0引言
随着基础设施建设规模不断提高以及西部大开发战略的推进，我国总体对建筑用砂需求量逐年增加。近年来，限于环境保护等多方压力，天然河砂已供不应求，采用机制砂替代天然河砂已经成为混凝土材料变革的重要方向。
为促进机制砂混凝土的推广应用，诸多研究人员对机制砂混凝土配合比及有关性能展开研究，并在较多工程如道路、桥梁等项目中付诸实践。普遍研究认为，机制砂表面粗糙、多棱角、级配较差，机制砂的掺入往往导致混凝土工作性能变差、强度降低。明确机制砂级配、母体的岩性、石粉含量、颗粒形貌等物理参数对机制砂混凝土相关性能的影响，并通过控制有关参数，优化机制砂的生产过程，减少机制砂对混凝土强度、和易性能的不利影响，成为机制砂混凝土研究的首要问题。
本文主要研究了机制砂的颗粒岩性和颗粒形貌对机制砂混凝土强度及和易性能的影响，进一步完善机制砂混凝土的系列应用研究。
1试验
1.1原材料
水泥：P·O42.5水泥，性能指标见表1；粉煤灰：Ⅱ级，SiO2含量51.0%；细集料：机制砂，岩性包括石灰岩、花岗岩、石英岩、片麻岩4种；粗集料：级配碎石，5～10mm颗粒占比35%，10～25mm颗粒占比为65%，堆积密度kg/m3；减水剂：聚羧酸减水剂，含固量15.2%，减水率27.4%；水：自来水。
1.2机制砂级配及相关参数
（1）不同岩性机制砂：机制砂的颗粒岩性包括石灰岩、花岗岩、石英岩、片麻岩4种，4种岩性的机制砂采用相同的级配，均采用冲击式破碎，颗粒级配如表2所示，主要性能指标如表3所示。
（2）不同颗粒形状机制砂：采用不同破碎方法形成颗粒形状不同的机制砂，破碎方法包括冲击式破碎、辊式破碎、反击式破碎、颚式破碎，破碎采用的母岩为石灰岩。采用数字图像法获取机制砂的形状参数，包括机制砂的长径比、圆度、棱角性（采用间隙率法表征）。
不同颗粒形状机制砂颗粒级配如表4所示，机制砂颗粒形貌参数、石粉含量和MB值如表5所示。
1.3试验方案
本试验研究机制砂的颗粒岩性及颗粒形状对混凝土工作性能及28d抗压强度的影响。机制砂混凝土基准配合比如表6所示，强度等级分别为C30、C50。
2试验结果与分析
2.1不同岩性机制砂混凝土的工作性能（见表7）
由表7可见，以石灰岩和石英岩为原岩的机制砂混凝土工作性能明显优于以花岗岩和片麻岩为原岩的机制砂混凝土。
不同岩性机制砂对混凝土工作性能的影响主要归因于如下方面：（1）原岩的岩性。以花岗岩和片麻岩为原料生产的机制砂表面多凹凸不平，颗粒比表面积较大，其对于自由水分的吸附能力较强，这导致混凝土中自由水分缺失，使得浆体偏于黏稠。同时，机制砂颗粒凹凸的表面结构也增加了浆体内部的摩擦，影响了浆体的流动性。（2）石粉含量。石粉的比表面积大于机制砂，石粉含量的增加也会相应增大混凝土的需水量，增大浆体的粘滞性，导致混凝土拌和物变得黏稠。（3）MB值。MB值反映了机制砂中泥粉的含量，泥粉颗粒较细，泥粉颗粒会吸附较多的水分，甚至可能对水泥水化产生影响，导致混凝土的工作性能变差。
2.2不同岩性机制砂混凝土的抗压强度（见表8）
不同岩性机制砂对混凝土强度影响主要在于：（1）机制砂原岩的压碎指标。压碎指标在一定程度能够反映出骨料强度，骨料强度越高，相应的机制砂混凝土抗压强度也越高。（2）原岩岩性。如片麻岩表观较为粗糙，片麻岩机制砂表观凹凸的结构能够提高骨料和水泥基体之间的结合力，有利于提高混凝土的抗压强度。
