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机制砂级配对高强混凝土工作性能的影响 近些年来许多地区河砂开采濒临枯竭，河砂产量日趋下降，已难以满足现代基础设施建设需要，机制砂作为天然河砂潜在替代材料应运而生。机制砂是指经过除土处理，由机械破碎、筛分等一系列加工工艺制成的粒径小于 4.75mm 的岩石、矿山尾矿或工业废渣颗粒，但不包括软质岩、风化的颗粒。机制砂价格低廉，生产原料十分充足，石灰石矿山、鹅卵石、建筑废料、矿山尾矿等均属于原料来源。
国内外关于机制砂在混凝土中应用的研究较多，例如，李艳芳、邓宋喜等研究了机制砂特性对混凝土力学性能的影响，吴定略、马相明等研究了机制砂在高性能混凝土中的应用技术。这些研究为合理使用机制砂提高混凝土性能提供了一定理论指导依据。但目前机制砂的普及程度不高，应用仍主要局限于中低标号混凝土，在高标号混凝土中应用很少，且多与天然砂混合使用。机制砂在高标号混凝土中难以推广的主要原因之一是机制砂级配曲线形状多样，通常存在级配不良或超出级配范围的情况，导致水灰比本来就较低的高标号混凝土拌合物工作性能不佳，因此，有关机制砂级配如何合理控制是工程应用重点关注的问题之一。本文研究了机制砂级配特性对高强混凝土工作性能的影响规律，并做出相应的作用效应分析，以获得机制砂优良的级配技术指标。
1 1 材料选用及性能
本文结合工程建设用材料实际情况，以 C50 混凝土为例，通过不同类型的机制砂级配进行混凝土性能试验。试验原材料包括P·O42.5 水泥、机制砂、碎石，以及减水剂。
1.1 水泥
采 用 拉 法 基 P · O42.5 水 泥 ， 其 各 项 性 能 指 标 均 符 合GB175-1999 标准，其主要参数见表 1。
1.2 碎石
结合工程建设材料实际情况，粗集料采用 5～25mm 的连续级配碎石，其含泥量为 0.4%，压碎值指标为 8.2%，针、片状颗粒含量为 5.0%。将碎石 5～16，16～25mm，2 档料按最大紧密堆积密度进行掺配（最终配合比例为 40:60）。
1.3 减水剂
采用巴斯夫公司的聚羧酸高效减水剂，减水率 31%，固含量25%，其余指标按符合 GB8076-2008中对高效缓凝减水剂的要求。
1.4 机制砂
细集料选用石灰岩经破碎而成的机制砂，机制砂石粉含量 7%，其余指标均满足国标要求。
2 2 机制砂级配类型和参数测试
规范规定制备高性能混凝土所用的细集料优选 2 区砂，因此，机制砂级配曲线要大致满足 2 区砂要求。本试验机制砂级配以 2
区砂的颗粒级配范围为基础进行调整，一共设定 6 种级配（均为连续级配），分别为略高于上限、高于下限接近上限、接近中值、低于上限接近下限、略低于下限，同时“高于下限接近上限、接近中值、低于上限接近下限”设置不同曲线形状，分别研究这 6种不同机制砂级配类型对 C50 混凝土工作性能的影响。人工调制的 6 组机制砂的技术指标见表 2，级配曲线见图 1。
由表 2、图 1 可见，该 6 种级配机制砂的细度是处于逐渐上升的状态，从细砂逐渐转变成中砂，最终转变为粗砂（其中，S1、S2 为细砂，S3～S5 全部为中砂，S6 已变成粗砂）。试验设计的机制砂级配曲线均匀覆盖 2 区级配范围内。
上述 6 种级配机制砂中，虽然细度处于逐渐上升的状态，但是紧堆密度及紧堆空隙率均出现了下降-上升-下降的反复变化情况，这证实细度仅作为表征砂粗细情况的宏观指标，无法反映出颗粒之间的级配情况，不能反映出机制砂的真实品质。
3 3 机制砂混凝土性能分析
3.1 机制砂混凝土工作性能
设计强度等级为 C50 混凝土作为研究对象进行试验（试验用混凝土配合比见表 3）。混凝土和易性测试和评定方法按照 GB／Ｔ50080-2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行。
各级配机制砂样品 S1～S6 采用表 3 配合比所拌制混凝土的和易性能及强度测试结果见表 4。
由表 4 可见，不同级配机制砂的混凝土拌合物和易性差别显著，分别呈现出低塑性、塑性和流态等不同坍落状态，表明机制砂级配对混凝土和易性有着重要影响。从试拌样品观测结果看，S4、S5 机制砂制备的混凝土和易性较好，而 S1、S2 机制砂的混凝土拌合物和易性最差。
