机制砂混凝土配合比及性能试验分析

前言

近年来，随着建筑规模的持续扩大，天然砂资源愈发稀缺，机制砂作为替代材料在混凝土工程中应用逐渐广泛。但是，机制砂的特性导致其混凝土在配合比设计与性能控制上面临一些挑战。基于此，本文结合相关的工程案例开展了研究发现，机制砂混凝土往往由于配合比不当出现工作性能不良、强度较低等问题。现有的研究虽涉及石粉含量、用水量、外加剂等因素对机制砂性能的影响，但缺乏对此类因素协同作用的系统性探索。本文立足实际需求，通过性能试验深入分析机制砂混凝土配合比参数与特性的关联，创新提出优化机制砂混凝土性能的措施，希望为机制砂混凝土在工程建设中的科学应用提供理论支持与实践指导。

一、原材料和试验方法

（一）原材料

本研究以郑州航空港区河东三街跨南水北调总干渠桥梁项目为例，该项目因天然砂供应受限，大量采用机制砂醋制混凝土。

本项目中选择的水泥为：P·O42.5 普通硅酸盐水泥，相关参数如表 1 所示。该水泥安定性合格，初凝时间为：224min，终凝时间为： 303min ，可为混凝土凝结过程提供合理的时间范围，适配桥梁工程混凝土浇筑施工的节奏；3 天抗压强度达 31.5MPa，28 天的抗压强度达 51.9MPa，3 天的抗折强度达 5.9MPa，28天的抗折强度达 8.9MPa。具备良好的强度发展特性，能保证桥梁结构在不同龄期的承载力需求，为机制砂混凝土配比提供稳定的胶凝基础。

2.外加剂

本项目中使用的外加剂为：聚羧酸高性能减水剂。这种外加剂的减水率

225.0% ，能显著降低机制砂混凝土的拌合用水量，使混凝土的工作性能得到改善，解决因机制砂颗粒形貌、级配特点可能引起的混凝土黏稠、流动性差等问题；净浆流动度 ≥230mm ，可提高水泥浆体的流动性和分散性，促进浆体包裹机制砂颗粒，优化混凝土和易性；硫酸钠含量≤10、氯离子含量 ≤0.5% ，可预防氯离子侵蚀引起钢筋锈蚀风险，唯桥梁结构的耐久性，适合市政桥梁工程对混凝土长期性能的严格要求。

3.机制砂

本项目中所使用的机制砂取自郑州本地石料加工厂，以石灰岩为原材料通过破碎、筛分加工而成。在该市政桥梁工程中，机制砂需适配桥梁结构混凝土的性能需求，其颗粒级配、石粉含量等数据需严格控制。经调整破碎设备筛网规格与筛分工艺，将机制砂强度模数控制在合理范围内（本工程经试验优化后控制为：2.8-3.2），使机制砂不仅有足够粗颗粒构建混凝土骨架，保证强度；还有适量的细颗粒填充空隙，优化混凝土密实度；而且，将石粉含量控制在 ，石粉能发挥微集料效应，参与水化反应，使混凝土内部微观结构改善，但过量会增加需水量、降低强度。因此，必须根据工程试验明确适配区间，这样可为桥梁工程机制砂混凝土配合比设计提供关键依据[1]。

（二）机制砂混凝土的配合比与拌合方法

1.配合比设计

以多变量协同优化为核心逻辑，合理运用机制砂替代天然河砂，设置 13 组实验性配比（见表 2）。固定水胶比为：0.43，保持水泥与硅灰总添加量恒定，通过调整硅灰掺量（占胶凝材料总质量： 0.0% 、 7.5% 、 15.0% ），探索其对混凝土微观结构致密性的影响；并且引入钢纤维体积掺量变量（ 0.0% 、 0.5% 、 1.0% 、1.5% ），匹配桥梁受弯、抗裂等复杂受力场景。比如，M7.5-1.5 组中，硅灰掺量：7.5% 协同钢纤维体积掺量 1.5% ，旨在强化混凝土抗拉与抗冲击性能，适配桥梁支座、桥墩等关键部位需求。

2.拌合方法

主要运用“分层投料，梯度搅拌”工艺，首先，把机制砂、粗骨料干拌 60s，利用机制砂颗粒棱角性优化骨料级配填充；其次，投入水泥、硅灰干拌 90s，促进胶凝材料均匀包裹；再次，钢纤维与 50.0% 拌合水，低速搅拌 120s，避免钢纤维结团；最后，加入剩余水和减水剂，调整搅拌 180s，保障混凝土拌合物匀质性。在项目实施中，通过控制搅拌速度（低速： 30r/min 、高速 60r/min ）与总时长（450s），有效解决机制砂与钢纤维混合易团聚、混凝土流动性调控难等问题，保证出机混凝土的坍落度稳定在设计区间，为桥梁整体浇筑质量提供工艺保障[2]。

二、机制砂混凝土的性能试验方法

在郑州航空港区河东三街跨南水北调总干渠桥梁项目中，为精准评判机制砂混凝土适配性，开展了针对性的性能试验。首先，工作性能测试。运用坍落度（如图 1 所示）与扩展度联合测试，适配桥梁浇筑需求。按标准水族中测定坍落度，观察拌合物黏聚性、保水性，抽检墩柱、梁体浇筑的基础工作性；扩展度测试借助倒置坍落度筒，测量混凝土流淌直径与形态，保证钢筋密集区填充性，避免因机制砂特性引发的施工缺陷。其次，针对桥梁受力特点，开展抗压、抗拉测试。以 150mm 立方体试件，测 3 天、7 天、28 天的强度，明确强度发展规律，匹配施工工期和承载要求；棱柱体试件四点弯曲试验，模拟受弯工况，探究硅灰钢纤维掺量对开裂荷载与抗拉强度的影响，为支座等易裂部位提供依据。最后，耐久性试验。根据流域环境，开展抗渗、抗冻试验。抗渗用渗透仪施加梯度水压，测渗水调度和系数，评估抗渠道水侵蚀能力；抗冻采用快速冻融循环，监测 300次循环后质量损失和弹性模量变化，保证桥梁长期耐久性，为配合比优化、施工工艺高速提供支持，助力项目打造优质工程[3]。

结论

总之，本文针对机制砂混凝土配合比及性能试验开展了研究，结合相关的工程项目实践，明确了多变量协同优化的配合比设计思路与分层拌合工艺的有效性。研究结果揭示硅灰与钢纤维对混凝土力学性能的增强机制，验证了机制砂在桥梁工程中的适用性。未来，应进一步探究极端环境下的性能调控方法，为机制砂混凝土的广泛应用提供更全面的技术支持。

参考文献：

[1]刘静,宋少民,彭天.基于机制砂的预拌混凝土配合比设计研究[J].混凝土世界,2025,(01):29-36.

[2]梅庆林.机制砂改性混凝土配合比及力学性能分析[J].宜春学院学报,2025,47(03):41-44+63.

[3]商庆宝, 王晓东. 机制砂参数对混凝土性能的影响[J]. 工程技术研究,2025,10(08):111-113.