0引言

随着我国基础设施建设的快速发展，各地特大型桥梁建造增多，高性能混凝土需求骤增。但在我国偏远地区，尤其是西部高海拔艰险山区，天然河砂资源匮乏，运输不便，再加上各地环保、限采政策的实施，使用机制砂制备高性能混凝土已成为必然趋势。机制砂在母岩岩性、颗粒形貌等方面与河砂存在显著差异，进而导致其对混凝土性能有一定的影响。

宋少民等发现，由不同母岩机制砂制备的混凝土工作性存在显著差异，主要原因是不同母岩机制砂对减水剂的适应性、吸附性不同。

冯琼等研究了不同岩性的石粉对水泥砂浆性能的影响，结果表明，石灰岩石粉能促进水化碳铝酸钙的生成，提升砂浆的早期强度曰凝灰岩和玄武岩石粉能与水泥水化产物Ca(OH)2发生火山灰反应生成C-S-H凝胶，增强砂浆的后期强度。

陈敦法等采用数字图像处理技术测定了苑种花岗岩机制砂和河砂的粒形特征，结果表明，砂颗粒的纵横比、半径比、圆度和粒型源个参数之间存在较强的相关性。

何辉等研究发现，机制砂的纵横比与片状颗粒含量的相关性最强，与椭圆系数、规则度的相关性次之，与圆形度的相关性较低。

周新文等采用DIP技术对机制砂、河砂颗粒形状进行了表征，发现机制砂颗粒的棒状和片状程度高于河砂。

胡晓曼等认为，机制砂颗粒粗糙、不规则的表面形态有助于增强混凝土内部界面的黏结，但粒型的差异会改变其堆积状态，粒型越规整，堆积越密实，空隙率越小曰粒型越不规则，颗粒间嵌挤越显著，空隙率越大，而这种空隙率的差异会影响混凝土的强度。

综上，目前关于机制砂粒型、级配对混凝土性能的影响研究较多，但关于机制砂整体理化特性对混凝土性能的影响研究相对较少。

鉴于此，本文研究机制砂物理化学特性（吸水率、压碎指标、棱角性、岩性、化学组成、矿物组成）对混凝土性能的影响，以期为机制砂品质的评定及机制砂在西部地区混凝土中的应用推广提供参考。

1试验概况

1.1原材料

水泥：P·O42.5级水泥，基本性能如表1所示。

粉煤灰：F类玉级粉煤灰，需水量比为94.4%，45μm方孔筛筛筛余为10.4%。

矿渣粉：S95级矿渣粉，比表面积为413m2/kg，流动度比为100%，7d和28d活性指数分别为79%和110%

细骨料：武汉周边砂场提供的河砂（以下简称HS），颗粒多呈圆状或次圆状，表面相对光滑曰桥址地区厂家生产的机制砂，筛分成与HS相同级配的3种机制砂，以下分别简称S1、S2、S3，3种机制砂的颗粒形貌相似，多呈棱角状，且表面粗糙。砂的级配见表2。

粗骨料：粒径5～10mm、10～20mm的碎石，质量比为2:8。

减水剂：高效聚羧酸减水剂，减水率为27%。水：自来水。

1.2试验设计

为研究不同物理化学特性的机制砂对混凝土性能的影响，通过前期试验试配，设计了砂浆、混凝土的配合比，分别见表3、表4。

1.3性能测试

机制砂的矿物组成和化学成分：采用X射线衍射仪（XRD）和X射线荧光光谱仪（XRF）分析机制砂的矿物组成和化学成分。

流变性能：采用流变仪进行砂浆流变性能测试，流变仪转子速度从0逐渐增至8r/s，90s后再降至0，记录转速为8r/s时砂浆的屈服应力随剪切速率的变化。

工作性：参考GB/T50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行混凝土的坍落度、扩展度测试。

力学性能：参考GB/T50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行混凝土抗压强度测试。

干燥收缩：参考GB/T50082-2024《混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行混凝土干燥收缩测试。

微观分析：将标准养护7d的砂浆试件敲碎、取样，研磨至细度可完全通过80μm方孔筛，采用X射线衍射仪对样品的水化产物进行分析，采用扫描电镜对样品进行微观形貌分析。

2试验结果分析

2.1砂的性能

机制砂的矿物组成和化学成分见表5，砂的基本性能见表6。

由表5、表6可知，S1、S2中SiO2含量较高，属于偏硅质岩性的机制砂，S3中CaO含量相对较高，属于偏钙质岩性的机制砂。总体来看，与HS相比，机制砂的吸水率较高，压碎指标较低，多棱角。

