不同间断级配机制砂对新拌混凝土性能的影响研究

田 星（中国建筑材料工业地质勘查中心陕西总队，陕西 西安 710014）

随着国家经济水平的快速提升，土木工程基础设施的建设数量层出不穷，导致建筑工程材料的使用量大幅提升。河砂作为重要的建筑材料之一，其大量开采对环境和水土造成严重的不利影响。此外，不同的采挖条件及生产方式使得天然河砂的级配存在差异性，进而影响实体混凝土的性能[1-3]。因此，为了响应国家建设环境友好型可持续发展社会，研究者将机制砂替代天然河砂应用于土木工程混凝土的级配设计中。因此，全面掌握机制砂的特性，分析其特性参数对混凝土各种性能的影响具有十分重要的工程意义。

机制砂的性能参数主要包括颗粒形状、级配、细度模数、含泥量及压碎值等指标。目前，研究者已经分析了机制砂生产工艺、性能参数及其对混凝土的影响。李北星及岳海军等人[4,5]分析了机制砂粒径、级配类型、细度模数等参数对水泥混凝土各种性能的影响，得出粒径越大、细度模数越小，混凝土的性能越好；蒋正武等人[6]同样认为混凝土性能与机制砂的粒径成正相关关系；季韬等人[7]分析了机制砂比表面积对水泥混凝土性能的影响，认为一定条件的机制砂比表面积，水泥混凝土性能达到最优。上述研究均表明机制砂对于提升混凝土性能具有显著的作用。然而，机制砂的颗粒级配在应用过程中存在不良现象，因此，研究机制砂级配类型及细度模数对混凝土性能的影响极为重要。在此背景下，本文开展了机制砂细度模数以及不同级配类型对新拌混凝土工作性能及力学性能的影响，以期为机制砂的材料优选提供一定的借鉴，助力研制高性能新拌混凝土，进一步推广机制砂的应用市场。

1 试验材料及方法

测试材料主要包括机制砂、碎石、水泥、粉煤灰、矿粉、减水剂以及自来水。其中，机制砂来自河北一家石料厂；粗骨料类型为石灰岩碎石，最大粒径为25mm，最小粒径为5mm；水泥等级为42.5普通硅酸盐水泥；粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰，需水量达到98%；矿粉的比表面积为410m2/kg；减水剂的固含量为12%，减水率超过25%。

为分析机制砂细度模数对水泥混凝土各种性能的影响，分别采用细度模数为1.5 和细度模数为4 进行不同比例的掺配获取细度模数为2、2.5、3的机制砂。

为分析机制砂级配类型对水泥混凝土各种性能的影响，保持细度模数为2.5 的机制砂，但是搭配的各个粒径级配比例不同（分别为均匀分布型、两边粒径比例多、粗粒径比例多、中间粒径比例多共计四种机制砂级配），其粒径比例分布如表1所示。

针对不同细度模数及不同级配类型机制砂的水泥混凝土材料组成比例如表2所示，所有条件下的减水剂均为4.6kg/m3。

表2 不同条件下的水泥混凝土材料组成比例/kg/m3

混凝土制备方法：将粉煤灰、矿粉、机制砂、石子等骨料倒入涂抹润滑剂的模具中进行拌合，然后加入一半的水，再将剩下的水与减水剂拌合后倒入其中，拌合均匀后进行振捣抹平，放置于室温下成型脱模，最后放于养护箱中养护28d。

所采用的工作性能及力学性能测试方法严格按照规范GB/T 50080—2000《普通混凝土拌和物性能试验方法标准》[8]及GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》[9]中规定的测试步骤及计算方法进行。

2 机制砂细度模数对新拌混凝土性能的影响

2.1 机制砂细度模数对新拌混凝土工作性能的影响

根据上述规范中确定的测试方法获取不同类型机制砂细度模数下水泥混凝土坍落度及扩展度，测试结果如图1所示。从图1中可以看出，随着机制砂细度模数的增加，水泥混凝土的坍落度和扩展度均呈现增加的趋势，其中扩展度的增加速率更显著。对于水泥混凝土坍落度而言，当机制砂细度模数从2 增加到3，其坍落度从210mm 增加到234mm，增幅达到11.4%；对于水泥混凝土扩展度而言，当机制砂细度模数从2增加到3，其坍落度从500mm 增加到600mm，增幅达到20%。这是由于当机制砂的细度模数较低时，其内部细集料含量较多，使得机制砂内部级配不连续，导致水泥混凝土内部材料的骨架结构体系较弱，导致其流动性增加，使得水泥混凝土的坍落度和扩展度均增加。