对比不同级配类型机制砂所对应混凝土和易性变化情况（综合表 4 和图 1）可知：
1）机制砂 S4、S5 的混凝土拌合物和易性相对较好，其级配曲线均呈拉伸状正 S 形（见图 1），可以推断拉伸正 S 形级配曲线是机制砂的优良级配曲线形状。由曲线分布特点看，拉伸正 S形级配曲线分布在 2 区砂中值和上限之间的范围内，拉伸正 S 形曲线上下两端的斜率较小，中部的斜率较大，从级配组成上分析，曲线中间斜率较大说明机制砂级配中 0.3～1.18mm 粒级组分所占比例较大，而 1.18～4.75mm 及 0.075～0.3mm2 档粒级组分所占比例较小。
2）机制砂 S1、S2 属于不良级配，其混凝土拌合物和易性最差，其级配曲线的形状多呈抛物线形或中间较平、两端较陡的拉伸反 S 形（见图 1）。可以推断，级配不良机制砂级配曲线呈抛物线或拉伸反 S 形曲线形状。分析曲线特性，S1 机制砂级配曲线是开口向上的下凸抛物线，从级配组成分析，小于 1.18mm 粒级组分含量偏小（相比拉伸正 S 形级配曲线的机制砂）；机制砂 S2级配曲线特性是拉伸反 S 形曲线，颗粒分布呈“两头多（1.18～4.75mm 和 0.075～0.3mm 粒级组分含量偏多）、中间小（0.3～1.18mm 粒级组分含量偏少）”现象。
3）S3 机制砂所配制的混凝土工作性能一般，其级配曲线相比拉伸正 S 形级配曲线出现一定程度偏离，但未出现明显开口向上的下凸抛物线或拉伸反 S 形曲线形状特征。相比机制砂 S3、机
制砂 S4、S5 的 1.18～4.75，0.3～1.18，0.075～0.3mm 各档粒级组分含量比例（质量比）保持在 7:10:3 左右，可充分发挥出 1.18～4.75mm 粒级组分在整个混凝土中承接着使混凝土集料之间更连续的作用，因而所配制的混凝土工作性能明显更好。S6 机制砂级配略高于 2 区上限，所配制的混凝土出现轻微离析和泌水。
综合以上分析，在机制砂中，1.18～4.75，0.3～1.18，0.075～0.3mm 各档粒级组分含量过多或过少，均会导致混凝土工作性能变差。当 1.18～4.75mm 粒级组分含量过多时，所配制的混凝土表现出离析、泌水、骨料堆积等特点；当 0.3～1.18，0.075～0.3mm粒级组分含量过多时，所配制的混凝土黏稠、保水性好，但和易性差，难以浇筑。优良级配的机制砂应是各档粒级组分含量比例适当，使得其级配曲线形状呈拉伸正 S 形。
3.2 机制砂混凝土强度
不同级配机制砂所配制混凝土的强度变化曲线见图 2。
由图 2 可见，在原材料配合比相同的情况下，由于机制砂颗粒级配不同，所配制的混凝土强度呈现明显差异：
1）对于不良级配机制砂 S1、S2 和 S6，其所配制混凝土在试配后不同龄期内强度比良好级配机制砂 S3、S4 和 S5 所配制混凝土均偏低，其中原因为不良级配机制砂造成混凝土拌和不均匀，工作性能不佳，从而影响混凝土强度。
2）虽然机制砂 S3、S4 和 S5 所配制混凝土工作性能较好，但由于机制砂 S4、S5 的各档粒级组分含量比例不够适当（1.18～4.75mm 粒级组分含量偏小），导致混凝土强度仍有所偏低。文献指出，正 S 型颗粒组有利于形成悬浮-密实结构，对混凝土强度的提高与工作性能的改善具有重要作用。机制砂良好颗粒级配使混凝土各种材料紧密结合、接触更加均匀，减少气泡和孔隙的形成，从而有利于提高混凝土强度。
4 4 结论
1）细度模数和空隙率并不能作为机制砂品质优劣的判断标准，而只是级配优劣判断的必要不充分条件，制备和易性良好的机制砂混凝土，机制砂的级配特征很关键，必须得到严格控制。
2）为提高高强混凝土工作性能，机制砂各个筛档累计筛余量要合理控制在一定比例范围内，1.18～4.75mm 粒级组分主要影响混凝土泌水性，0.3～1.18，0.075～0.3mm 粒级组分主要影响混凝土的黏聚性。优良级配机制砂中，1.18～4.75，0.3～1.18，0.075～0.3mm 各档粒级组分含量大致比例（质量比）为 7:10:3，使得其
级配曲线特征呈拉伸正 S形。级配不良机制砂中，1.18～4.75，0.3～1.18，0.075～0.3mm 各档粒级组分含量偏大或偏小，其级配特征曲线呈抛物线或拉伸反 S 形曲线。
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