0 引言
      自1978年中国实施改革开放政策以来，中国经济突飞猛进。尤其在建筑、桥梁、道路、水利工程等基础设施建设方面取得了很大的成就[1]。混凝土是目前使用最广泛的建设材料之一。砂是混凝土重要的组成部分。据不完全统计，我国建筑用砂年需6亿吨左右[2]。砂分为天然砂、混合砂、机制砂。混合砂由天然砂和机制砂组成。天然砂是一种地方性的短期内不可再生不宜长途运输的自然资源。由于对河道长期的无序乱采、处理设备的不专业，迫使天然砂资源日益枯竭而破坏了环境，另一方面，天然砂质量无法保证也对混凝土的质量埋下了隐患，严重制约了混凝土的长足发展[3]。机制砂比天然砂有更好的环境效益和经济效益，特别是机制砂高强混凝土的发展与应用，有利于更多大型建筑的发展。把建筑垃圾变废为宝，扩展建筑垃圾机制砂的研究和发展[4]。
      机制砂是指由机械破碎、筛分制成的，粒径小于4.75mm的岩石颗粒，但不包括软质岩、风化岩的颗粒[5]。陈炳祥等人研究了长大隧道远距离泵送机制砂混凝土施工技术，并成功应用于渝怀铁路金洞隧道、旗号岭隧道的混凝土施工。株六复线南山河特大桥首次应用C55机制砂流态高性能混凝土制造64m铁路简支梁也取得了良好的效果，采用机制砂替代中粗河砂配制C55高性能混凝土，不仅避免了从外地倒运骨料，而且大大降低了工程附加成本，每方混凝土节约108~137元[6]。北京世纪财富中心C60混凝土采用了全机制砂生产混凝土。北京恒坤混凝土和北京恒坤拓峰每年累计生产商品机制砂混凝土40多万方，用于各种工程均取得了很好的效益[7]。蒋元海采用纯机制砂生产C80预应力高强混凝土管桩[8]。机制砂混凝土的应用已从C10~C70的普通混凝土和泵送混凝土发展到C100混凝土，泵送高度可达400m；预应力混凝土梁横跨度可达64m[9]。1994年来，我国通过对机制砂的物理性能[10-13]及矿物质组成的研究和对机制砂混凝土的抗压强度[14，15]。、劈裂抗拉强度、弹性模量、抗折强度、收缩徐变等研究和应用，表明机制砂替代天然砂配制混凝土在技术上是可行的、经济上是合理的[16]。
机制砂大部分来源于采石场等矿产生产粗骨料的剩余料，用专门的制砂机生产。外观呈灰白色或黑色，表面粗颗粒尖锐。在生产过程中，不可避免的要产生一定量的石粉。机制砂基本为中粗砂，细度模数一般在3.0~3.7范围内。从颗粒的组成统计结果分析，机制砂＞2.36mm和＜0.15mm的颗粒偏多，而中间颗粒偏少（尤其是0.3mm~1.18mm），有时某一粒级断档[17]。机制砂重要的质量指标为石粉含量、颗粒级配、细度模数、超粒径颗粒占比[18]。
      1 机制砂质量对混凝土性能的影响
      混凝土是由骨料、砂浆及连接骨料和砂浆的界面等组分组成的。骨料占硬化后混凝土体积的70%~80%左右，一般细骨料占体积为20%~42%。因此，机制砂质量对混凝土拌合物的工作性、硬化后混凝土的强度和耐久性会产生重要的影响[19]。
      1.1机制砂石粉对混凝土性能的影响
      1.1.1机制砂石粉对混凝土工作性能的影响
      混凝土中的石粉含量有最佳范围。建筑用砂标准规定机制砂中石粉含量必须≤10%。
      对于低强度等级的混凝土，适量的石粉对混凝土的和易性是有益的，填补了骨料的空隙，增加了混凝土的浆量，一定程度上提高了混凝土的保水性和粘聚性，改善离析、泌水现象，使得混凝土结构更致密更易振捣成型，缓解了混凝土的强度富余过大和工作性差形成的悬殊矛盾[20]。当石粉过量，随着骨料比表面积的加大，用水量加大，拌合物呈干稠状态，混凝土坍落度下降，工作性能变差[21]。李亚杰等研究表明：对混凝土工作性能而言，石粉含量最佳范围控制在6%~12%[22]。
      配制高强高性能混凝土，由于自身胶凝材料用量较多，当机制砂中石粉含量超过5%，会导致需水量增加，并破坏了混凝土的最优浆骨比，所配制的混凝土的工作性能下降[23]。
      1.1.2机制砂石粉对混凝土力学性能的影响
      混凝土的力学性能指标包含抗折强度、抗压强度、弹性模量等。影响抗折强度的主要因素是水灰比，当水灰比相同、坍落度相同时，石粉含量在一定程度上的增加对抗折强度不会造成负面影响[24]。石粉含量在10%以内，其3d、28d混凝土的抗压强度逐渐增大。这是由于石粉可以较明显地改善混凝土的孔隙特征，改善浆-集料的界面过渡结构，混凝土晶相有不同程度的改善。晶胶比的提高使水泥石在外力作用下的变形减小。石粉含量在10%~20%，配制的混凝土强度逐步降低。主要是因为坍落度相同时，石粉含量增多，粗颗粒偏少，削弱了骨架的作用。需水量逐渐增加，水胶比变大，3d、28d混凝土的抗压强度下降。水泥浆的弹性模量约为集料的一半，石粉等代砂增加了水泥浆量，降低了混凝土的弹性模量[25]，使整体力学性能下降。
