随着环境保护的加强和基础设施建设的迅速发展，优质河砂资源日益匮乏，采用机制砂代替天然砂配制混凝土已成为混凝土行业可持续发展的一种必然趋势。天然河砂颗粒形状圆润、无棱角，拌和混凝土时易流动和振捣密实，其颗粒分布连续且较为均匀，级配问题不太明显。但因破碎工艺及原岩种类的多样性，机制砂易出现“两头多，中间少”或“中间多，两头少”的级配分布情况[2,3],颗粒级配的变化导致大小不同颗粒间堆聚效应的改变明显，因此对混凝土性能的影响较大。谢开仲[4]等研究认为不同颗粒级配下机制砂混凝土工作性能和力学性能随着机制砂颗粒由细到粗先变大后变小，当机制砂颗粒级配曲线位于Ⅱ区砂中值和上限之间，细度模数为 2.90 左右时，机制砂混凝土力学性能达到峰值。陈小和[5]等提出颗粒级配对机制砂胶砂性能影响较大，机制砂粒度偏粗或偏细、颗粒级配不良均会导致胶砂性能下降，因此，控制机制砂颗粒级配是提高机制砂性能的关键因素。艾长发[6]等提出以1.18 mm筛孔为分界点，对1.18 mm以上颗粒分计筛余率按2∶3∶1比例控制，且对1.18 mm以上颗粒和1.18 mm以下颗粒按1∶2左右控制。郭丹[3]等针对C50混凝土提出，1.18～4.75 mm颗粒含量应控制在30%～50%之间，0.15～0.6 mm颗粒含量应控制在30%～40%之间，其对混凝土和易性和强度相对有利。岳晓伟[7]等通过正交试验研究了机制砂颗粒级配与空隙率的关系，并指出颗粒级配与机制砂空隙率密切相关。采用1.18 mm以上和以下的机制砂颗粒进行试验，测试机制砂级配对混凝土性能的影响规律与作用效应，归纳出了不同级配类型的机制砂在混凝土中的性能特点。程成[9]经试验得出高吸附性机制砂中细颗粒含量的变化显著影响胶砂和混凝土的强度。Shen[10]等参照富勒曲线调整机制砂颗粒级配，进行了不同颗粒级配的机制砂混凝土性能测试，研究发现颗粒级配对机制砂混凝土工作性能和抗冻性能的影响明显。  

 

 

目前，我国现行规范《建设用砂》(GB/T 14684-2011)对机制砂的颗粒级配的控制和天然河砂是一致的，即采用累计筛余百分率来评定机制砂的颗粒级配的好坏，但大量研究表明，采用累计筛余百分率判定机制砂颗粒级配可能存在不足[11],对于机制砂颗粒级配的质量评定，目前尚无一个广泛认可和接受的指标。基于以上问题的考虑，本文制备了累计筛余百分率符合《建设用砂》(GB/T 14684-2011)2区要求，但分计筛余百分率差别较大的4种机制砂混凝土，开展了混凝土工作性能、力学性能、耐久性能及微观孔结构测试分析，探讨采用分计筛余百分率表征机制砂颗粒级配的可行性和有效性

 

2 试验

2.1原材料

 

采用42.5级普通硅酸盐水泥，主要性能见表1。采用S95粒化高炉矿渣粉，主要性能见表2。采用F类Ⅱ级粉煤灰，主要性能见表3。采用以SiO2为主要成分的机制砂，4种机制砂颗粒级配见表4,分计筛余百分率曲线见图1,累计筛余百分率曲线见图2。由图1和图2可以看出，4种机制砂的累计筛余百分率曲线差别不大，均满足2区颗粒级配要求，但分计筛余百分率存在明显不同。机制砂S1各粒径分计筛余百分率分布较均匀；机制砂S2则出现了0.6 mm级配断档，即呈现“中间少，两头多”分布；机制砂S3分计筛余百分率为“中间多，两头少” 分布；机制砂S4分计筛余百分率也为“中间多，两头少”分布，但相对S3分布较平缓。粗骨料为5～25 mm连续级配碎石；普通自来水；聚羧酸高性能减水剂，减水率为30%。

 

 

 

 

2.2试验方法

2.2.1工作性能试验

按照《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T 50080-2016)测试混凝土坍落度和扩展度，观察保水性与黏聚性。

 

2.2.2力学性能试验

制作尺寸为 150 mm×150 mm×150 mm 的立方体试件，按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2019)测试混凝土7 d、28 d抗压强度和劈裂抗拉强度。

