1 前言
随着国家对环境治理的力度不断加大，河道采砂的严格监管导致天然河砂供应量断崖式下跌，大气环境管控导致矿山开采时断时续，市场上的天然砂和机制砂资源严重短缺，“有钱无砂、一砂难求”已成为预拌混凝土企业不得不面对的新常态。由于砂资源的市场供求关系严重失衡，质量不合格的低品位砂依然畅销，骨料企业已无心关注产品质量，低品位机制砂已成为预拌混凝土企业使用的常规材料。由于缺乏低品位机制砂的使用经验及管控措施，近几年，因盲目使用低品位机制砂导致混凝土质量事故的事件时有发生。
本文从与机制砂相关的几个常规概念入手，厘清困扰混凝土企业技术人员的技术问题，使低品位机制砂在应用时处于严格受控状态，确保出厂混凝土的质量。
2 有关机制砂的几个基本概念
2.1 亚甲蓝试验
在机制砂的使用过程中，技术人员时常会有这样的困惑：有些亚甲蓝指标合格的机制砂吸附性能依然很强，导致混凝土外加剂用量高，坍落度损失大；有些亚甲蓝指标较高的机制砂吸附能力却相对较弱，配制出的混凝土工作性能较为稳定。这种亚甲蓝试验结果与混凝土工作性能偏离的现象在聚羧酸外加剂全面推行的今天更为常见。
亚甲蓝试验的基本原理是膨胀性黏土矿物具有极大的比表面积，很容易吸附亚甲蓝染料，而膨胀性黏土矿物对外加剂同样具有强吸附作用。因而亚甲蓝试验结果在大多数情况下，能与配制出混凝土工作性能较好的吻合。然而矿物对外加剂的吸附性能不仅受比表面积的影响，还受电荷的影响，以吸附性能最强的蒙脱石为例，其晶层间吸附了大半径的阳离子如K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Li+、H+ 等，与水结合后，晶层间距增大，体积膨胀，晶层间的阳离子进入液相，使得矿物颗粒表面荷电，这些表面电荷同样对外加剂的吸附产生较大的影响。
从亚甲蓝和聚羧酸的分子结构分析，两者没有共通之处，亚甲蓝是小分子芳香杂环化合物、非表面活性剂，没有空间位阻效应，不改变液相的表面张力，而聚羧酸是高分子化合物，具有较强的空间位阻效应，且能小幅度降低液体的表面张力。这两种物质在对矿物吸附的性能上存在着较大的差异。
从矿物种类出发，黏土矿物包含高岭石、蒙脱石、水云母、海绿石、绿泥石等，而机制砂的母岩矿物成分同样复杂，不仅有常见的石灰石质，还有凝灰岩、花岗岩、玄武岩、辉绿岩等。每种黏土矿物和岩石矿物的吸附性能均存在一定差异，有些矿物对亚甲蓝敏感，有些则不敏感。
基于以上种种原因，亚甲蓝试验并不能完全反应机制砂的吸附性能，因而在亚甲蓝试验与混凝土工作性能偏差较大的时候需要其他试验来补充。可采用《混凝土外加剂应用技术规范中》（GB50119-2013）的混凝土外加剂相容性快速试验方法检测机制砂对所使用外加剂的吸附性能。
2.2 机制砂的强度
作为混凝土的骨料构成部分，机制砂的强度是混凝土力学性能的决定因素之一。《建设用砂》（GB14684-2011）、《人工砂混凝土应用技术规范》（JGJ/T241-2011）、《公路工程 水泥混凝土用机制砂》（JT/T819-2011）均要求机制砂中不含有软质岩和风化岩。
受市场供求关系的影响，骨料企业在生产机制砂时并未将原料中的软质岩和风化岩筛除，相反的，在高额利润的驱使下，蓄意在机制砂生产过程中加入强度较低的毛石原料。因而在当前的市场环境下，对机制砂的强度检测就显得非常必要。可依据《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》（JGJ52-2006）或《建设用砂》（GB14684-2011）中关于机制砂压碎值的检测方法，直接检测机制砂的强度；亦可采用机制砂的胶砂强度间接反映机制砂的强度。