由表8可见，以石灰岩为原岩的机制砂，其压碎指标低，同时砂的匀质性较好，机制砂存在的缺陷少，因而以石灰岩为原岩的机制砂混凝土抗压强度最高。而以花岗岩为原岩的机制砂，其压碎指标较高，同时砂表观质地相对光滑，集料与水泥石之间的咬合力相对较弱，因此以花岗岩为原岩的机制砂混凝土抗压强度最低。
2.3不同颗粒形状机制砂混凝土的工作性能（见表9）
由表9可知，冲击式破碎和反击式破碎方式下，机制砂混凝土的流动性最大，拌合物的工作性能总体良好。而辊式破碎和颚式破碎破碎方式下，机制砂混凝土的流动性下降，拌合物工作性能较冲击式和反击式破碎的机制砂混凝土差。
结合表5可知，采用冲击式破碎和反击式破碎的机制砂最接近球形，机制砂颗粒粗糙性低。机制砂颗粒形貌越接近球形，机制砂的比表面积越小，拌合物中包裹骨料的浆体厚度则相应增大，拌合物的流动性增强。
结合表4可知，辊式破碎方式的机制砂中2.36～4.75mm颗粒比例明显高于其它几种破碎方式，当机制砂中大颗粒含量较大时，大颗粒之间的嵌锁效应增加，增大拌合物流动阻力，降低拌合物流动性，同时拌合物更容易出现泌水现象。
采用颚式破碎的机制砂棒状颗粒最多，颗粒球形度最差，颗粒棱角性高，机制砂的比表面积随之增大，降低了包裹骨料的有效浆体厚度，拌合物流动性下降。同时机制砂粗糙性增加，机制砂颗粒之间的咬合效应更为显著，颗粒相互移动越困难，这导致拌合物粘滞性增大，致使混凝土流动性下降。此外，采用颚式破碎方法时，机制砂的MB值也最大，过量的泥粉会消耗拌合物中的水分，降低拌合物工作性能。
2.4不同颗粒形状机制砂混凝土的抗压强度（见表10）
由表10可知，不同颗粒形状机制砂混凝土的28d抗压强度总体表现较好，均满足设计强度等级要求。这主要是由于机制砂质地坚硬，较天然砂粗糙，同时多棱角，这些都提高了机制砂与水泥基体的咬合作用，有利于混凝土抗压强度的提高。
对比不同颗粒形状的机制砂混凝土抗压强度可见，采用辊式破碎的机制砂混凝土抗压强度最高，经辊式破碎的机制砂粗糙度较大，这提高了骨料与浆体之间的机械咬合作用，提高了混凝土抗压强度。尽管采用颚式破碎的机制砂粗糙程度高于辊式破碎的机制砂，但由于颚式破碎的机制砂含泥量较高，泥粉吸附了拌合物中的水分，影响了水泥的正常水化，导致混凝土内部存在微裂纹，对混凝土强度产生不利影响。
采用冲击式和反击式破碎的机制砂，2种破碎方式下机制砂的颗粒形状差异较小，球形度相近。但采用冲击式破碎的机制砂混凝土抗压强度却高于采用反击式破碎的机制砂混凝土，这主要在于冲击式破碎的机制砂石粉含量较大，石粉优化了混凝土浆体及机制砂颗粒的堆积密度，提高了混凝土的密实性，混凝土抗压强度得到提高。
3结论
（1）不同岩性机制砂对混凝土工作性能影响因素主要包括原岩的表观结构、石粉含量、MB值等。以花岗岩和片麻岩为原料生产的机制砂，颗粒表观粗糙、比表面积较大、石粉含量高，不利于混凝土拌合物流动性。
（2）不同岩性机制砂对混凝土抗压强度影响因素主要包括原岩的表观结构、原岩的压碎指标。以石灰岩为原岩的机制砂，压碎指标低、匀质性好，有利于提高混凝土的抗压强度。
（3）采用冲击式破碎和反击式破碎的机制砂最接近球形，颗粒形貌越接近球形，机制砂的比表面积越小，拌合物中包裹骨料的浆体厚度则相应增大，拌合物的流动性增强。采用颚式破碎的机制砂棒状颗粒最多，颗粒球形度最差，颗粒棱角性高，机制砂的MB值也最大，混凝土工作性能下降。
（4）对比4种机制砂破碎方法，采用辊式破碎的机制砂混凝土抗压强度最高，采用反击式破碎的机制砂混凝土抗压强度最低。经辊式破碎的机制砂粗糙度较大，增加了骨料与浆体之间的机械咬合作用，提高了混凝土的抗压强度。（来源：《新型建筑材料》.05）