不同間斷級配機制砂對新拌混凝土性能的影響研究

田 星（中國建筑材料工業地質勘查中心陜西總隊，陜西 西安 710014）

隨著國家經濟水平的快速提升，土木工程基礎設施的建設數量層出不窮，導致建筑工程材料的使用量大幅提升。河砂作為重要的建筑材料之一，其大量開采對環境和水土造成嚴重的不利影響。此外，不同的采挖條件及生產方式使得天然河砂的級配存在差異性，進而影響實體混凝土的性能[1-3]。因此，為了響應國家建設環境友好型可持續發展社會，研究者將機制砂替代天然河砂應用于土木工程混凝土的級配設計中。因此，全面掌握機制砂的特性，分析其特性參數對混凝土各種性能的影響具有十分重要的工程意義。

機制砂的性能參數主要包括顆粒形狀、級配、細度模數、含泥量及壓碎值等指標。目前，研究者已經分析了機制砂生產工藝、性能參數及其對混凝土的影響。李北星及岳海軍等人[4,5]分析了機制砂粒徑、級配類型、細度模數等參數對水泥混凝土各種性能的影響，得出粒徑越大、細度模數越小，混凝土的性能越好；蔣正武等人[6]同樣認為混凝土性能與機制砂的粒徑成正相關關系；季韜等人[7]分析了機制砂比表面積對水泥混凝土性能的影響，認為一定條件的機制砂比表面積，水泥混凝土性能達到最優。上述研究均表明機制砂對于提升混凝土性能具有顯著的作用。然而，機制砂的顆粒級配在應用過程中存在不良現象，因此，研究機制砂級配類型及細度模數對混凝土性能的影響極為重要。在此背景下，本文開展了機制砂細度模數以及不同級配類型對新拌混凝土工作性能及力學性能的影響，以期為機制砂的材料優選提供一定的借鑒，助力研制高性能新拌混凝土，進一步推廣機制砂的應用市場。

1 試驗材料及方法

測試材料主要包括機制砂、碎石、水泥、粉煤灰、礦粉、減水劑以及自來水。其中，機制砂來自河北一家石料廠；粗骨料類型為石灰巖碎石，最大粒徑為25mm，最小粒徑為5mm；水泥等級為42.5普通硅酸鹽水泥；粉煤灰為Ⅰ級粉煤灰，需水量達到98%；礦粉的比表面積為410m2/kg；減水劑的固含量為12%，減水率超過25%。

為分析機制砂細度模數對水泥混凝土各種性能的影響，分別采用細度模數為1.5 和細度模數為4 進行不同比例的摻配獲取細度模數為2、2.5、3的機制砂。

為分析機制砂級配類型對水泥混凝土各種性能的影響，保持細度模數為2.5 的機制砂，但是搭配的各個粒徑級配比例不同（分別為均勻分布型、兩邊粒徑比例多、粗粒徑比例多、中間粒徑比例多共計四種機制砂級配），其粒徑比例分布如表1所示。

針對不同細度模數及不同級配類型機制砂的水泥混凝土材料組成比例如表2所示，所有條件下的減水劑均為4.6kg/m3。

表2 不同條件下的水泥混凝土材料組成比例/kg/m3

混凝土制備方法：將粉煤灰、礦粉、機制砂、石子等骨料倒入涂抹潤滑劑的模具中進行拌合，然后加入一半的水，再將剩下的水與減水劑拌合后倒入其中，拌合均勻后進行振搗抹平，放置于室溫下成型脫模，最后放于養護箱中養護28d。

所采用的工作性能及力學性能測試方法嚴格按照規范GB/T 50080—2000《普通混凝土拌和物性能試驗方法標準》[8]及GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》[9]中規定的測試步驟及計算方法進行。

2 機制砂細度模數對新拌混凝土性能的影響

2.1 機制砂細度模數對新拌混凝土工作性能的影響

根據上述規范中確定的測試方法獲取不同類型機制砂細度模數下水泥混凝土坍落度及擴展度，測試結果如圖1所示。從圖1中可以看出，隨著機制砂細度模數的增加，水泥混凝土的坍落度和擴展度均呈現增加的趨勢，其中擴展度的增加速率更顯著。對于水泥混凝土坍落度而言，當機制砂細度模數從2 增加到3，其坍落度從210mm 增加到234mm，增幅達到11.4%；對于水泥混凝土擴展度而言，當機制砂細度模數從2增加到3，其坍落度從500mm 增加到600mm，增幅達到20%。這是由于當機制砂的細度模數較低時，其內部細集料含量較多，使得機制砂內部級配不連續，導致水泥混凝土內部材料的骨架結構體系較弱，導致其流動性增加，使得水泥混凝土的坍落度和擴展度均增加。