图1 机制砂细度模数对混凝土工作性能的影响

2.2 机制砂细度模数对新拌混凝土力学强度的影响

根据上述规范中确定的测试方法获取不同类型机制砂细度模数下水泥混凝土坍落度及扩展度，测试结果如图2所示。从图2中可以看出，随着机制砂细度模数的增加，水泥混凝土的28d抗压强度有所增加后略微降低。对于水泥混凝土28d抗压强度而言，当机制砂细度模数从2 增加到2.5，其28d 抗压强度从43MPa 增加到47MPa，增幅达到9.3%；当机制砂细度模数从2.5 增加到3，其28d抗压强度从47MPa降低到45MPa，降幅达到4.4%。这是由于当机制砂的细度模数较低时，其内部细集料含量较多，使得机制砂内部级配不连续，导致水泥混凝土内部材料的骨架结构体系较弱，力学强度较低[10-11]；但是当细度模数过大时，内部的细集料含量太低，导致吸水量减小，内部的水化反应效果减弱，导致水化反应产物少，影响了其抗压强度的形成，故当机制砂细度模数从2.5 增加到3，水泥混凝土的抗压强度反而下降。

图2 机制砂细度模数对混凝土抗压强度的影响

3 机制砂级配对新拌混凝土性能的影响

3.1 机制砂级配类型对新拌混凝土工作性能的影响

根据上述规范中确定的测试方法获取不同类型机制砂级配类型下水泥混凝土坍落度及扩展度，测试结果如图3所示。从图3中可以看出，两边多的机制砂制备的水泥混凝土坍落度及扩展度最低，其他类型的机制砂制备的水泥混凝土，坍落度及扩展度相差不多，相对最高的为均匀分配的机制砂制备的水泥混凝土，分别比两边多的机制砂制备的水泥混凝土坍落度及扩展度高29.1%、3.9%。这是由于两边多的机制砂内部中的细集料和粗集料含量均较大，一方面较好弥补了水泥混凝土中细集料不足的情况，另一方面提升了水泥混凝土的骨架结构体系，进而使得该种类型的水泥混凝土内部材料粘结力较高，流动性最差。

图3 机制砂级配类型对混凝土工作性能的影响

3.2 机制砂级配类型对新拌混凝土力学强度的影响

根据上述规范中确定的测试方法获取不同类型机制砂级配类型下水泥混凝土的28d抗压强度，测试结果如图4所示。从图4中可以看出，两边多的机制砂制备的水泥混凝土28d抗压强度最高，其次为均匀分配的机制砂制备的水泥混凝土，另外两种水泥混凝土的28d抗压强度相差不多。与中间多的机制砂制备的水泥混凝土抗压强度相比，两边多的机制砂制备的水泥混凝土28d 抗压强度从41MPa 提升到45MPa，增幅达到9.7%。这是由于两边多的机制砂内部中的细集料和粗集料含量均较大，一方面较好弥补了水泥混凝土中细集料不足的情况，可以产生充足的水化产物；另一方面提升了水泥混凝土的骨架结构体系，进而使得该种类型的水泥混凝土内部材料粘结力较高，流动性最差，形成了稳定的骨架结构，使得其具有较高的抗压强度。

图4 机制砂级配类型对混凝土力学强度的影响

综合上述细度模数以及级配类型对水泥混凝土工作性能及力学强度影响的分析，本文种最合理的机制砂细度模数为2、级配类型为两边多的级配类型。

4 结语

（1）随着机制砂细度模数的增加，水泥混凝土的坍落度和扩展度均呈现增加的趋势，其中扩展度的增加速率更显著。对于水泥混凝土坍落度而言，当机制砂细度模数从2 增加到3，其坍落度从210mm 增加到234mm，增幅达到11.4%；对于水泥混凝土扩展度而言，当机制砂细度模数从2增加到3，其坍落度从500mm增加到600mm，增幅达到20%。

（2）随着机制砂细度模数的增加，水泥混凝土的28d 抗压强度有所增加后略微降低。对于水泥混凝土28d 抗压强度而言，当机制砂细度模数从2 增加到2.5，其28d 抗压强度从43MPa 增加到47MPa，增幅达到9.3%；当机制砂细度模数从2.5增加到3，其28d抗压强度从47MPa降低到45MPa，降幅达到4.4%。

（3）两边多的机制砂制备的水泥混凝土坍落度及扩展度最低，其他类型的机制砂制备的水泥混凝土坍落度及扩展度相差不多，相对最高的为均匀分配的机制砂制备的水泥混凝土，分别比两边多的机制砂制备的水泥混凝土坍落度及扩展度高29.1%、3.9%。

（4）两边多的机制砂制备的水泥混凝土28d抗压强度最高，其次为均匀分配的机制砂制备的水泥混凝土，另外两种水泥混凝土的28d抗压强度相差不多.

（5）综合细度模数以及级配类型对水泥混凝土工作性能及力学强度的影响，最合理的机制砂细度模数为2、级配类型为两边多。