0 引 言

自21世纪以来，我国城镇化规模日益扩大，基础设施的尺寸以及结构的复杂程度不断提升，建筑物中需要配置大量的钢筋以保证结构的安全性，而这也导致了混凝土浇筑是的振捣难度显著提升。自密实混凝土无需附加振动，在重力作用下完全填充模板的同时拥有良好的均质性，因而广泛应用于实际工程中^[,]。

周虎^[]等人采用大量的掺合料替代水泥，制备出不同强度等级的自密实混凝土具有良好流动性的同时，不会发生沁水和离析。胡红梅^[]等人通过实验发现在自密实混凝土中进行石灰石粉与矿粉复掺，不仅能够提升混凝土的流动性，还能提高混凝土的的抗压强度。张向冈^[]等人探究了不同轻骨料等体积取代普通粗骨料的自密实混凝土的工作性能，结果表明单掺情况下，当河砂取代率为20%，石灰岩碎石取代率为25%时，混凝土的特征强度和比强度得到显著提升。

在混凝土制备中，砂是不可或缺的粗骨料，主要分为天然砂和人工制造的机制砂两种类型。目前，由于天然河砂的开采量过大，导致其资源日益稀缺。因此，采用机制砂来替代天然砂，成为混凝土产业实现可持续性发展的必然选择^[,]。尽管如此，机制砂在自密实混凝土中的应用比例仍然不高，这主要是因为它存在一些固有问题，如颗粒级配不均匀、颗粒形状不佳以及石粉含量偏高等。

为了推动机制砂在自密实混凝土中的广泛应用，解决当前面临的限制性问题至关重要。因此，探究不同因素对机制砂自密实混凝土的工作性能和强度的影响，并深入研究其性能表现，对促进机制砂在该工程领域的应用具有积极意义。

1 实 验

1.1原材料

原材料的质量状况直接关乎自密实混凝土拌合物的自密实特性，并且对混凝土在硬化后的工作性能和强度起着决定性的作用。本研究采用P.O. 42.5级的普通硅酸盐水泥，该水泥的理化性能指标见表1。

表1 水泥的主要理化性能指标

本研究采用的是F类Ⅱ级粉煤灰，该产品由三圣实业股份有限公司生产，其主要性能指标见表2。

表2 粉煤灰的主要性能指标

本研究中，为了优化混凝土的孔隙结构并提高其性能，选择了5mm～10mm和10mm～20mm两种单粒径石灰岩碎石作为粗骨料。实验中，对这两种粒径碎石以不同比例混合后的松堆密度和松堆空隙率进行了测定，以确定实现低松堆空隙率的最佳混合比例。

在本次试验中，所采用的机制砂属于级配Ⅱ区的中砂类别，其细度模数被测定为2.9。其主要的物理性能指标如表3 所示。

表3 机制砂的主要性能指标

在本研究中，选用了聚羧酸减水剂作为外加剂，其掺量为胶凝材料总质量的2.0%。

1.2试验配合比

通过JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》设计机制砂混凝土配合比^[]，研究机制砂取代率、砂率、最大公称粒径，具体的配合比设计见表5。

探究机制砂取代率、砂率以及最大公称粒径的对机制砂自密实混凝土工作性能和强度的影响，本文配置了C30、C40及C50三个强度等级的机制砂自密实混凝土，具体的配合比设计见表4，其中QD表示机制砂取代率，QD20表示机制砂取代率为20%，S表示砂率，S40表示砂率为40%，D表示最大公称粒径，D25表示最大公称粒径为25mm。

表4 混凝土试验配合比设计                       单位：kg/m³

1.3试验方法

1.3.1试件的制备及养护

本次试验中，采用了150mm×150mm×150mm规格的三联抗压试模。将新拌混凝土倒入模具，并在振动台上振实1分钟。24小时后，对所有试样进行拆模。拆模后的试块分别进行了3天的高温养护和28天的标准养护，以测试混凝土在不同养护条件下的抗压强度。

1.3.2性能试验

在混凝土正式入模前，进行的工作性能测定试验至关重要，其中，坍落拓展度作为核心指标，精准地评估了新拌混凝土的工作性能，确保了施工过程的顺利进行。这一步骤不仅简化了对新拌混凝土流动性的判断过程，还直接反映了混凝土材料的和易性与可操作性，对于提升工程质量和效率具有不可估量的价值^[]。对于抗压强度的测定，每组配比测试三个试件，试件尺寸为150mm×150mm×150mm，采用荷载控制，试件加载速率取参照规范取值，以恒定速率加载^[]。

2 试验结果与分析

2.1机制砂取代率对机制砂自密实混凝土工作性能与强度的影响

从图1（a）可知，自密实混凝土的坍落拓展度与机制砂取代率之间存在负相关关系。在C30强度等级的自密实混凝土中，坍落拓展度随着机制砂取代率的增加而降低。当机制砂取代率由40%提高至60%时，混凝土的坍落拓展度显著下降，下降幅度为7.2%，高于由20%升至40%的1.8%；而对于C40和C50的自密实混凝土，混凝土在机制砂取代率为20%-40%时的降幅分别为4.8%和9.1%，高于机制砂取代率为40%-60%的1.3%和1.6%。

