细骨料是混凝土的重要组成部分之一,对混凝土的性能影响重大。随着河砂的短缺,使用机制砂替代河砂作为混凝土细骨料是混凝土发展的一种趋势。相比于河砂,机制砂的不规则粒形和级配显著影响混凝土的性能。通过对机制砂的粒形和级配的优选来达到优化混凝土的配合比和性能,是当前研究机制砂应用于混凝土的一个热点。本文对机制砂的粒形评价方法、级配评价标准、粒形和级配与浆体包裹层厚度的关系以及基于粒形和级配的混凝土优化设计展开了系统研究,探讨了机制砂粒形与级配对机制砂颗粒的堆积密度、砂浆和混凝土新拌浆体工作性能和硬化体性能的影响,可为机制砂的生产、应用以及机制砂混凝土的推广提供理论指导。具体研究成果如下:使用数字图像法（DIP）获取了石灰岩机制砂、花岗岩机制砂和河砂的粒形参数,包括长宽比（L_x/L_y）、圆度以及扁平比（L_Z/L_y）等,综合反映了细骨料在长宽高三个方向及轮廓上的均匀性。其中石灰岩机制砂、花岗岩机制砂和河砂的长宽比分别为:1.37、1.53、1.39;圆度分别为:0.64、0.62、0.65;扁平比分别为:0.45、0.35、0.49。细骨料的棱角性从强到弱依次为花岗岩机制砂、石灰岩机制砂、河砂。将细骨料二维和三维方向上的粒形参数按不同权重组合,建立了颗粒粒形综合指数公式:粒形综合指数=∑（粒形表征参数×权重）。粒形综合指数越高,细骨料粒形越好,本研究所用石灰岩机制砂、花岗岩机制砂和河砂粒形综合指数分别为0.76、0.68和0.80。机制砂的堆积空隙率随粒形综合指数的减小而增大。相同配合比下,粒形综合指数高的石灰岩机制砂制备的砂浆工作性能、力学性能更优,但干燥收缩更大。相同配合比下,石灰岩机制砂制备的混凝土的工作性能、力学性能和抗氯离子渗透性更好。设计了颗粒范围为1.25⁵mm、0.63¹.25mm、0.315⁰.63mm、0.08⁰.315mm的四区间级配,并以与泰波级配的偏差值R²作为级配评价指标。为达到较小的堆积空隙率,1.25⁵mm的颗粒含量应高一些,而0.315⁰.63mm颗粒含量应低一些。总体上机制砂的堆积空隙率随偏差值R²的增大而增大,从偏差值R²对堆积空隙率影响的散点图分布规律分析,可以将偏差值R²划分为5个区间:R²≤300×10^-4、300×10^-4<R²≤600×10^-4、600×10^-4<R²≤1000×10^-4、1000×10^-4<R²≤1500×10^-4和R²>1500×10^-4,分别对应机制砂一级、二级、三级、四级和五级这5个级配等级;等级越大,堆积空隙率越大,级配越差。不同级配的机制砂制备的砂浆,当R²≤300×10^-4时,砂浆的工作性能和力学性能更好。不同级配的机制砂制备C30和C60强度等级的混凝土,级配R²=43×10^-4时工作性能和力学性能更好。建立了细骨料颗粒尺寸d与浆体包裹层厚度h之间的关系:h=kd+b。k值与细骨料粒形相关,通过线性拟合,得到本研究所用石灰岩机制砂、花岗岩机制砂和河砂的k值,分别为34.8、53.5和27.5。以浆体包裹层厚度为基础,基于粒形和级配优化设计砂浆和混凝土配合比,可以更好地应用不同粒形和级配的机制砂。在颗粒表面浆体包裹层厚度为16μm时,级配R²=43×10^-4石灰岩机制砂制备的砂浆胶材用量最小且砂浆性能最好。石灰岩机制砂的级配R²=438×10^-4时,C30强度等级混凝土胶凝材料用量最小且性能良好;而级配R²=43×10^-4时C60强度等级混凝土胶材用量较少且性能优越,28天抗压强度可达80MPa。在配制低强度等级混凝土时,可以优选二级级配机制砂(300×10^-4<R²≤600×10^-4),其四区间颗粒1.25⁵mm、0.63¹.25mm、0.315⁰.63mm、0.08⁰.315mm的分布范围分别为29%³9%、15%³3%、12%³3%和9%³1%;配制高强度等级混凝土时,应优选一级级配机制砂(R²≤300×10^-4),其四区间颗粒1.25⁵mm、0.63¹.25mm、0.315⁰.63mm、0.08⁰.315mm的分布范围分别为35%⁴2%、10%²8%、8%²4%和20%³5%。