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岳晓伟1，邵建峰1*，倪卫红1，姚一帆2
（1.南京工业大学经济与管理学院，江苏南京211800；
2.湖州新开元碎石有限公司，浙江湖州313022)
1. 前言
目前，我国天然砂资源日趋短缺，但基建工程量却逐年上升。随着可采天然砂资源逐渐枯竭，研究可完全替代天然砂的机制砂已是迫在眉睫。砂作为混凝土的主要原材料，也是最为重要的组成部分[1]。研究显示，低空隙率的机制砂，可以很好控制混凝土胶凝材料的用量，从而降低混凝土成本[2][3][4]。自70年代贵州省对机制砂生产提出地方标准后，各地陆续均提出地方标准。
本文通过对GB/T14684《建设用砂》标准的研究[5]，发现机制砂标准级配不一定意味着空隙率最低。因此，砂石企业应依据实际生产情况，通过广泛实验制定企业质量标准，展现企业创新突破的能力，为构建我国砂石行业高品质砂石骨料工业体系奠定基础。
2. 实验过程
2.1实验设计
按照GB/T14684-2011《建筑用砂》测定试验用砂的松散密度、表观密度、空隙率、级配及细度模数。参照国标，以120g为档次调节值，以方孔筛4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.6mm、0.3mm、0.15mm，设计7因素4水平的正交试验表[6]。
2.2实验工具
本实验用仪器设备如下：
（1） 鼓风干燥箱：能使温度控制在（105±5）℃；
（2） 天平：称量6kg，感量0.1g；
（3） 方孔筛：规格为150μm，300μm,600μm,1.18mm，2.36mm,4.75mm及9.50mm的筛各一只，并附有筛底和筛盖；
（4） 摇筛机；
（5） 广口瓶：800mL，8只；
（6） 容量筒：圆柱形金属筒，内径108mm，净高109mm，壁厚2mm，筒底厚约5mm，容积为1L；
（7） 干燥器、搪瓷盘、滴管、毛刷、温度计等。
2.3实验数据
通过正交实验设计对普料机制砂进行32个方案级配与空隙率研究[7][8]。同时，还对普料原样、精品原样进行测试比对。最后，参照国标GB/T14684-2011，按二区二类中值配出精品和普料，并测试了其级配、空隙率。实验数据汇总，见表2-1。
1. 数据分析
根据设计的7因素4水平（120g，240g，360g，480g）的正交试验，得出以上32个实验方案及结果：
（1）根据国标GB/T14684-2011《建设用砂》规定，剔除正交实验中不合格的数据，实验中有部分方案，达到二区二类中砂范围，空隙率最低接近40%，比国标44%的低很多。
（2）精品机制砂为立轴制砂机生产出的机制砂，细度模数为3.2，空隙率为41%；而普通机制砂为圆锥式破碎机生产出的机制砂，细度模数是3.1，空隙率是44%。在级配差别不大的情况下，精品空隙率比原样降低了3个百分点，这是因为机制砂经过整形，粒形得到很好的优化，空隙率降低的效果显著。但整形成本较高，且级配优化作用不显著。
（3）本文还对单级配的分计筛余进行了研究，运用SPSS软件对单级配与空隙率，组合级配与空隙率之间做了相关性分析，得出相关性表，见下表3-1、表3-2所示。
由表可以看出，对于空隙率而言，它与4.75（>4.75）、0.15、>2.36、>1.18及<1.18档都存在相关关系，相关性系数分别为0.429、0.456、0.59、0.484和0.484。均具有中度相关关系，其中0.15档与空隙率为显著性正相关（r=0.456,p=0.007）,表示当0.15档降低时，空隙率减小，但程度不明显，还需后续加大实验量进一步佐证。对于级配与空隙率之间是否存在函数关系的研究是非常有意义的，后续将着重对每档分计筛余的研究。通过相关性分析，对以1.18档为界考虑筛分的连续性及<0.15档考虑脱泥工艺为后续实验研究提供了一个探索点。
1. 结论
根据本文实验研究，发现级配与空隙率关系较大，为追求最小的空隙率：
（1）根据精品机制砂与普料机制砂空隙率的对比，发现空隙率与生产设备之间存在极大的关联性。砂经过整形，可以有效降低空隙率，但级配优化作用不明显。实验还显示调整机制砂级配同样也可以降低空隙率。调整级配成本远远低于整形。
（2）根据国标正交试验数据对比，表明国标中值所配出的机制砂空隙率并未达到最低。因此企业根据实际生产状况，在满足机制砂标准条件下，通过调整级配，优化空隙率，可以获得较低的空隙率，而不是一味追求改善粒形降低空隙率。
（3）虽然机制砂级配变化对空隙率存在显著影响[9]，但砂与石子配起来使用时，最低空隙率仍需要通过相关实验研究，从机制砂级配与空隙率的实验结果可以推断混凝土中碎石和机制砂混合时同样存在优化级配实现降低空隙率的问题。
（4）国内砂石骨料生产企业众多，工艺差别较大，所生产出的机制砂级配及空隙率存在较大差距。参考机制砂质量标准，企业应通过科学的实验研究，平衡粒形和级配关系，获得较低的空隙率。并进一步参考机制砂标准，制定机制砂企业标准。
（5）通过本实验也发现表观密度不合格和空隙率最低的矛盾问题。因此，机制砂空隙率大幅度下降是否具有现实意义有待进一步探究。
参考文献：
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[2]Jarvenp H,AkatemiaTT,KorkeakouluT.Qualitycharacteristicsoffineaggregatesandcontrollingtheireffectsonconcrete/[J].ActaPolytechnicaScaninavicaCi,2001,122:1-194.
[3]艾长发,彭浩,胡超,等.机制砂级配对混凝土性能的影响规律与作用效应[J].混凝土,2013(1):73-76.
[4]王稷良.机制砂特性对混凝土性能的影响及机理研究[D].武汉理工大学,2008.
[5]中国砂石协会.GB/T14684-2011《建设用砂》、GB/T14685-2011《建设用卵石、碎石》宣贯教材[M].中国标准出版社,2012.
[6]张娟,房士伟,郭平,等.基于均匀设计方法的机制砂级配优化研究[J].中外公路,2016(1):267-272.
[7]申来明,杨海峰,房士伟,等.空隙率随机制砂关键筛孔的变化规律研究[J].筑路机械与施工机械化,2016,33(2):52-56.
[8]冯奇,刘光明,巴恒静.颗粒级配对水泥基材料有害孔隙率的影响[J].同济大学学报(自然科学版),2004,32(9):1168-1172.
[9]蒋正武,任启欣,吴建林,等.机制砂特性及其在混凝土中应用的相关问题研究[J].新型建筑材料,2010,37(11):1-4.