图1（b）（c）（d）的分析结果表明，在标准养护条件下，机制砂自密实混凝土的抗压强度与其取代率之间存在正相关关系。这种相关性产生的原因在于，机制砂的加入增强了混凝土中细骨料的结构强度，从而提升了骨料间的摩擦力。随着机制砂取代率的增加，这种增强效应变得更加显著。因此，机制砂的掺加不仅改善了混凝土的细骨料结构，还通过提高骨料间的摩擦力，促进了混凝土抗压强度的整体提升。

此外，通过进行各混凝土在3天高温养护和28天标准养护条件下的抗压强度可知，自密实混凝土经过3d高温养护，其抗压强度与28d的标准养护的抗压强度具有较高的一致性，因此，对自密实混凝土实施3天的高温养护，可以有效地评估其是否满足设计强度等级的标准。

2.2 砂率对机制砂自密实混凝土工作性能和强度的影响

砂率是影响混凝土中水泥砂浆体积比的关键因素。图2（a）的数据显示，当砂率从41%增加到43%时，C30、C40和C50自密实混凝土的坍落拓展度分别提高了1.5%、2.3%和2.4%。然而，砂率在40%至41%区间的增长对坍落拓展度的提升效果低于41%至42%区间。这一现象的原因在于，较低的砂率下，随着砂率的增加，水泥砂浆在混凝土中的体积比也随之增加，这有助于更有效地填充混凝土中的空隙，减少粗骨料间的摩擦，从而提高混凝土的坍落拓展度。相反，当砂率过高时，混凝土的拌合物会变得过于黏稠，这会限制其流动性的进一步提高。

图2（b）展示的抗压强度数据显示，随着砂率的增加，混凝土的强度呈现出下降趋势。这一现象的原因在于，本研究中所采用了优化后的骨料级配，使得水泥砂浆能够有效地充填粗骨料间的空隙。随着砂率的提高，水泥砂浆在混凝土中的体积比例相应增加，这降低了粗骨料间的摩擦力，从而减弱了粗骨料之间的相互作用，这种变化导致混凝土的抗压强度降低。

因此，砂率的增加虽然提高了混凝土的工作性能，但同时也需要考虑到其对混凝土强度的潜在负面影响。

2.3 最大公称粒径对机制砂自密实混凝土工作性能和强度的影响

图3（a）的分析显示，最大公称粒径对混凝土坍落拓展度的影响与混凝土的强度等级相关，且在不同强度等级的混凝土中，这种影响表现出差异。在C40混凝土中，最大公称粒径对坍落拓展度的影响高于C30和C50混凝土。具体来说，当最大公称粒径从25mm降至13mm时，C40混凝土的坍落拓展度增加了43mm，而C30和C50混凝土的坍落拓展度变化不明显。这表明在混凝土配制中，最大公称粒径的调整对特定强度等级的混凝土，尤其是高强度等级的混凝土，具有实际影响。因此，在设计混凝土配合比时，应考虑最大公称粒径对坍落拓展度的影响，以确保混凝土的工作性能。

相比于C40 和C50 混凝土，C30混凝土的力学性能对最大公称粒径的变化更为敏感。实验数据表明，当最大公称粒径从25mm降低至13mm时，C30混凝土的抗压强度显著提高了8.3MPa。这种强度的提升主要源于最大公称粒径对集料比表面积的影响。集料的比表面积直接关系到润湿骨料表面所需的水量。具体来说，最大公称粒径较小的集料具有较大的比表面积，这增加了润湿骨料所需的水量。然而，在水灰比保持不变的情况下，用于润湿骨料的水量减少，意味着更多的水分可用于水泥的水化反应，从而提高了混凝土的强度。因此，对于C30这类中等强度混凝土，合理选择最大公称粒径对于优化其力学性能至关重要。

3 结论

通过调控机制砂取代率、砂率和最大公称粒径，探究了它们对机制砂自密实混凝土工作性能与抗压强度的影响，并据此得出了以下结论：

（1）机制砂取代率、砂率和最大公称粒径对机制砂自密实混凝土的工作性能存在一定的影响，但是不同变量对其工作性能影响的程度与影响机制存在差异。相较于砂率和最大公称粒径，机制砂的取代率对机制砂自密实混凝土的流动性的影响更为显著。

（2）自密实混凝土经过3d高温养护，其抗压强度与28d的标准养护的抗压强度具有较高的一致性，由此，可以通过对自密实混凝土进行3d的高温养护，从而判断混凝土强度等级是否达到设计强度的要求。

（3）最大公称粒径对机制砂自密实混凝土的强度影响较大。特别是在混凝土强度等级为C30时，当最大公称粒径由25mm降低为13mm，混凝土强度等级增长了27.6%。

参考文献：