机制砂颗粒级配对混凝土工作性及抗压强度的影响试验研究

引言

随着天然砂资源的日益枯竭和环境保护要求的不断提高，机制砂作为天然砂的替代材料在混凝土工程中得到了广泛应用。机制砂是由岩石经机械破碎、筛分制成的粒径小于 4.75mm 的岩石颗粒，其颗粒形状、级配特性与天然砂存在显著差异。颗粒级配作为机制砂的重要物理特性，直接影响混凝土的工作性、力学性能及耐久性。当前，关于机制砂混凝土的研究多集中在基本性能方面，而针对颗粒级配对混凝土性能影响的系统性研究相对不足。因此，开展机制砂颗粒级配对混凝土工作性及抗压强度影响的试验研究，对于优化机制砂混凝土配合比设计、提高工程质量具有重要意义。本文通过室内试验方法，系统分析了不同颗粒级配机制砂对混凝土工作性和抗压强度的影响规律，以期为机制砂混凝土的工程应用提供科学依据。

一、试验材料与方法

1.1 试验材料

试验采用 P.O42.5 普通硅酸盐水泥，其物理力学性能符合GB 175-2007标准要求；粗骨料为 5.25mm 连续级配碎石，表观密度 2650kg/m³ ，堆积密度 1520kg/m³ ；细骨料为机制砂，表观密度 2680kg/m³ ，石粉含量控制在 7% 以内；外加剂采用聚羧酸高性能减水剂，减水率 25% 以上；拌合水为普通自来水。

1.2 试验方案

试验设计了五种不同颗粒级配的机制砂，分别记为MS1、MS2、MS3、MS4 和 MS5。其中 MS1 为细颗粒偏多级配，MS2 为接近理想级配，MS3为中间粒径偏多级配，MS4 为粗颗粒偏多级配，MS5 为断级配。混凝土配合比设计强度等级为 C30，水胶比固定为 0.45，砂率调整为 38% 。每组级配制作3 个试件进行测试，取平均值作为试验结果。

1.3 试验方法

混凝土工作性测试依据GB/T 50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》，测定坍落度和扩展度；抗压强度测试依据 GB/T 50081-2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》，制作 100mm×100mm×100mm 立方体试件，标准养护至规定龄期后进行抗压强度试验。试验过程中严格控制环境温度为 20±2°C ，相对湿度不低于 60% 。

二、试验结果与分析

2.1 颗粒级配对混凝土工作性的影响

试验结果表明，机制砂颗粒级配对混凝土工作性具有显著影响。MS2组（接近理想级配）的坍落度和扩展度分别为 180mm 和 450mm ，工作性最优；MS1 组（细颗粒偏多）由于比表面积大，需水量增加，坍落度降至150mm ，扩展度降至 380mm ；MS3 组（中间粒径偏多）工作性略低于MS2组，但仍保持良好状态；MS4 组（粗颗粒偏多）由于颗粒间空隙大，拌合物黏聚性较差，出现轻微离析现象；MS5 组（断级配）工作性最差，坍落度仅为 120mm ，扩展度 320mm ，且和易性不良。分析认为，合理的颗粒级配能够形成良好的骨架结构，减少空隙率，从而改善混凝土的工作性。

2.2 颗粒级配对混凝土抗压强度的影响

不同颗粒级配机制砂混凝土的抗压强度测试结果显示，MS2 组 7d 和28d 抗压强度分别为 26.8MPa 和 38.5MPa ，均高于其他组别；MS3 组次之，7d 和28d 抗压强度分别为 25.9MPa 和 37.2MPa ；MS1 组由于细颗粒较多，需水量大，水胶比实际增大，强度有所降低；MS4 组因粗颗粒多，密实度较差，强度低于 MS2 和 MS3 组；MS5 组因级配不连续，内部缺陷多，强度最低，28d 抗压强度仅为 33.6MPa 。试验数据表明，机制砂颗粒级配通过影响混凝土密实度和界面过渡区质量，进而对抗压强度产生显著影响，合理的级配能够优化混凝土微观结构，提高力学性能。

2.3 颗粒级配优化建议

基于试验结果，机制砂颗粒级配优化应遵循以下原则：首先，控制细颗粒（ <0.315mm ）含量不超过 15% ，避免因比表面积过大导致需水量增加；其次，适当增加中间粒径（ 0.315⋅1.25mm ）颗粒比例至 35%-45% ，以形成良好的填充效应；再次，确保粗颗粒（ 1.25-4.75mm ）含量在 25%-35% 范围内，维持骨架结构稳定；最后，避免出现明显的级配断点，保证级配曲线的连续性。实际工程中，可通过调整破碎工艺和筛分参数来优化机制砂颗粒级配，从而获得性能优良的混凝土。

三、作用机理探讨

机制砂颗粒级配影响混凝土性能的作用机理主要体现在三个方面：一是颗粒填充效应，合理的级配能使不同粒径颗粒形成紧密堆积，降低空隙率，减少填充这些空隙所需的水泥浆量，从而在相同用水量下获得更好的工作性；二是比表面积效应，细颗粒含量增加会显著增大比表面积，导致需水量增加，影响混凝土工作性和强度发展；三是界面过渡区效应，良好的颗粒级配能够优化骨料与水泥浆体的界面结构，减少界面过渡区的薄弱环节，提高混凝土密实度和力学性能。此外，机制砂颗粒形状多为棱角形，与天然砂相比，其级配对混凝土性能的影响更为显著，因此需要更加精细的级配控制。

四、工程应用建议

在工程应用中，机制砂颗粒级配的控制应从源头抓起，破碎设备的选择和工艺参数的设置对最终产品级配具有决定性影响。建议采用多级破碎工艺，结合闭路循环筛分系统，以获得级配连续、粒形良好的机制砂。对于不同强度等级的混凝土，机制砂级配要求也应有所区别：高强度混凝土应严格控制细颗粒含量，适当增加中间粒径比例；普通强度混凝土则可适当放宽级配要求，但仍需避免断级配现象。此外，机制砂生产过程中应建立严格的级配检测制度，定期进行筛分试验，及时调整生产工艺参数，确保产品质量稳定。在混凝土配合比设计时，应根据机制砂实际级配情况调整砂率和用水量，通过试配确定最佳配合比参数。

五、结论

本研究通过系统试验，得出以下主要结论：机制砂颗粒级配对混凝土工作性和抗压强度具有显著影响，合理的级配能够显著改善混凝土综合性能；接近理想级配的机制砂混凝土工作性最优，坍落度和扩展度分别达到180mm 和 450mm ；合理的颗粒级配能够优化混凝土密实度，提高抗压强度，28d 抗压强度最高可达 38.5MPa ；机制砂颗粒级配优化应控制细颗粒含量不超过 15% ，中间粒径颗粒比例保持在 35%45% ，粗颗粒含量控制在 25%-35% 范围内，并避免出现明显的级配断点。研究成果为机制砂在混凝土工程中的科学应用提供了理论依据和技术支持，对推动机制砂的规范化使用具有积极意义。

参考文献

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