0.引言
水泥混凝土是一种由硬化水泥浆体，砂及粗骨料组成的复合材料。目前，砂主要分为天然砂和机制砂。近年来随着天然砂资源的过度开采和社会对生态环境的重视，天然砂逐渐被机制砂替代。然而，机制砂通常具有粒型较差、石粉含量高、颗粒级配不连续等缺点，因此利用机制砂配制的混凝土容易产生泌水、离析等不良现象，进而影响混凝土的力学性能及耐久性。在实际生产中，机制砂的颗粒形状、粒径、颗粒级配及坚固性等性能都难以改变。在水泥混凝土中，粗骨料约占混凝土体积的40% ～50% ，粗骨料的力学性能、堆积密度及表面形状等直接影响混凝土的力学性能及耐久性。因此，可以通过设计混凝土中的粗骨料级配，使粗骨料与机制砂实现颗粒的连续级配，提高机制砂混凝土的工作性及力学性能，进而推广机制砂混凝土的实际工程应用。
本文在机制砂混凝土的抗压强度满足C40 强度等级的基础上，通过优化粗骨料级配，研究粗骨料级配对混凝土的坍落度、扩展度和抗压强度的影响，提出最佳粗骨料级配，技术路线简单、易实现，并为机制砂混凝土的实际生产提供参考。
1 原材料及试验方法
1.1 原材料
（1 ）水泥重庆富皇水泥有限公司生产的P·O42.5水泥，标准稠度用水量为28.5%，比表面积为30260cm2/g ，初凝时间为160min，终凝时间为215min，化学成分分析结果见表1。
（2 ）粉煤灰贵州明川粉煤灰有限公司生产的II级粉煤灰，45μm方孔筛筛余量为29.9%，其化学成分分析见表1。
（3 ）机制砂贵州秀印五分部2号砂石料场生产的机制砂，细度模数为2.9，含泥量小于1%，亚甲蓝值为0.8g/kg，石粉含量为8.8%，压碎指标值为20%，机制砂的筛分曲线见图1。由图1可知，所生产的机制砂符合贵州地区标准（DB24016—）I区砂的要求。
（4 ）粗骨料贵州秀印五分部2号沙石料场生产的5～25mm 粗骨料，含泥量为0.5%，针、片状颗粒含量为3.5%，压碎值为18.8%，堆积密度为1520kg/m3，表观密度为2706kg/m 3。
（5 ）减水剂广东红墙新材料股份有限公司生产的CSP-10聚羧酸高性能减水剂，含固量为20%±2%，减水率为28%。
1.2 试验方法
根据JGJ55 —《普通混凝土配合比设计规程》设计抗压强度满足C40等级要求的机制砂混凝土，得出配合比如表2。粗骨料空隙率测试按照JTGE42—《公路工程集料试验规程》进行；新拌混凝土工作性能按照GB/T50080—《普通混凝土拌和物性能试验方法标准》进行测试；抗压强度测试按照GB/T50081《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行。
注：表中外加用量为：3.7
2 实验结果与分析
在粗骨料连续级配的条件下，设计不同的粗骨料级配，其结果见表3 。
2.1 粗骨料的空隙率
在连续级配颗粒中，粒径相对较大的颗粒首先占据一定的体积空间，粒径相对较小的颗粒填充于大骨料之间的空隙中。良好的骨料级配具有较低的空隙率，可以降低混凝土中水泥的用量，提高混凝土的体积稳定性。粗骨料级配对空隙率与堆积密度的影响如图2 所示。
由图2 可以看出，当5～10mm 粒径的粗骨料含量为5%时，随着10～16mm 粒径的粗骨料含量的增加，粗骨料的堆积密度增大，空隙率逐渐减小。当5～10mm 粒径的粗骨料含量相同时，A组空隙率＞B组空隙率＞C组空隙率，C组堆积密度为1535kg/m3，空隙率为43.3% 。此外，当10～16mm 粒径的粗骨料含量为45%时，随着5～10mm 粒径的粗骨料含量的增加，粗骨料的空隙率先减小再增大。当5～10mm 粒径含量为10%、10～16mm 粒径含量为45%、16～25mm 粒径含量为45%时，粗骨料堆积密度最大，空隙率最低，即E组的空隙率为42.5%，表观密度为1555kg/m3。