 

2.2.3氯离子渗透试验

制作高度为 50 mm, 直径为100 mm 的圆柱体试件，按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082-2009),采用北京某公司生产的混凝土氯离子电通量测定仪测试混凝土28 d电通量值。

 

2.2.4微观孔结构试验

采用苏州某公司生产的多功能核磁共振微结构分析与成像系统(MacroMR12-150H-I)测试不同配合比混凝土试件 28 d孔隙结构。试件尺寸为 100 mm×100 mm×100 mm, 测试前将试件置于-0.1 MPa 真空饱水 24 h, 测试过程中 H 质子共振频率为 23.320 MHz, 磁体强度为(0.3±0.05) T。

 

2.3配合比

采用S1、S2、S3、S4共4种机制砂制备4种混凝土，分别编号为C1、C2、C3、C4。各材料用量见表5,通过调整减水剂的掺量，将混凝土坍落度控制在 (220±10) mm。

 

 

 

 

3 试验结果与分析

3.1混凝土工作性能测试结果及分析

混凝土工作性能测试结果如表6所示。由表6分析可知，C1混凝土在流动性满足要求的情况下，其保水性和黏聚性最好，这是因为机制砂S1的分计筛余百分率分布较为均匀，自身填充性好，其空隙率较小，而且0.3 mm以下颗粒含量的占比较高，比表面积较大，因此其保水性、黏聚性很好，虽然其需水量较大[12],但通过增加减水剂用量可得到改善。C3、C4混凝土由于机制砂S3、S4中1.18 mm、0.6 mm所占比例较大，颗粒间空隙无法得到有效的自填充，因此填充机制砂粒间空隙的水泥浆增多，导致砂石骨料外侧水泥浆包裹层变薄，流动性变差，虽然通过增加减水剂掺量可提高混凝土的流动性，但导致混凝土保水性和黏聚性变差，出现明显的离析和泌水，而且1.18 mm、0.6 mm所占比例越大，其性能越差。C2混凝土是由0.6 mm级配断档的机制砂S2配制而成，虽然缺少中间颗粒，但细小颗粒能够填充粗大颗粒空隙，因此该混凝土的和易性也较好。

 

 

 

3.2力学性能测试和耐久性能测试结果及分析

各组混凝土7 d、28 d劈裂抗拉强度、抗压强度测试结果见表7;28 d电通量值如图3所示。由表7和图3分析可知，与和易性能一致的是分计筛余百分率分布均匀的机制砂S1拌制的混凝土强度和抗氯离子渗透性能最优；而中间粒径颗粒含量占比较大，小颗粒含量较少的机制砂S3、S4拌制的混凝土强度和抗氯离子渗透性能较差。在混凝土坍落度接近时，混凝土C3相对于C1,7 d、28 d劈裂抗拉强度分别降低32.35%、22.22%;7 d、28 d抗压强度降低12.32%、14.84%; 28 d电通量值增大260 C。而C2混凝土，虽然由出现了个别粒径颗粒的断档机制砂S2配制而成，但大小颗粒含量的占比相对较均匀，其配制的混凝土强度和抗氯离子渗透性较好。而C4混凝土由于配制其机制砂S4较机制砂S3分计筛余百分率分布相对平缓，因此其强度、抗氯离子渗透性也高于C3混凝土，并与C2混凝土较为接近。

 

 

 

 

4 结语

(1)累计筛余百分率接近，分计筛余百分率不同的机制砂混凝土性能差别较大，分计筛余百分率为“中间多，两头少”和 “中间少，两头多”的机制砂性能明显低于分布均匀的机制砂混凝土，混凝土和易性差，劈裂抗拉强度、抗压强度和抗氯离子渗透性能低，且随着中间颗粒分布越集中，机制砂混凝土性能衰减越为严重；分计筛余百分率“中间少，两头多”的机制砂混凝土各项性能介于分布均匀和“中间多，两头少”的机制砂混凝土之间。

(2)分计筛余百分率分布均匀的机制砂有着较小的孔隙率以及微小孔隙多、粗大孔隙少的孔隙特征，从而使所配制的混凝土性能最优。

(3)分计筛余百分率更能明确地表达机制砂各粒径颗粒含量的占比，且其对混凝土性能的影响比累计筛余百分率更为显著。

作者：罗健勇 于本田 苏俊辉 刘通 谢超 张凯