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【摘要】采用机制砂部分替代天然砂配制水泥混凝土，经试验验证及理论计算，确定水泥混凝土中合适的机制砂的掺配比例，结合试验路段工程应用，对机制砂配制水泥混凝土进行效益分析。
【关键词】机制砂；混凝土；效益；分析
1. 研究的背景及意义
砂作为细集料是水泥混凝土的主要组分之一，在水泥混凝土工程中不可缺少，其品质对混凝土拌合物的工作性能、物理力学性能和耐久性均具有重要影响，结构部位越重要对其质量的要求越高。目前，水泥混凝土用砂分为天然砂和人工砂两类。
1.1传统的水泥混凝土细集料一般采用天然砂，由于天然砂的开采对环境破坏越来越严重，国务院和各地政府相继出台了禁采或限采天然砂的规定，这使得工程用砂供需矛盾突出，导致天然砂价格越来越高，并且天然砂品质良莠不齐，质量很难保证，以致形成恶性循环，极大地制约了工程建设持续发展。
1.2机制砂属于人工砂，其作为近年来出现的水泥混凝土细集料之一，有着颗粒规整、形状粗糙尖锐、片状颗粒少、表面纹理丰富、粉尘含量低等优良物理特性，其级配可控，水泥混凝土性能改善明显，且使用机制砂符合环境保护政策。
1.3皖北地区天然砂资源十分匾乏，宿州市使用天然砂一般从江苏宿迁、山东滕州采购，运距较远，昂贵的运费势必大大增加工程造价。同时，宿州市拥有储量丰富的优质石灰岩和成熟的石料加工企业，有着稳定的生产料源、日趋完善的加工设备及工艺，使机制砂的产量及质量能够得到有效保证。因此，开发质量好、供应稳定的新型细集料，以保证水泥混凝土材料设计和施工质量，具有十分重要的意义。
2. 试验研究的方法及结论
开展机制砂替代天然砂的室内试验研究，通过现场试验验证、试验路段以及理论计算，综合考虑水灰比、机制砂掺量、集料等因素，设计正交试验，得到机制砂掺量、水灰比与强度、施工性能的关系，获得最佳机制砂掺量与混凝土最优配合比。
2.1用正交试验法设计混凝土配合比。
水泥混凝土的配合比设计按照《公路工程水泥混凝土路面施工规范》（JTGE30-2005）中的配合比设计方法的规定进行试验。配合比设计的目的是获得强度和施工和易性等符合要求的水泥混凝土，因此，正交试验的考核指标选用坍落度和28天强度。
2.2试验的初步结果。
以设计强度为f5.0的配合比为例，采用机制砂配制混凝土配合比设计试验结果如表1～表3：
2.3结果分析及结论。
本次试验配制的混凝土，表面密实光滑无裂缝，孔洞少。从28天抗弯拉强度结果汇总可以看出：随着机制砂的掺量的增加，强度上升，在掺量超过50%～60%，强度有所下降。机制砂掺量在10%～80%的范围内，28天抗弯拉强度达到设计强度要求，但是机制砂掺量超过90%时，强度未达到设计强度。机制砂的掺量对强度影响很大，试验确定机制砂替代天然砂的最佳掺量为60%。
3. 研究的应用情况
3.1在道路工程中的应用。
（1）课题组选取省道303泗永路泗县改线段工程实施机制砂配制水泥混凝土的实验研究，该工程路线全长2.2公里，二级公路标准，设计行车速度60公里/小时，路基宽18米，路面宽15米，水泥混凝土路面。
（2）在该工程中，采用机制砂掺量为0%、60%、80%、100%四种配合比进行试验段施工。试验配制的混凝土，表面密实光滑无裂缝，孔洞少。在机制砂的掺量在10%～80%的范围内，强度满足设计要求。从工程质量的后期效果来看，混凝土的各种性能指标均符合规范要求，路用效果良好（试验路段混凝土配合比见表4）。
3.2在商品混凝土中的应用。
宿州市巨一混凝土有限公司是宿州市专业商品混凝土生产企业，拥有年产C60以下商品混凝土100万m3的生产能力。2008年以来，该公司在《机制砂配制水泥混凝土的试验研究》课题组的指导下，采用机制砂部分替代天然砂配制商品混凝土，从生产过程加强控制，在原材料的选用，技术与管理各个环节确保混凝土的产品质量。配制出的机制砂混凝土表面密实光滑无裂缝，孔洞少，强度满足设计要求，工作性影响不大。生产的机制砂水泥混凝土广泛应用在桥梁、构造物及建筑工程。通过后期跟踪监测，工程质量优良，该项技术已在其他商品混凝土公司中得到推广和应用。
