0引言
随着西部大开发战略的快速推进，以及基础设施建设过程中节能环保和水土保持的需要，天然砂资源逐渐短缺，开采限制也日趋严格，因此，应用机制砂替代天然砂已成为混凝土行业可持续发展的一种趋势。为掌握机制砂的特性，扩大其在混凝土工程中的应用范围，广大研究工作者对机制砂生产工艺、混凝土配制技术及其性能做了大量研究工作，并在多项重要工程中得到成功应用。机制砂的主要性能参数包括颗粒形状、级配、细度模数以及石粉含量、含泥量、压碎值指标等，文献从不同侧重点分别就这些主要参数对混凝土性能的影响规律开展了研究，并提出了控制标准建议值。文献对相同级配河砂和机制砂混凝土工作性与强度特性进行了研究，提出应用比表面积指标来表征机制砂的粒形和表面特征。
在机制砂主要性能参数中，颗粒级配作为机制砂质量控制的关键指标，其对混凝土性能有着重要影响，然而从目前的生产现状来看，常存在级配不良或超出级配范围的情况，有关机制砂级配如何合理控制是工程中重点关注的问题之一。为此，本试验以1.18mm筛孔为分界点，将机制砂颗粒组成分成I（粒径≥1.18mm颗粒）、II（粒径<1.18mm颗粒）组分，从各组分的含量及颗粒组成比例角度，深入研究机制砂颗粒级配对混凝土性能的影响及其作用效用，为机制砂颗粒级配控制及其在混凝土工程中的应用提供技术指导。
1试验方案与结果
1.1试验材料
结合工程建设材料实际情况，粗集料采用石灰岩，将其5～16mm、16～25mm两档料按最大紧密堆积密度进行掺配，最终掺配合比例为40∶60。细集料选用石灰岩经破碎而成的机制砂，水泥等级为P·O42.5R，粉煤灰为I级，减水剂为聚羧酸型高效减水剂，减水率为25%，掺量为0.8%。
混凝土等级为C50，坍落度≥180mm，混凝土设计强度≥59.8MPa，根据优化试验结果，粉煤灰掺量为10%，机制砂石粉含量为7%，其余指标均满足要求，混凝土配合比参数见表1。
1.2机制砂级配类型及参数测定
本试验以二区砂的颗粒级配范围为基准，设置了6种级配类型，即：级配上限、级配中值、级配下限、级配上限到下限、级配下限到上限及级配不良等6种类型，以研究级配变化对机制砂物理参数及对应C50混凝土性能的影响。根据本研究机制砂颗粒级配组成的设置情况，作如下定义：粒径范围≥1.18mm的组成部分为I组分，<1.18mm的组成部分为II组分。各种机制砂基本参数见表2，颗粒级配曲线见图1。
由表2及图1可知，由类型1到类型6，机制砂的细度模数逐渐增大，并逐步由细砂变为粗砂，其中，类型1为细砂，类型2、3、4为中砂，类型5、6为粗砂。根据规范中有关二区砂级配上、下限范围的情况，除类型6级配超出范围外，其他类型均符合2区砂的级配要求。另外，类型2、类型4的级配类似于沥青混合料的间断级配，分别具有“倒S型”、“S型”级配特征，前者有利于形成骨架结构，后者更容易形成悬浮结构；类型3属于连续级配；类型1、5、6均可归结为不良级配。
1.3机制砂混凝土性能测定
根据表1的配合比设计参数，分别配制了6种不同级配类型的C50高强度等级混凝土，其工作性能及强度测试结果见表3。
2试验结果分析
2.1机制砂基本物理性质分析
根据表2可得各类型机制砂细度模数与表观密度及空隙率的关系，如图2、3所示。
由图2、3可以发现，由类型1到类型6，虽然其细度模数逐渐增大，但其表观密度、堆积空隙率、紧密空隙率均表现出“先降-后增-再降”的变化趋势，说明细度模数与这三个指标之间并没有直接相关关系，细度模数仅是表征砂的粗细程度的宏观指标，无法反映颗粒级配的真实情况，不能作为判断砂品质好坏的衡量指标。
另外，由于类型1～6，其级配组成具有不同的特征，致使各类型砂的表观密度、自然堆积空隙率、紧密堆积空隙率不相同。其中，由类型1到类型2，1.18mm以上颗粒增多，即I组分（以下简称I组分）含量增多，1.18mm以下颗粒略有减少，即II组分（以下简称II组分）含量略有减少，其表观密度、堆积空隙率均减小；由类型2到类型4，I组分含量减少，II组分含量也减少，其表观密度、堆积空隙率均增大；由类型4到类型6，I组分含量增多，II组分含量减少，其表观密度、堆积空隙率均减小。同时，对于类型1和类型4，砂的颗粒主要由II组分构成，I组分严重缺失，组成较单一，其表观密度、堆积空隙率均较大。以上分析表明，颗粒级配是表观密度、堆积空隙率大小的决定因素，且1.18～4.75mm颗粒（即I组分）主要影响砂的堆积空隙率，0.15～1.18mm颗粒（即II组分）主要影响砂的表观密度。要获得较小的堆积空隙率，必须增大I组分的含量，适当增加II组分含量，使I组分颗粒之间的间隙被II组分填充；要获得较大的表观密度，必须增大II组分的含量，减少I组分的含量，使砂的颗粒级配偏细；要同时获得较大的表观密度、较小的堆积空隙率，则必须同时增大I、II组分的含量，即砂的颗粒级配具有骨架密实特征，如类型2。因此，在机制砂生产过程中，必须根据使用要求及原材料的破碎情况，及时调整筛孔尺寸，才能获得品质优良的机制砂。
