0 引言
随着天然砂资源逐渐耗尽[1]，机制砂将作为一种新材料得到广泛的应用，机制砂颗粒多棱角，针片状颗粒含量较高，达到同工作性能要求，机制砂混凝土需要更多的水和浆体[4]，因而混凝土配合比和性能与天然砂混凝土存在较大的区别。另一方面，干法制砂生产的机制砂含有大量的石粉，这也是机制砂与天然砂最大的不同点，鉴于此，当前混凝土配合比设计方法并不能照搬到机制砂混凝土的设计上，工程实践也表明按照传统的配合比设计方法，并不能配制出工作性能良好的混凝土[2][3]。本文通过研究水胶比和砂率的相互影响以及双因素变化对混凝土工作性能、力学性能和耐久性能范围，提出了机制砂混凝土配合比设计参数的合理调整范围。
1 试验
1.1 试验材料
水泥采用台州海螺P.O 42.5；粉煤灰为二级粉煤灰，矿粉为S95矿粉；细骨料为石粉含量9.7%的凝灰岩机制砂，主要性能指标见表1；粗骨料为凝灰岩碎石，4.75～16mm和16～25mm两档级配，混合比例为3:7；外加剂为浙江五龙聚羧酸高效减水剂，减水率25%。
1.2 试验方法
新拌混凝土的坍落度按《普通混凝土拌和物性能试验方法》（GB/T50080—2002）进行；混凝土抗压强度、抗折强度按《普通混凝土力学性能试验方法》（GB/T50081—2002）进行；水泥砂浆的干缩试验按《水泥胶砂干缩试验方法》（JCT 603—2004）相关规定进行；机制砂混凝土的抗氯离子渗透性能采用RCM进行评定，测试具体方法按《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法》（GB/T50082—2009）相关规定进行。
1.3 配合比设计
对工程常用的C30，C40，C50混凝土，通过测定不同水胶比下不同砂率机制砂混凝土的性能，研究砂率、水胶比对不同强度等级混凝土性能的影响，具体试验方案见表2。
每个强度等级取两个水胶比，较低的水胶比与天然砂混凝土配合比一致，在此基础上增加0.03得到另一个水胶比。砂率的选择考虑不同强度等级的混凝土选择范围不同，C30设计砂率为40%～48%，C40为38%～46%，C50为36%～44%。
混凝土的耐久性试验配合比基于表3中的配合比，优选出工作性能最好的几组配合比，研究配合比参数变化对耐久性的影响，并与天然砂混凝土进行比较，选用的配合比如表3所示。
2 结果与分析
2.1 对工作性能和力学性能的影响
图1清楚地表明了砂率对混凝土坍落度的影响规律。可以发现，水胶比并不是影响混凝土坍落度的唯一因素，在相应的砂率范围了三种强度等级的混凝土的坍落度都随砂率的变化出现先增大后减小的趋势（除了w/c=0.39这组，可能实验过程存在误差），即使水胶比较低时，只要砂率适宜，混凝土也能表现出较好的工作性能。砂率对混凝土工作性能的影响是基于砂浆对粗骨料的包裹性，由于机制砂颗粒多棱角，形成的砂浆流动性不如天然砂砂浆，为达到与天然砂混凝土相近的工作性能，机制砂混凝土则需要更多的砂浆，也就需要提高砂率，然而提高砂率带来的是细集料的总比表面积增加，需要更多的水泥浆体去包裹机制砂，如果没有足够的浆体，提高机制砂混凝土的砂率反而会使混凝土的工作性能下降，这也是图1中，砂率提高到一定程度后坍落度又下降的原因。对于机制砂混凝土，提高砂率是有效的改善混凝土和易性的手段，即使在水胶比较小时，通过优选砂率可以获得工作性能优良的拌和物。
