0 引言
隨著天然砂資源逐漸耗盡[1]，機制砂將作為一種新材料得到廣泛的應用，機制砂顆粒多稜角，針片狀顆粒含量較高，達到同工作性能要求，機制砂混凝土需要更多的水和漿體[4]，因而混凝土配合比和性能與天然砂混凝土存在較大的區別。另一方面，幹法制砂生產的機制砂含有大量的石粉，這也是機制砂與天然砂最大的不同點，鑑於此，當前混凝土配合比設計方法並不能照搬到機制砂混凝土的設計上，工程實踐也表明按照傳統的配合比設計方法，並不能配製出工作性能良好的混凝土[2][3]。本文通過研究水膠比和砂率的相互影響以及雙因素變化對混凝土工作性能、力學性能和耐久性能範圍，提出了機制砂混凝土配合比設計參數的合理調整範圍。
1 試驗
1.1 試驗材料
水泥採用台州海螺P.O 42.5；粉煤灰為二級粉煤灰，礦粉為S95礦粉；細骨料為石粉含量9.7%的凝灰岩機制砂，主要性能指標見表1；粗骨料為凝灰岩碎石，4.75～16mm和16～25mm兩檔級配，混合比例為3:7；外加劑為浙江五龍聚羧酸高效減水劑，減水率25%。
1.2 試驗方法
新拌混凝土的坍落度按《普通混凝土拌和物性能試驗方法》（GB/T50080—2002）進行；混凝土抗壓強度、抗折強度按《普通混凝土力學性能試驗方法》（GB/T50081—2002）進行；水泥砂漿的幹縮試驗按《水泥膠砂幹縮試驗方法》（JCT 603—2004）相關規定進行；機制砂混凝土的抗氯離子滲透性能採用RCM進行評定，測試具體方法按《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法》（GB/T50082—2009）相關規定進行。
1.3 配合比設計
對工程常用的C30，C40，C50混凝土，通過測定不同水膠比下不同砂率機制砂混凝土的性能，研究砂率、水膠比對不同強度等級混凝土性能的影響，具體試驗方案見表2。
每個強度等級取兩個水膠比，較低的水膠比與天然砂混凝土配合比一致，在此基礎上增加0.03得到另一個水膠比。砂率的選擇考慮不同強度等級的混凝土選擇範圍不同，C30設計砂率為40%～48%，C40為38%～46%，C50為36%～44%。
混凝土的耐久性試驗配合比基於表3中的配合比，優選出工作性能最好的幾組配合比，研究配合比參數變化對耐久性的影響，並與天然砂混凝土進行比較，選用的配合比如表3所示。
2 結果與分析
2.1 對工作性能和力學性能的影響
圖1清楚地表明瞭砂率對混凝土坍落度的影響規律。可以發現，水膠比並不是影響混凝土坍落度的唯一因素，在相應的砂率範圍了三種強度等級的混凝土的坍落度都隨砂率的變化出現先增大後減小的趨勢（除了w/c=0.39這組，可能實驗過程存在誤差），即使水膠比較低時，只要砂率適宜，混凝土也能表現出較好的工作性能。砂率對混凝土工作性能的影響是基於砂漿對粗骨料的包裹性，由於機制砂顆粒多稜角，形成的砂漿流動性不如天然砂砂漿，為達到與天然砂混凝土相近的工作性能，機制砂混凝土則需要更多的砂漿，也就需要提高砂率，然而提高砂率帶來的是細集料的總比表面積增加，需要更多的水泥漿體去包裹機制砂，如果沒有足夠的漿體，提高機制砂混凝土的砂率反而會使混凝土的工作性能下降，這也是圖1中，砂率提高到一定程度後坍落度又下降的原因。對於機制砂混凝土，提高砂率是有效的改善混凝土和易性的手段，即使在水膠比較小時，通過優選砂率可以獲得工作性能優良的拌和物。