2.2流变性能

图1为砂浆的剪切速率-剪切应力关系曲线。

由图1可知，各组砂浆的剪切应力（流动时的阻力）随剪切速率（流动速度）的增加而增加，在砂浆即将开始流动的临界状态（低剪切速率阶段，接近屈服点），HS砂浆的屈服应力（开始流动时的阻力）最小，S2砂浆的屈服应力低于S3砂浆，但流动后，S2砂浆的剪切应力增长更快。当剪切速率大于4s-1时，S2砂浆的剪切应力及黏度（剪切应力与剪切速率之比）均大于其他组，表明S2对砂浆流变性能的影响最显著。

2.3工作性

混凝土的工作性见表7。

由表7可知，各组混凝土的工作性和砂浆的流变性能变化趋势相似。在相同配合比条件下，HS混凝土的黏聚性、扩展度和坍落度均优于机制砂混凝土，且各组混凝土均不存在泌水、离析的情况，S3混凝土的工作性优于其他机制砂混凝土，S2混凝土的工作性最差。结合表6可知，吸水率较高的砂会导致浆体含水量减少，浆体中砂颗粒间的内摩擦力增大，浆体流动时需要克服更大的摩擦应力曰此外，机制砂颗粒多棱角，圆形度较差，在浆体中，机制砂间的润滑效应较差，从而阻碍了浆体的流动。因此，砂的粒形越多棱角，吸水率越高，混凝土的工作性越差。

2.4力学性能

混凝土的抗压强度见图2。

结合表6、图2可知，随着砂压碎指标的降低，混凝土的抗压强度增加。此外，棱角性较大的机制砂混凝土抗压强度高于HS混凝土约15%以上。随着棱角性的增大，砂颗粒间形成了更好的野啮合冶结构，增加了各组分间的相对滑移阻力，这虽然会导致混凝土的工作性下降，但提高了抗压强度。

2.5干燥收缩

混凝土的干燥收缩见图3。

由图3可知，HS混凝土较机制砂混凝土的干燥收缩更小，这是因为机制砂的表面粗糙且粒形多棱角，在混凝土中颗粒间的摩擦力较大，使混凝土内部应力分布不均匀，从而导致干燥收缩增加。S3混凝土较S1、S2混凝土的干燥收缩更大，这可能是因为S3中CaO含量较高，其活性优于S1、S2中的SiO2，能更充分地与水泥水化生成的硅酸盐相发生反应，加速二次水化进程，而水化产物生成量与生成速率的差异直接影响了混凝土的体积稳定性，故S3混凝土的干燥收缩加剧。

2.6水化产物

砂浆样品的XRD分析结果如表8所示。

由表8可知，S3砂浆样品中Ca(OH)2含量较少，生成的水化产物的量高于S1、S2砂浆样品，表明S3与胶凝材料体系之间的微反应可能会消耗水泥水化生成的Ca(OH)2，间接促进了硅酸盐矿物的水化进程，优化了试件内部结构的致密性，从而提高了强度。此外，文献[7-11]研究也指出，由石灰石破碎而成的机制砂主要成分是CaCO3，该钙质机制砂在混凝土内部的高碱环境中，其表面会发生微弱的化学反应，促进水泥中C3S和C3A的水化，这也印证了S3砂浆中类似的微观反应对强度提高的积极作用。

2.7微观形貌

砂浆样品胶凝材料-砂界面过渡区的微观形貌见图4。

由图4可知，S3的颗粒形状和表面纹理不如S1、S2规整，S3砂浆样品内浆-骨界面过渡区的不规则形貌使其收缩应力在棱角处集中，二次水化产物的体积变化较大，而S1、S2均与水泥浆体的黏结较为紧密，微观结构的整体性更好，可更好地约束收缩变形，故S1、S2混凝土的干燥收缩较S3混凝土小。周明凯等通过SEM观测发现，机制砂与水泥石形成的界面过渡区厚度更薄，生成的晶体尺寸更小，对应的宏观试件力学性能更优，收缩表现更小，与本文结论一致。

3结论

（1）S1、S2中SiO2含量较高，属于偏硅质岩性的机制砂，S3中CaO含量相对较高，属于偏钙质岩性的机制砂。总体来看，与HS相比，机制砂的吸水率较高，压碎指标较低，多棱角。

（2）机制砂混凝土的抗压强度优于HS混凝土，且机制砂的压碎指标越低，混凝土的抗压强度越高曰由于机制砂颗粒棱角较多，且吸水率较高，机制砂混凝土的工作性和砂浆的流变性能较差。