      1.1.3机制砂石粉对混凝土耐久性的影响
      抗渗性是衡量耐久性的最主要的指标。配制混凝土时，没有足够的浆体包裹混凝土中的所有集料。机制砂中石粉含量超过15%，过多的石粉可提高集料的有效堆积包裹，在水泥水化过程中阻止毛细孔道的形成，提高了混凝土的抗渗性能。石粉越多，被阻断的透水通道就越多。100nm以上的大孔径孔隙体积减小，填充效应使混凝土结构密实化，从而阻止了孔隙溶液流动，有利于界面过渡区的形成，抗渗性提高。石粉中的碳酸钙与水泥中的铝酸三钙反应生成碳铝酸盐的同时，改善了石粉颗粒的表面状态，有利于石粉与水化产物间粘结强度的提高，使混凝土体积稳定性增强，以保证混凝土的耐久性[26]。
      1.2机制砂级配对混凝土性能的影响
      当机制砂太粗时，会导致混凝土拌合物泌水、离析和粗涩，当机制砂太细时，会导致混
      凝土拌合物需水量增加，不利于混凝土强度和耐久性的提高[27]。可见，机制砂级配对混凝土拌合物的工作性、离析和泵送性能起着非常重要的作用。相同的含粉量，颗粒级配偏小的弹性模量相对较小。为降低徐变，选择优良级配的机制砂使骨料的孔隙率和总表面积均较小，从而不仅使所需水泥浆量减少，而且还可以在一定程度上改善泌水状况。另外，相对较高的集浆比也提高了混凝土的弹性模量，大幅度的提高了混凝土的密实度、抗折强度和抗渗性。
      1.3超粒径机制砂对混凝土性能的影响
      长条型和扁长型的集料颗粒在拌制混凝土时，会增加混凝土的用水量，同时，骨料的浆体包裹不均匀，有的地方会裸露骨料，对和易性和密实度有害。因此引起新拌混凝土发生泌水现象，会大幅度降低混凝土的抗折强度和耐久性[28]。机制砂的球形度越大，其比表面积越小，包裹骨料的平均浆体的厚度增大，和易性良好，密实度大。颗粒之间的润滑度增加，拌合物的黏滞性降低，混凝土的工作性能越好，强度越高[29]。
      2机制砂质量智能管理系统的应用
      商品混凝土的制备是一种专业的、批量生产的业务，机制砂用量大，来源复杂，级配多变，给混凝土质量的稳定带来很大难度。因此在配合比确定的情况下，管理机制砂质量是保证混凝土品质高低的关键环节。
      通常人工做实验的情况下，1次筛分需10分钟，1个砂样做两次筛分需20分钟，结果滞后至少20分钟。机制砂级配不良、含粉量超标、细度模数不稳、超粒径机制砂含量超标等质量缺陷无法及时发现和纠正。因此最终混凝土出现离析、泌水、流动性差、干缩等质量问题时，不能准确甄别在配制混凝土的过程中原料、生产、施工等哪个具体环节的哪个步骤出错，原因查找滞后被动。常规搅拌站，因缺乏实时监控手段，存在搅拌站误操作或为追求不正当利益修改级配、石粉含量上限、细度模数范围、超粒径尺寸规格等，使混凝土施工存在一定的风险。
      机制砂质量智能管理系统，是在综合分析传送带上机制砂的基础上，应机制砂中存在的质量问题而开发的基于GPRS远程信息传输、数据存储、分析平台的智能管理系统。
      信息化管理是混凝土原料管理的最终发展趋势。应用机制砂质量智能管理系统管理机制砂质量信息使原料管理信息化智能化，能保障机制砂原料过程管理信息唯一性、真实性、简便性。在移动终端（手机等）就可以方便的实施生产过程管理。
      2.1机制砂质量智能管理系统组成
      机制砂质量智能管理系统组成如图1所示。机制砂质量智能管理系统由数据采集单元、存储分析查询单元、GPRS远程信息传输单元三部分组成。各单元组成如图2所示。
      2.1.1数据采集单元
      数据采集单元包含机制砂传送平台、图像采集装置、图像预处理及计算。
      机制砂传送平台和图像采集装置的方案示意图如图3所示。当堆积在传送带上的机制砂经过CCD高速摄像机捕捉范围，CCD高速摄像机获取现场图像信息，通过数据线将数据传输到PC机进行图像预处理及计算。其中，在原始图像预处理环节，对图像进行去噪声处理，会使图像更清晰，降低干扰。在图像分割环节，利用算法分割图像，找出有用部分进行计算。首先要识别计算出颗粒的外形尺寸，生成直方图，最终形成粒径分布表格。数据采集单元图像预处理及计算具体的工作步骤如图4所示。

