黄京胜，宋少民＊，严章国

（1. 北京建筑大学，建筑结构与环境修复功能材料北京市重点试验室，北京 100044；2. 中国水利水电第九工程局有限公司，贵州 贵阳 550008）

0 引言

混凝土作为主要的结构工程材料，是土木工程材料的主体。随着国家建筑、桥梁、铁路的高速发展，每年混凝土用量近 80 亿立方米。与此同时，许多地区优质河砂资源也正在面临逐渐枯竭的窘境，机制砂已经替代成为建筑用砂的主力砂源。但机制砂的品质差异很大，人们对于机制砂概念的理解也不够清晰，行业内存在把石屑混同于机制砂的情况；机制砂的标准也并不相同，许多厂家甚至把石屑当作机制砂供应和应用。由此造成的机制砂对混凝土各方面性能影响也存在误区，在混凝土中的应用也令人担忧。宋少民等人[1,2]研究了机制砂岩性对混凝土性能的影响；吴明威等人[3]也对人工砂石粉在混凝土中的应用做了相关研究。当前机制砂在建筑、桥梁、铁路等多个方向的应用均取得了比较好的效果[4-5]。其实与河砂相比，机制砂是通过机械和特定工艺加工的产品，可根据不同需求生产不同粗细和级配，并且由于机制砂的表面棱角性更强，致使机制砂与水泥浆体的粘结力更强[6]。河砂在同条件下配制的混凝土的强度往往低于机制砂混凝土。设备和工艺不同、岩石母岩岩性不同、母岩表面吸附有害物质含量不同，机制砂品质也不相同，许多机制砂加工厂对所生产的机制砂级配、石粉含量、片状颗粒含量等指标并不能进行有效地控制[7-8]。

本文选取了部分机制砂针对 C45 大流动性混凝土（参考 JGJ 55—2011 术语中规定[9]：拌合物坍落度不低于 160mm 的混凝土为大流动性混凝土）进行相关试验研究，通过改变机制砂的单一变量，包括机制砂级配、石粉含量、片状颗粒含量等指标，研究机制砂品质的改变对混凝土和易性与抗压强度的影响。

1 原材料与试验设计

1.1 原材料

（1）水泥：采用北京金隅水泥有限公司生产的P·O42.5 水泥，水泥具体性能指标[10]如表 1 所示。

（2）粉煤灰：采用北京敬业达公司生产的Ⅰ级粉煤灰，其主要性能指标[11]见表 2。

（3）粗骨料：采用北京榆构有限公司公司的石灰岩石子，石子粒径为 5～20mm 连续级配。粗骨料的性能指标见表 3。

（4）细骨料：采用安顺市平坝区远达建材有限公司生产的石灰岩机制砂，机制砂具体性能指标见表 4。

（5）外加剂：减水剂采用北京市高强混凝土有限责任公司提供的聚羧酸减水剂，具体性能指标[12-13]见表5。

表 1 水泥物理性能指标

表 2 粉煤灰主要性能指标

表 3 粗骨料性能指标

表 4 细骨料性能指标

表 5 混凝土外加剂性能指标

1.2 试验设计

（1）本试验混凝土强度等级为 C45，具体配合比见表 6[9]。

表 6 C45 混凝土试验配合比 kg/m3

（2）坍落度、扩展度试验参照 GB/ T50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行[14]；试验参照 GB/T 50081—2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行抗压强度试验[15]。

（3）文中“比粒度”的概念由北京市建筑工程研究院的傅沛兴[16]提出，宋少民完善了比粒度的定义和计算方法，见 CBMF 38—2018 T/CAATB 001—2018《高性能混凝土用骨料》[17]；机制砂片状颗粒含量的定义见行标 JG/T 568—2019《高性能混凝土用骨料》[18]。

（3）试验中砂石骨料均经过烘箱烘干，含水率均低于 0.2%。本试验采用单因素分析方法，X 组为机制砂级配组，其中 X1 为机制砂原有级配，不改变机制砂的细度模数，通过降低 0.6mm、0.3mm 粒径颗粒，提升其他粒径机制砂的方式使原有机制砂级配逐渐形成“两头大、中间小”的情况，并观察混凝土和易性与抗压强度随机制砂级配变化而变化的相关趋势，其中石粉含量和片状颗粒含量均为 0%。B 组为机制砂石粉含量组，含量主要选取 0%、5%、10%、15%、20% 五组进行混凝土的和易性与抗压强度的探究；与此同时尽可能保持石粉组级配相似，片状颗粒含量与 X1 组同样为0%。C 组为机制砂片状颗粒含量组，选取含量为 0%、10%、20%、30% 的片状颗粒进行试验，级配为原砂级配，石粉含量为 0%。机制砂的具体级配如表 7 所示。