圖1 機制砂細度模數對混凝土工作性能的影響

2.2 機制砂細度模數對新拌混凝土力學強度的影響

根據上述規范中確定的測試方法獲取不同類型機制砂細度模數下水泥混凝土坍落度及擴展度，測試結果如圖2所示。從圖2中可以看出，隨著機制砂細度模數的增加，水泥混凝土的28d抗壓強度有所增加后略微降低。對于水泥混凝土28d抗壓強度而言，當機制砂細度模數從2 增加到2.5，其28d 抗壓強度從43MPa 增加到47MPa，增幅達到9.3%；當機制砂細度模數從2.5 增加到3，其28d抗壓強度從47MPa降低到45MPa，降幅達到4.4%。這是由于當機制砂的細度模數較低時，其內部細集料含量較多，使得機制砂內部級配不連續，導致水泥混凝土內部材料的骨架結構體系較弱，力學強度較低[10-11]；但是當細度模數過大時，內部的細集料含量太低，導致吸水量減小，內部的水化反應效果減弱，導致水化反應產物少，影響了其抗壓強度的形成，故當機制砂細度模數從2.5 增加到3，水泥混凝土的抗壓強度反而下降。

圖2 機制砂細度模數對混凝土抗壓強度的影響

3 機制砂級配對新拌混凝土性能的影響

3.1 機制砂級配類型對新拌混凝土工作性能的影響

根據上述規范中確定的測試方法獲取不同類型機制砂級配類型下水泥混凝土坍落度及擴展度，測試結果如圖3所示。從圖3中可以看出，兩邊多的機制砂制備的水泥混凝土坍落度及擴展度最低，其他類型的機制砂制備的水泥混凝土，坍落度及擴展度相差不多，相對最高的為均勻分配的機制砂制備的水泥混凝土，分別比兩邊多的機制砂制備的水泥混凝土坍落度及擴展度高29.1%、3.9%。這是由于兩邊多的機制砂內部中的細集料和粗集料含量均較大，一方面較好彌補了水泥混凝土中細集料不足的情況，另一方面提升了水泥混凝土的骨架結構體系，進而使得該種類型的水泥混凝土內部材料粘結力較高，流動性最差。

圖3 機制砂級配類型對混凝土工作性能的影響

3.2 機制砂級配類型對新拌混凝土力學強度的影響

根據上述規范中確定的測試方法獲取不同類型機制砂級配類型下水泥混凝土的28d抗壓強度，測試結果如圖4所示。從圖4中可以看出，兩邊多的機制砂制備的水泥混凝土28d抗壓強度最高，其次為均勻分配的機制砂制備的水泥混凝土，另外兩種水泥混凝土的28d抗壓強度相差不多。與中間多的機制砂制備的水泥混凝土抗壓強度相比，兩邊多的機制砂制備的水泥混凝土28d 抗壓強度從41MPa 提升到45MPa，增幅達到9.7%。這是由于兩邊多的機制砂內部中的細集料和粗集料含量均較大，一方面較好彌補了水泥混凝土中細集料不足的情況，可以產生充足的水化產物；另一方面提升了水泥混凝土的骨架結構體系，進而使得該種類型的水泥混凝土內部材料粘結力較高，流動性最差，形成了穩定的骨架結構，使得其具有較高的抗壓強度。

圖4 機制砂級配類型對混凝土力學強度的影響

綜合上述細度模數以及級配類型對水泥混凝土工作性能及力學強度影響的分析，本文種最合理的機制砂細度模數為2、級配類型為兩邊多的級配類型。

4 結語

（1）隨著機制砂細度模數的增加，水泥混凝土的坍落度和擴展度均呈現增加的趨勢，其中擴展度的增加速率更顯著。對于水泥混凝土坍落度而言，當機制砂細度模數從2 增加到3，其坍落度從210mm 增加到234mm，增幅達到11.4%；對于水泥混凝土擴展度而言，當機制砂細度模數從2增加到3，其坍落度從500mm增加到600mm，增幅達到20%。

（2）隨著機制砂細度模數的增加，水泥混凝土的28d 抗壓強度有所增加后略微降低。對于水泥混凝土28d 抗壓強度而言，當機制砂細度模數從2 增加到2.5，其28d 抗壓強度從43MPa 增加到47MPa，增幅達到9.3%；當機制砂細度模數從2.5增加到3，其28d抗壓強度從47MPa降低到45MPa，降幅達到4.4%。

（3）兩邊多的機制砂制備的水泥混凝土坍落度及擴展度最低，其他類型的機制砂制備的水泥混凝土坍落度及擴展度相差不多，相對最高的為均勻分配的機制砂制備的水泥混凝土，分別比兩邊多的機制砂制備的水泥混凝土坍落度及擴展度高29.1%、3.9%。

（4）兩邊多的機制砂制備的水泥混凝土28d抗壓強度最高，其次為均勻分配的機制砂制備的水泥混凝土，另外兩種水泥混凝土的28d抗壓強度相差不多.

（5）綜合細度模數以及級配類型對水泥混凝土工作性能及力學強度的影響，最合理的機制砂細度模數為2、級配類型為兩邊多。