4. 效益分析
4.1经济效益。
（1）由于各个地区的材料价格不同，成本各异，我们以省道303泗永路泗县改线段工程配制的机制砂水泥混凝土和宿州市巨一混凝土有限公司生产的机制砂商品混凝土为例，进行核算，对机制砂水泥混凝土和普通水泥混凝土进行成本分析（见表5）。
（2）通过计算分析，在机制砂最佳掺量为60%，测算出采用机制砂配制水泥混凝土的直接成本较全部采用天然砂降低9%，其经济效益较为明显，若机制砂生产形成产业链，则其价格还会进一步下降，经济效益将更为可观。
4.2社会效益。
（1）天然砂作为地方性有限资源，分布极不均衡，多数地区储量已逐渐减少、短缺或枯竭，有的地区更是十分匮乏，昂贵的运费也大大增加工程造价。开发新的水泥混凝土细集料资源——机制砂，保证满足国家新时期建设的需要，是摆在我们面前的一个严峻问题。
（2）利用本地区储量丰富的优质石灰岩和成熟的石料加工企业，开发生产机制砂作为新型细集料配制水泥混凝土，一是可以节约大量的外运天然砂运力，支持地方运输产业的可持续发展；二是可以完善地区产业结构，提供稳定的水泥混凝土细集料建材来源；三是新增了产业结构，且劳动力以当地为主，可以直接安排一定数量的社会人员就业。
4.3环保效益。
（1）资源具有不可再生性，国家对资源的保护和利用十分重视，对资源总的要求是在保护中开发，在开发中保护，开发和节约并举，努力提高资源利用率，推进资源利用的可持续发展。
（2）天然砂的过量开采，对环境的破坏越来越严重，尤其是江砂、河砂的开采，已严重危及江河的使用安全，极易造成生态灾难。因此，寻求新砂源，开发人工砂已势在必行，利用当地的岩石资源或工程废石生产机制砂，已成为必不可少的替代资源。开发推广使用机制砂，可以减少天然砂开采，节约土地、稳定河流，有利环保。
【关键词】机制砂；混凝土；效益；分析
1. 研究的背景及意义
砂作为细集料是水泥混凝土的主要组分之一，在水泥混凝土工程中不可缺少，其品质对混凝土拌合物的工作性能、物理力学性能和耐久性均具有重要影响，结构部位越重要对其质量的要求越高。目前，水泥混凝土用砂分为天然砂和人工砂两类。
1.1传统的水泥混凝土细集料一般采用天然砂，由于天然砂的开采对环境破坏越来越严重，国务院和各地政府相继出台了禁采或限采天然砂的规定，这使得工程用砂供需矛盾突出，导致天然砂价格越来越高，并且天然砂品质良莠不齐，质量很难保证，以致形成恶性循环，极大地制约了工程建设持续发展。
1.2机制砂属于人工砂，其作为近年来出现的水泥混凝土细集料之一，有着颗粒规整、形状粗糙尖锐、片状颗粒少、表面纹理丰富、粉尘含量低等优良物理特性，其级配可控，水泥混凝土性能改善明显，且使用机制砂符合环境保护政策。
1.3皖北地区天然砂资源十分匾乏，宿州市使用天然砂一般从江苏宿迁、山东滕州采购，运距较远，昂贵的运费势必大大增加工程造价。同时，宿州市拥有储量丰富的优质石灰岩和成熟的石料加工企业，有着稳定的生产料源、日趋完善的加工设备及工艺，使机制砂的产量及质量能够得到有效保证。因此，开发质量好、供应稳定的新型细集料，以保证水泥混凝土材料设计和施工质量，具有十分重要的意义。
2. 试验研究的方法及结论
开展机制砂替代天然砂的室内试验研究，通过现场试验验证、试验路段以及理论计算，综合考虑水灰比、机制砂掺量、集料等因素，设计正交试验，得到机制砂掺量、水灰比与强度、施工性能的关系，获得最佳机制砂掺量与混凝土最优配合比。
2.1用正交试验法设计混凝土配合比。