表 7 机制砂试验级配

2 试验结果及分析

2.1 机制砂级配对混凝土性能的影响

本试验通过固定减水剂用量和单方混凝土用水量的方式观察机制砂级配的变化对混凝土和易性和耐久性的影响，其中石粉含量控制在 0%，片状颗粒含量也为0%。具体情况如表 8 和图 1、2 所示。

表 8 机制砂试验级配各组混凝土性能数据

图 1 机制砂级配对混凝土和易性的影响

图 2 机制砂级配对混凝土立方体抗压强度的影响

从表 8 和图 1、2 中可以看出，在原砂级配基础上，随着机制砂中 0.6mm、0.3mm 粒径颗粒从多到少的级配变化，X1 组机制砂级配 0.3mm 和 0.6mm 颗粒分计筛余过高，混凝土有轻微泌水情况；当 0.6mm 与0.3mm 颗粒砂总占机制砂比例 30%～60% 时（X2～X4），混凝土拌合物状态良好，尤其是 X3 机制砂级配符合 CMBF 38—2018 T/CAATB 001—2018《高性能混凝土用骨料》Ⅱ级要求，和易性最好；随着 0.6mm 和0.3mm 砂总占比的进一步减小，混凝土开始出现离析和泌水的现象，这表明合理的级配有利于混凝土的和易性，“两头大、中间小”的粒径分布存在较严重的粒径缺失问题，不能有效填充混凝土的空隙，导致混凝土的黏聚性、保水性较差。观察混凝土的抗压强度变化可以发现，机制砂级配好的 X3、X4 组和易性最好，混凝土强度也最高；X5、X6 组和易性不好，抗压强度也最低，这表明，级配合理的机制砂级配有利于混凝土和易性和抗压强度；X1、X2 组相较于 X3、X4 组，1.18mm粒径以上机制砂过低，对混凝土和易性和抗压强度有一定影响，但不显著；X5、X6 组相较于 X3、X4 组，0.6mm 及 0.3mm 粒径机制砂总占比低于 30%，1.18mm以上颗粒含量大于 35%，对混凝土和易性与抗压强度存在显著影响。这表明级配不合理的机制砂对混凝土和易性和抗压强度都有不利影响，因此保证机制砂级配的合理性至关重要。

2.2 机制砂不同石粉含量对混凝土性能的影响

石粉含量组级配如表 9 所示，片状颗粒含量为0%，减水剂用量不变，不同机制砂石粉含量混凝土坍落度、扩展度及抗压强度值及其变化规律见表 10 和图3、4。由表 10 和图 3、4 可以看出，石粉含量在 5%～10% 时混凝土和易性最好，强度也相对较高。B1、B4和 B5 组混凝土出现了离析或泌水现象，强度也相对较低，最终试验表明，不含石粉或石粉含量过高都并不有利于混凝土工作性与抗压强度。适宜的石粉不仅能够发挥其粒级优势对混凝土中的空隙进行填充，有利于混凝土拌合物和易性，还可以提高混凝土的匀质性，有利于混凝土性能发展。

表 9 机制砂试验级配

表 10 机制砂不同石粉含量混凝土性能数据

2.3 机制砂片状颗粒含量混凝土性能的影响

图 3 机制砂石粉含量对混凝土和易性的影响

图 4 机制砂石粉含量对混凝土抗压强度的影响

图 5 片状颗粒含量组混凝土坍落度与扩展度

图 6 片状颗粒含量组混凝土立方体抗压强度

C1、C2 和 C3 组（片状颗粒含量组）的石粉含量和级配均与 X1 组相同，由于 X1 组 1.18mm 以上粒径机制砂不足 30%，故通过调整级配使 C4 组（级配见表 11）片状颗粒含量能够符合要求，片状颗粒含量的定义与操作方法见 JG/T 568—2019《高性能混凝土用骨料》，具体情况如表 12 和图 5、6 所示。

表 11 机制砂试验级配

表 12 片状颗粒含量对混凝土性能的影响

如表 12 和图 5、6 所示，机制砂片状颗粒越多，混凝土工作性与抗压强度越差。试验表明，片状颗粒含量不利于混凝土流动性与抗压强度，并且含量越多，影响越明显。由于机制砂片状颗粒的形状差、不规则，内阻力大，也就会加大对浆体的需求量，如不增大浆体用量，会导致混凝土和易性不良，抗压强度也有所较低。

3 结论

（1）“两头大、中间小”的机制砂级配对混凝土工作性和抗压强度都会有显著影响，机制砂 0.3mm 和0.6mm 颗粒分计筛余之和在 30%～60%，对于混凝土的和易性和强度保证是有利的。

（2）亚甲蓝值较低的前提下，5%～10% 机制砂石粉有利于混凝土和易性与抗压强度，C45 混凝土机制砂石粉含量宜为 10% 左右。

（3）机制砂片状颗粒含量高不利于混凝土和易性与抗压强度发展；对于 C45 混凝土，机制砂片状颗粒含量不宜超过 10%。