2.2 机制砂混凝土的工作性
机制砂颗粒通常表面粗糙、棱角多，且级配不良，在配制混凝土时，导致用水量相对较大，容易出现离析现象，因此机制砂混凝土的工作性通常较差。粗骨料级配对机制砂混凝土的坍落度及扩展度的影响见图3 ，4。
由图3 可以看出，粗骨料级配对机制砂混凝土的坍落度及扩展度具有显著的影响。当5～10mm 粒径的粗骨料含量为5%时，随着10～16mm 粒径的粗骨料含量的增加，混凝土的坍落度和扩展度都增大；当5～10mm 粒径的粗骨料含量为10%时，E组的工作性最佳，扩展度为410mm，坍落度为200mm；当10～16mm 粒径的粗骨料含量为45%时，机制砂混凝土的坍落度均大于其他几组；当16～20mm 粒径的粗骨料含量为70%时，混凝土的坍落度及扩展度均最低。这说明粗骨料的紧密堆积程度会显著影响机制砂混凝土的工作性，其拟合关系如图4。从图4可以看出，粗骨料空隙率与机制砂混凝土的坍落度及流动度具有显著的线性关系，说明粗骨料的紧密堆积能改善混凝土的工作性。这主要是由于混凝土粗骨料提供骨架作用，浆体包裹骨料的表面并填充空隙中，混凝土的工作性主要是由骨料表面包裹的浆体提供，粗骨料实现紧密堆积，可以减小填充空隙的浆体用量，包裹在骨料表面的浆体增多，因此骨料间滑动摩擦力降低，颗粒间相对容易滑动，工作性得到改善。
2.3 机制砂混凝土的抗压强度
混凝土是一种由硬化水泥石和骨料组成的两相复合材料，骨料约占混凝土体积的60%~70% 。在混凝土中，粗骨料主要提供了骨架作用，其紧密堆积程度显著影响混凝土的力学性能，图5为粗骨料级配对混凝土抗压强度的影响。
从图5 可以看出不同粗骨料级配的混凝土各龄期强度差异均较大，当粗骨料空隙率最小时，即E组的机制砂混凝土的抗压强度最高，3d，7d，28d，90d抗压强度分别为30.7，35.6，45.6，51.2 MPa。由图2可知A组堆积密度最低，空隙率最大，粗骨料级配最差。相比A组，E组机制砂混凝土3d抗压强度提高14.6%，7d抗压强度提高10.9%，28d抗压强度提高10.9%，90d抗压强度提高20.4%，说明粗骨料级配
对混凝土抗压强度影响较大，特别是后期抗压强度（90d ）。主要原因是混凝土抗压强度受硬化水泥浆体与骨料性能两方面影响。水泥早期水化时，硬化浆体数量较少，不能有效地填充混凝土的空隙，此时抗压强度是由骨料提供；水泥水化后期，水化速率降低，硬化浆体结构稳定形成，混凝土的抗压强度主要受骨料和硬化浆体两个因素影响，水化产物逐渐填充空隙中，进一步提高了骨料的紧密堆积程度，因此抗压强度得到显著提高。
3 结语
（1 ）粗骨料的级配显著影响其空隙率及堆积密度，当粗骨料中5～10mm 粒径的粗骨料含量为10%、10～16mm 粒径的粗骨料含量为45%、16～25mm 粒径的粗骨料含量为45%时，粗骨料的紧密堆积程度最大，其表观密度为1555 kg/m3，空隙率为42.5% 。
（2 ）当10～16mm 粒径的粗骨料含量为45%时，5～10mm 粒径的粗骨料含量为5～15% ，16～20mm 粒径的粗骨料含量为40%～50% ，机制砂混凝土的坍落度为190～200mm 、扩展度在395～410mm 。
（3 ）优化粗骨料级配，可以降低骨料堆积的空隙率，改善机制砂混凝土的坍落度及扩展度。当粗骨料堆积的空隙率最低时，机制砂混凝土坍落度可达200mm、扩展度可达410mm。
（4 ）降低粗骨料的空隙率，可以提高混凝土的抗压强度。当粗骨料空隙率最小时，机制砂混凝土抗压强度最高，其3d、7d、28d和90d抗压强度分别为30.7，35.6，45.6和51.2MPa，抗压强度满足C40等级要求。（来源：《水泥工程》.01）
