含量6%)混凝土配合比
3.3 试验结果
C20-C40混凝土和易性及抗压强度试验结果如8。
表8 C20~C40机制砂(机制砂石粉含量6%)混凝土强度及和易性
通过表8可以看出，按照优化后的配合比进行试验，各组混凝土和易性良好，试验中目测基本没有泌水、离析、骨料分离等不良现象出现，混凝土在坍落度和扩展度方面均达到理想设计，流动性能良好，适宜泵送，混凝土工作性能验证合格。各标号的混凝土抗压强度均满足设计要求，强度验证合格。试验结果基本可以验证上述配合比优化设计理论的成功。
4 小结
通过对机制砂和机制砂砼的性能研究，结合普通混凝土设计规程，提出机制砂混凝土配合比优化理论中的5项参数：用水量、胶凝材料用量、砂率、机制砂物理性能、机制砂专用外加剂，重点研究了各参数的优化方式，得出了详细调整的数据，设计出了C20～C40标号的机制砂混凝土，经过试验验证，证明了机制砂混凝土配合比优化设计理论的可行性。