      2.1.2存储分析查询单元
      存储分析查询单元由中心服务器和数据处理软件构成。如图2所示。
       2.1.3 GPRS远程信息传输单元
      GPRS远程信息传输单元由GSMR系统无线分组交换技术和数据传输终端构成。如图2所示。

      2.2系统功能
     系统在PC机、中心服务器、用户之间建立数据关联，实现各采集点的数据统一。数据关联由GPRS无线数据模块完成。用户通过无线网访问查询实时数据。
     2.2.1监测功能
     机制砂质量智能管理系统的图像监测界面如图5所示。包括实时图像、粒径累积分布图、粒径分布图、粒形分布图、粒径分布结果。
    图5 机制砂质量智能管理系统的图像监测界面
Fig.5 Monitoring Interface of Image
     （1）机制砂石粉含量的监测
      在图像监测界面中粒径分布图上可直接观察0.075mm以下占比。
     （2）机制砂级配的监测
     建筑用砂标准中规定Ⅱ区中砂配制混凝土的质量是合格的。在图像监测界面粒径累积分布图中查看级配曲线。
    （3）机制砂超粒径粒形的监测
     在图像监测界面粒形分布图中查看曲线。
     （4）机制砂细度模数的监测
      在图像监测界面中粒径分布结果中查看。
      2.2.2警报功能
      （1）石粉含量超标报警
       用于C30及以下低强混凝土的机制砂，石粉含量限值20%；用于C35~C55中强混凝土的机制砂，石粉含量限值15%；用于C60及以上高强混凝土的机制砂，石粉含量限值10%[30]。针对不同等级混凝土，设置对应石粉含量限值，超出则报警。
      （2）细度模数超标报警
     用于C30及以下低强混凝土的机制砂，细度模数取；用于C35~C55中强混凝土的机制砂，细度模数取；用于C60及以上高强混凝土的机制砂，细度模数取[30]。针对不同等级混凝土，设置对应细度模数范围，超出则报警。
      （3）级配报警
      将粒径累积分布图中曲线与Ⅱ区中砂曲线匹配，超出则报警。
      （4）超粒径报警
      尺寸超出4.75mm粒径颗粒含量≥5%则报警。
      2.2.3查询功能
      对已分析并上传至交换机的历史数据可进行精确的查询。可将查询到的数据与现场监控功能形成对比。
     按照材料的名称和区间，石粉含量及超出量、细度模数、超粒径机制砂尺寸及超出量变化的详细数据可同步发送至预设用户移动终端（手机等）。用户可根据详细报表采取干预手段。
      2.2.4自动生成报表功能
      数据处理软件处理完数据后，系统自动生成报表。报表包括Ⅱ区中砂曲线和粒径累积分布图实际曲线匹配图、缺失或超出区间及其缺失或超出量、细度模数值、石粉含量和超出量、超粒径尺寸和超出量。报表存储于工作室电脑中，通过GPRS传输到用户移动终端。
      2.3系统的应用效果
      （1）采集单元
      由软件将原始数据、过程数据、结果数据进行本地数据库存储。
     （2）存储分析查询单元
      提供了数据存储、分析处理、信息无线报送和受控用户远程访问查询。
     （3）GPRS远程信息传输单元
      GPRS无线数据发送方便，无需有线网络，通过广域的无线IP连接，只要有手机信号即可实现数据互通。
      3总结
      机制砂石粉含量、级配、超粒径颗粒占比在混凝土的工作性能、力学性能和耐久性方面影响着混凝土的拌合质量和施工质量。因此将其作为机制砂质量管理的要素。
      机制砂质量智能管理系统通过实时掌握机制砂级配、细度模数、石粉含量、超标颗粒等重点数据，将机制砂质量管理由单一的、静态的把关管理转化为实时把关管理。运用数据采集传感技术、嵌入式算法软件开发技术有效解决了数据采集实时统计分析的问题，运用GPRS无线分组服务进行数据传输的问题，用户可登录网页实时查询。系统误差更小，杜绝了人为因素造成的数据处理错误。全新的管理模式和手段实现了对机制砂质量的智能化控制，体现了现代信息技术和工程技术的统一结合，创新性和实用价值极高。同时提高了建设项目的管理效率和管理的先进化、智能化程度，大大提升了管理水平，降低了管理成本，具有巨大的经济效益和社会效益。
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