图2总结了砂率和水胶比对混凝土28d抗压强度的影响规律。机制砂混凝土的28d强度明显高于设计强度，而且即使提高水胶比，混凝土的强度仍然保持在较高的水平，这与何盛东[7]研究结果是一致的，认为混凝土的抗压强度与颗粒的棱角度相关，棱角状颗粒会提高强度。另外集料表面的纹理对强度也有显著的影响，粗糙的颗粒表面可以提高颗粒与浆体之间的黏结，从而提高强度。
另一方面，随着砂率的变化，28d抗压强度值呈现出不规律的变化状态，特别是从平均值的变化曲线可以看出，平均值趋于平缓。但是如果拌和物的工作性能太差，则可能导致混凝土强度偏低，如C50混凝土，当w/c=0.36，砂率为36%时，混凝土严重离析，这导致混凝土硬化后内部存在很多缺陷，最终28d抗压强度只有57.3MPa，明显低于其他值。
2.2 对耐久性的影响
混凝土体积稳定性用水泥胶砂干缩性能来代替，根据《水泥胶砂干缩试验方法》（JC/T 603—2004）各组混凝土相应的砂浆干缩性能如表4所列。
干缩是引起水泥混凝土开裂的主要原因之一，直接影响混凝土的耐久性。从表4的结果来看，水泥胶砂的干缩值随着水胶比的减小而降低，这和当前的研究结果是一致的。在低水胶比条件下，水泥基材料水化形成的孔隙以封闭孔为主，在干燥环境中很难使得内部孔隙失水，所以水胶比减小时，材料的收缩也会降低。另一方面，在使用机制砂替代天然砂后，在水胶比相近的情况下，试件的收缩率明显降低，即使在水胶比大幅提高，机制砂砂浆的收缩值仍处在和天然砂同样的水平，这样的结果说明机制砂对降低水泥基材料的收缩是有利的。机制砂中的石粉可以提高集料的堆积密度，在水泥水化过程中阻止毛细孔道的形成[8]，试验中采用的机制砂含有10%左右的石粉，混凝土更为密实，可供自由水蒸发的通道少，从而使砂浆的收缩量变小，提高混凝土的体积稳定性。但是机制砂中石粉含量过多或过少都不利于混凝土的体积稳定性，石粉含量太少，不能有效填充空隙，而石粉含量过多时，会导致混凝土中浆料过多，包裹骨料的浆体变厚，降低了骨料间的嵌锁效应，不能形成稳定的骨架，而且石粉是惰性材料，不参与水泥水化反应，过多的石粉也会使骨料间的黏结力减弱，导致收缩的加剧。结合目前的研究结论和本课题的试验结果，机制砂中的石粉含量范围在8%～15%为宜。
混凝土长期抗氯离子渗透性能的试验结果如表5所示。
对于中低强度混凝土C30和C40，当水胶比相近时，机制砂混凝土具有更好的抗渗性能，但是过多的提高水胶比会导致机制砂混凝土的水胶比下降。而对于高强混凝土，机制砂混凝土的抗渗性能略低于天然砂混凝土，但增幅不大。一般对于C50混凝土，氯离子扩散系数控制在范围，因此即使机制砂混凝土提高水胶比后仍能满足耐久性要求，但在高强混凝土中，为了改善混凝土和易性而提高水胶比应慎重。
3 结语
通过水胶比和砂率对混凝土性能全面系统地研究，可以发现机制砂混凝土配合比设计参数的调整不是千篇一律的，其调整规律可总结为：
提高砂率是改善机制砂混凝土和易性的有效措施，C30，C40和C50的最优砂率分别为46%，44%～46%和42%～44%，相对于天然砂混凝土分别提高了3%，4%～6%和5%～7%；
对于C30和C40混凝土，机制砂混凝土的水胶比可提高0.05左右，能够改善混凝土的工作性能，并对力学性能和耐久性没有太大影响，但对于C50以上的高强混凝土，应避免提高水胶比，宜通过采用最佳砂率改善混凝土工作性能。
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