检测机制砂的胶砂强度时，将机制砂中的粗颗粒和细颗粒筛除，仅保留粒度范围为0.15~2.36 mm 的机制砂颗粒（避免粗颗粒损坏设备以及细颗粒影响胶砂的水胶比），以机制砂取代标准砂，进行胶砂试验，通过胶砂强度反映机制砂的强度。
2.3 机制砂的颗粒级配
机制砂的颗粒级配由生产工艺和母岩性质决定，级配优良、粒形圆润的机制砂有助于提升混凝土的工作性能，并降低骨料体系的空隙率，对力学性能的发展同样有利，加之机制砂的表面较为粗糙，使用级配优良的机制砂配制出的混凝土性能普遍优于天然砂。
然而，目前这种机制砂市场供应量较少，且价格居高不下。混凝土企业当前普遍使用的是“ 两头大、中间少”的级配较差的机制砂，粒度大于2.36 mm 和小于0.15 mm 的颗粒偏多，而中间颗粒偏少，有时会某一粒级断档。单独使用时会导致混凝土的工作性能不良，力学性能较差。使用这种机制砂时通常需要和其他细骨料搭配，完善细骨料体系的颗粒级配，保证混凝土的各项性能。
在理想的颗粒级配中，有二区中值和富勒曲线两种，如图4 所示，二区中值曲线中的细颗粒含量略多，对混凝土的和易性更为有利，而富勒曲线的主导思想就是为了降低骨料的空隙率，对混凝土的力学性能有更好的促进作用。总体而言，这两种颗粒级配的范围相差不大。使用两种或两种以上细骨料搭配时，无论以哪种级配为目标值确定骨料搭配比例，都能收到良好的效果，对于中低强度等级的混凝土，为保证混凝土的工作性能，以二区中值为目标值更为有利，而对于高强度等级混凝土，为确保混凝土的力学性能，以富勒曲线则更为可靠。
2.4 机制砂饱和面干含水率的测定
以饱和面干的砂代入混凝土配合比设计时，配制出的混凝土工作性能与力学性能与计算值更为接近，因而在使用天然河砂配制混凝土时，技术人员已养成了测定饱和面干含水率的习惯。然而在使用机制砂时，测定饱和面干含水率往往费时费力，却难以得到准确结果。由于机制砂的级配较差、含粉率较高，水稍多一点，则处于有附加水的状态，水略少一点，则处于未饱和的状态。
如图5 所示，含水率为0.9% 处于有附加水的状态，含水率为0.8% 时则处于未饱和的状态，两个状态截然不同的机制砂含水率却相差极小。此时无论取0.9% 还是取0.8% 作为机制砂的饱和面干均可以接受，无需过分纠结没有找到饱和面干的理想状态。
3 低品位机制砂的受控应用
（1）源头控制、加强检测 基于当前市场上机制砂的质量现状，混凝土企业的技术质量人员需要对机制砂的来源进行控制，最好将质控点延伸至矿点，并针对机制砂的特点增加检测项目，确保低品位机制砂的整体质量稳定并符合企业制定的内控指标（此指标可以低于国家及行业标准）。
（2）分类堆放、多仓搭配 对于非单一来源的机制砂，务必做到分类堆放，确保同一料仓内的机制砂质量稳定，在使用时进行多仓搭配，一方面可以优化机制砂的颗粒级配，另一方面可以平抑品质极低的机制砂对混凝土质量的影响（品质极低的机制砂可以低比例掺入，保证细骨料的整体质量合格）。
技术质量人员在充分认识低品位机制砂的特点后，并在检测和使用时严谨务实，即可以使低品位机制砂在应用时处于严格受控，确保出厂混凝土的质量。
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