水泥混凝土的配合比设计按照《公路工程水泥混凝土路面施工规范》（JTGE30-2005）中的配合比设计方法的规定进行试验。配合比设计的目的是获得强度和施工和易性等符合要求的水泥混凝土，因此，正交试验的考核指标选用坍落度和28天强度。
2.2试验的初步结果。
以设计强度为f5.0的配合比为例，采用机制砂配制混凝土配合比设计试验结果如表1～表3：
2.3结果分析及结论。
本次试验配制的混凝土，表面密实光滑无裂缝，孔洞少。从28天抗弯拉强度结果汇总可以看出：随着机制砂的掺量的增加，强度上升，在掺量超过50%～60%，强度有所下降。机制砂掺量在10%～80%的范围内，28天抗弯拉强度达到设计强度要求，但是机制砂掺量超过90%时，强度未达到设计强度。机制砂的掺量对强度影响很大，试验确定机制砂替代天然砂的最佳掺量为60%。
3. 研究的应用情况
3.1在道路工程中的应用。
（1）课题组选取省道303泗永路泗县改线段工程实施机制砂配制水泥混凝土的实验研究，该工程路线全长2.2公里，二级公路标准，设计行车速度60公里/小时，路基宽18米，路面宽15米，水泥混凝土路面。
（2）在该工程中，采用机制砂掺量为0%、60%、80%、100%四种配合比进行试验段施工。试验配制的混凝土，表面密实光滑无裂缝，孔洞少。在机制砂的掺量在10%～80%的范围内，强度满足设计要求。从工程质量的后期效果来看，混凝土的各种性能指标均符合规范要求，路用效果良好（试验路段混凝土配合比见表4）。
3.2在商品混凝土中的应用。
宿州市巨一混凝土有限公司是宿州市专业商品混凝土生产企业，拥有年产C60以下商品混凝土100万m3的生产能力。2008年以来，该公司在《机制砂配制水泥混凝土的试验研究》课题组的指导下，采用机制砂部分替代天然砂配制商品混凝土，从生产过程加强控制，在原材料的选用，技术与管理各个环节确保混凝土的产品质量。配制出的机制砂混凝土表面密实光滑无裂缝，孔洞少，强度满足设计要求，工作性影响不大。生产的机制砂水泥混凝土广泛应用在桥梁、构造物及建筑工程。通过后期跟踪监测，工程质量优良，该项技术已在其他商品混凝土公司中得到推广和应用。
4. 效益分析
4.1经济效益。
（1）由于各个地区的材料价格不同，成本各异，我们以省道303泗永路泗县改线段工程配制的机制砂水泥混凝土和宿州市巨一混凝土有限公司生产的机制砂商品混凝土为例，进行核算，对机制砂水泥混凝土和普通水泥混凝土进行成本分析（见表5）。
（2）通过计算分析，在机制砂最佳掺量为60%，测算出采用机制砂配制水泥混凝土的直接成本较全部采用天然砂降低9%，其经济效益较为明显，若机制砂生产形成产业链，则其价格还会进一步下降，经济效益将更为可观。
4.2社会效益。
（1）天然砂作为地方性有限资源，分布极不均衡，多数地区储量已逐渐减少、短缺或枯竭，有的地区更是十分匮乏，昂贵的运费也大大增加工程造价。开发新的水泥混凝土细集料资源——机制砂，保证满足国家新时期建设的需要，是摆在我们面前的一个严峻问题。
（2）利用本地区储量丰富的优质石灰岩和成熟的石料加工企业，开发生产机制砂作为新型细集料配制水泥混凝土，一是可以节约大量的外运天然砂运力，支持地方运输产业的可持续发展；二是可以完善地区产业结构，提供稳定的水泥混凝土细集料建材来源；三是新增了产业结构，且劳动力以当地为主，可以直接安排一定数量的社会人员就业。
4.3环保效益。
（1）资源具有不可再生性，国家对资源的保护和利用十分重视，对资源总的要求是在保护中开发，在开发中保护，开发和节约并举，努力提高资源利用率，推进资源利用的可持续发展。
（2）天然砂的过量开采，对环境的破坏越来越严重，尤其是江砂、河砂的开采，已严重危及江河的使用安全，极易造成生态灾难。因此，寻求新砂源，开发人工砂已势在必行，利用当地的岩石资源或工程废石生产机制砂，已成为必不可少的替代资源。开发推广使用机制砂，可以减少天然砂开采，节约土地、稳定河流，有利环保。