2.2混凝土工作性能分析
根据表3可得不同级配类型机制砂所对应混凝土坍落度与扩散度的变化情况，如图4所示。可知：
（1）由于类型1、5、6机制砂均属于不良级配，其所配
制的混凝土工作性能均较差。其中，类型1的级配中I组分含量过少、II组分含量过多，所配制的混凝土较黏，和易性差，但保水性好；而类型5、6的级配中I组分含量过多、II组分含量过少，1.18mm筛档含量均大于45%，所配制的混凝土表现出离析、泌水、骨料堆积、和易性差等特点。因此，在机制砂中，I、II组分含量过多或过少，均会导致混凝土工作性能变差。当I组分含量过多时，混凝土泌水，骨料堆积离析；当II组分含量过多时，混凝土黏稠，难以浇筑。
（2）相比之下，类型2、3、4的级配优于类型1、5、6，其I、II组分的含量比例保持在1∶2左右，所配制的混凝土工作性能明显更好，充分发挥出I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。另外，在类型2、3、4中，其I组分的颗粒组成比例有所不同，特别是类型4缺少粒径2.36mm以上的颗粒，其所对应混凝土的坍落度、扩展度均小于类型2和类型3。因此，I、II组分含量多少及I组分颗粒间的组成比例，即机制砂颗粒级配及其颗粒间连续程度，是决定混凝土工作性能优劣的关键因素。
2.3混凝土强度分析
根据表3可得不同级配类型机制砂所对应混凝土强度的变化情况，如图5所示。
根据图5可知，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具有明显差异。其中：①对于机制砂不良级配类型1、5、6，其所配制的混凝土强度均较低；②虽然类型2、3、4级配规范要求，但由于类型4的I组分中2.36、4.75mm筛档颗粒严重缺失，导致混凝土强度明显偏低，其7、28d强度比类型2降低8.82、8.27MPa；而类型2、3的I组分中含有2.36、4.75mm筛档颗粒且按一定比例组成，其所配制的混凝土强度明显提高。其中，类型2的颗粒组成偏于骨架结构，其对应混凝土强度最高。
因此，机制砂颗粒级配是影响混凝土强度的一个不容忽视的因素，且机制砂I组分的含量大小及颗粒间组成比例是影响混凝土强度的主要因素。
3作用效应分析
表2显示各类机制砂紧密堆积空隙率大小关系为：类型6<类型5<类型2<类型3<类型1<类型4，按此顺序建立机制砂紧密空隙率与其混凝土强度的变化关系如图6所示。
由图6可知，混凝土强度与空隙率具有二次非线形相关性，强度峰值介于最大与最小空隙率之间。再结合不同类型机制砂I、II组分颗粒组成情况，进一步说明机制砂I组分在混凝土中的双重作用效应，即：既起到填充粗集料骨架间隙使混凝土更加密实作用，又起到为机制砂II组分提供骨架支撑使水泥浆分散更加均匀作用。这种双重作用效应有利于提高混凝土的整体性能。
分析认为，混凝土试件在受压过程中，裂缝首先在粗集料-水泥石黏结面滋生，随着受压作用的增大，裂缝逐渐向水泥石延伸，由于机制砂的比表面积大，与水泥石的黏结强度往往较高，机制砂I组分在混凝土破坏特征中基本属于断裂破坏，参与混凝土抗压剪过程，在水泥石中能起到“加筋”效果。根据吴中伟先生中心质假说认为，细集料在混凝土中形成次级中心质效应，尤其是I组分颗粒间形成的次骨架结构（相对粗集料形成的骨架结构而言），混凝土中的次骨架能进一步阻止裂缝在水泥石中的延伸，并改变裂缝发展方向，同时阻止混凝土的侧向变形，并与水泥石共同形成界面区，为粗集料提供抗压支撑，延缓了试件破坏，从而提高了混凝土断裂韧度及强度。因此，机制砂I组分颗粒含量及其颗粒间组成比例对细集料次骨架结构的形成、混凝土强度的提高与工作性能的改善具有重要作用。
4结论与建议
（1）细度模数仅是表征砂的粗细程度的宏观指标，无法反映颗粒级配的真实情况，不能作为判断砂品质好坏的衡量指标。颗粒级配才是机制砂品质好坏的内在决定因素，对混凝土强度及工作性能影响效果显著，生产时应得到严格控制，并使颗粒级配曲线具有骨架密实特征。
（2）以1.18mm筛孔为分界点，将机制砂颗粒组成分成I、II组分。I组分主要影响混凝土泌水性，II组分主要影响混凝土的保水性及黏聚性。为保证混凝土具有良好的工作性能，应使I、II组分的含量比例保持在1∶2左右，并有效控制I组分颗粒组成比例。
（3）在机制砂中，I组分含量及颗粒组成比例是影响混凝土强度的关键因素。由试验结果可得，宜将1.18mm筛档累计筛余百分率控制在级配中值附近，且4.75、2.36、1.18mm三筛档累计筛余百分率按2∶3∶1进行控制，有利于充分发挥I组分的填充密实与次骨架结构作用效应，从而提高混凝土的整体性能。