圖2總結了砂率和水膠比對混凝土28d抗壓強度的影響規律。機制砂混凝土的28d強度明顯高於設計強度，而且即使提高水膠比，混凝土的強度仍然保持在較高的水平，這與何盛東[7]研究結果是一致的，認為混凝土的抗壓強度與顆粒的稜角度相關，稜角狀顆粒會提高強度。另外集料表面的紋理對強度也有顯著的影響，粗糙的顆粒表面可以提高顆粒與漿體之間的黏結，從而提高強度。
另一方面，隨著砂率的變化，28d抗壓強度值呈現出不規律的變化狀態，特別是從平均值的變化曲線可以看出，平均值趨於平緩。但是如果拌和物的工作性能太差，則可能導致混凝土強度偏低，如C50混凝土，當w/c=0.36，砂率為36%時，混凝土嚴重離析，這導致混凝土硬化後內部存在很多缺陷，最終28d抗壓強度只有57.3MPa，明顯低於其他值。
2.2 對耐久性的影響
混凝土體積穩定性用水泥膠砂幹縮性能來代替，根據《水泥膠砂幹縮試驗方法》（JC/T 603—2004）各組混凝土相應的砂漿幹縮性能如表4所列。
幹縮是引起水泥混凝土開裂的主要原因之一，直接影響混凝土的耐久性。從表4的結果來看，水泥膠砂的幹縮值隨著水膠比的減小而降低，這和當前的研究結果是一致的。在低水膠比條件下，水泥基材料水化形成的孔隙以封閉孔為主，在乾燥環境中很難使得內部孔隙失水，所以水膠比減小時，材料的收縮也會降低。另一方面，在使用機制砂替代天然砂後，在水膠比相近的情況下，試件的收縮率明顯降低，即使在水膠比大幅提高，機制砂砂漿的收縮值仍處在和天然砂同樣的水平，這樣的結果說明機制砂對降低水泥基材料的收縮是有利的。機制砂中的石粉可以提高集料的堆積密度，在水泥水化過程中阻止毛細孔道的形成[8]，試驗中採用的機制砂含有10%左右的石粉，混凝土更為密實，可供自由水蒸發的通道少，從而使砂漿的收縮量變小，提高混凝土的體積穩定性。但是機制砂中石粉含量過多或過少都不利於混凝土的體積穩定性，石粉含量太少，不能有效填充空隙，而石粉含量過多時，會導致混凝土中漿料過多，包裹骨料的漿體變厚，降低了骨料間的嵌鎖效應，不能形成穩定的骨架，而且石粉是惰性材料，不參與水泥水化反應，過多的石粉也會使骨料間的黏結力減弱，導致收縮的加劇。結合目前的研究結論和本課題的試驗結果，機制砂中的石粉含量範圍在8%～15%為宜。
混凝土長期抗氯離子滲透性能的試驗結果如表5所示。
對於中低強度混凝土C30和C40，當水膠比相近時，機制砂混凝土具有更好的抗滲性能，但是過多的提高水膠比會導致機制砂混凝土的水膠比下降。而對於高強混凝土，機制砂混凝土的抗滲性能略低於天然砂混凝土，但增幅不大。一般對於C50混凝土，氯離子擴散係數控制在範圍，因此即使機制砂混凝土提高水膠比後仍能滿足耐久性要求，但在高強混凝土中，為了改善混凝土和易性而提高水膠比應慎重。
3 結語
通過水膠比和砂率對混凝土性能全面系統地研究，可以發現機制砂混凝土配合比設計參數的調整不是千篇一律的，其調整規律可總結為：
提高砂率是改善機制砂混凝土和易性的有效措施，C30，C40和C50的最優砂率分別為46%，44%～46%和42%～44%，相對於天然砂混凝土分別提高了3%，4%～6%和5%～7%；
對於C30和C40混凝土，機制砂混凝土的水膠比可提高0.05左右，能夠改善混凝土的工作性能，並對力學性能和耐久性沒有太大影響，但對於C50以上的高強混凝土，應避免提高水膠比，宜通過採用最佳砂率改善混凝土工作性能。
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