细砂在土木工程材料中的应用

2023-09-01 理论教育版权反馈

【摘要】：粒径大于4.75 mm 的称为粗集料（俗称石）；粒径在0.15～4.75 mm 的称为细集料（俗称砂）。普通混凝土中所用细集料有天然砂和人工砂。细度模数的按式（4.3）计算：细度模数Mx数值越大，表示砂越粗。普通混凝土用砂的细度模数范围一般在3.7～1.6，其中Mx在3.7～3.1为粗砂，Mx在3.0～2.3为中砂，Mx在2.2～1.6为细砂。

混凝土用集料，按其粒径大小不同可分为细集料（Fine Aggregate）和粗集料（Coarse Aggregate）。粒径大于4.75 mm 的称为粗集料（俗称石）；粒径在0.15～4.75 mm 的称为细集料（俗称砂）。

普通混凝土中所用细集料有天然砂和人工砂。由天然岩石（不包括软质岩、分化岩石）经自然分化、水流搬运和分选、堆积等自然条件形成的为天然砂（Natural Sand）；经除土处理的机制砂（机械破碎、筛分制成的）与混合砂（由机制砂和天然砂混合制成的砂）统称为人工砂（Manufactured Sand）。

按产源不同，有河砂、海砂、山砂和淡化海砂四类。

细集料按其含泥量、泥块含量、有害物含量、坚固性等指标分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类：Ⅰ类细集料宜用于大于C60的高强度混凝土；Ⅱ类细集料宜用于C30～C60的混凝土；Ⅲ类细集料宜用于小于C30的混凝土。

配制混凝土所采用的细集料的质量要求有以下几个方面：

（1）泥和泥块含量

集料中粒径小于0.075 mm 的颗粒的含量称为含泥量（Clay Content）。泥块含量：（Clay Lumps and Friable Particles Content）对于细集料，是指粒径大于1.18 mm，经水洗手捏后变成小于0.60 mm 的颗粒含量；对于粗集料，是指粒径大于4.75 mm，经水洗手捏后变成小于2.36 mm 的颗粒含量。

集料中的泥颗粒极细，会黏附在集料的表面，削弱集料与水泥之间的结合力，而泥块会在混凝土中形成薄弱部分，影响混凝土的强度。因此，对集料中的泥和泥块含量必须严加限制，具体指标如表4.2所示。

表4.2　砂、石中的泥和泥块含量限值

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（2）有害物质含量

用来制备混凝土的砂要求清洁不含杂质，以保证混凝土的质量。但实际上砂中常含有云母、黏土、淤泥、粉砂等有害杂质，这些杂质黏附在砂的表面，会妨碍水泥与砂的黏结，从而降低混凝土强度，同时还增加混凝土的用水量，加大混凝土的收缩，降低混凝土耐久性。国家标准《建设用砂》（GB/T 14684—2011）对有害物质含量的限值如表4.3所示。

表4.3　砂中有害物质含量限值

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注：*该指标仅适用于海砂，其他砂种不做要求。

（3）颗粒形状及表面特征

河砂、海砂颗粒多呈圆形，表面光滑，与水泥的黏结较差。而山砂颗粒多具有棱角，表面粗糙，与水泥黏结较好。因而在水泥用量和用水量相同的情况下，山砂拌制的混凝土流动性较差，但强度较高，而河砂和海砂则反之。

（4）粗细程度与颗粒级配

砂的粗细程度是指不同粒径的砂粒混合在一起后的平均粗细程度。通常有粗砂、中砂、细砂和特细砂之分。在相同质量条件下，细砂的总表面积较大，而粗砂的总表面积较小。砂的总表面积愈大，则在混凝土中需要包裹砂粒表面的水泥浆就愈多。当混凝土拌合物的流动性要求一定时，用粗砂拌制的混凝土比用细砂所需的水泥浆省，但若砂过粗，虽能少用水泥，但拌出的拌合物黏聚性较差，容易分层离析。所以，用作拌制混凝土的砂不宜过粗，也不宜过细。

砂的颗粒级配（Size Grading），是指集料中不同粒径颗粒的搭配分布情况。在混凝土中，砂粒之间的空隙由水泥浆所填充，为达到节约水泥和提高强度的目的，应尽量减小砂粒间的空隙。从图4.2可以看出：如果是同样粗细的砂，空隙最大[图4.2（a）]；两种粒径的砂搭配起来，空隙就减小了[图4.2（b）]；三种粒径的砂搭配，空隙就更小了[图4.2（c）]。由此可见，要想减小砂粒间的空隙，就必须有大小不同的颗粒搭配。

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图4.2　集料颗粒级配

当使用海砂时，由于含盐量较大，对钢筋有锈蚀作用，故对于位于水上和水位变化区，以及在潮湿或露天条件下使用的钢筋混凝土，所用海砂的含盐量（氯化钠的总量）不宜超过0.1%。对预应力混凝土结构，更应从严要求。必要时应淋洗，也可在混凝土中掺入占水泥质量0.6%～1.0%的亚硝酸钠（阻锈剂），以抑制钢筋锈蚀。

因此，评定砂的质量应同时考虑砂的粗细程度和颗粒级配。当砂中含有较多的粗粒径砂，并以适当的中等粒径砂及少量细粒径砂填充其空隙，则可达到空隙率及总表面积均较小的目的，这样的砂不仅水泥浆用量较小，而且还可提高混凝土的密实性与强度。可见，控制砂的粗细程度和颗粒级配有很大的技术经济意义。

砂的粗细程度及颗粒级配，常采用筛分析方法进行测定。用细度模数判断砂的粗细，用级配区表示砂的颗粒级配。

筛分析法是用一套孔径（净孔）为4.75 mm、2.36 mm、1.18 mm、0.60 mm、0.30 mm 及0.15 mm 的标准筛，将抽样所得的500 g 干砂由粗到细依次过筛，然后称得余留在各筛上的砂的质量（分计筛余量），并计算出各筛上的分计筛余百分率及累计筛余百分率。计算方法如下：

①分计筛余百分率（Percentage Retained）各筛上的分计筛余量占砂样总质量的百分率，按式（4.1）计算。

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式中　ai──i 号筛的分计筛余百分率（%）；

mi──存留在i 号筛上的试样质量（g）；

m──试样总质量（g）。

②累计筛余百分率（Cumulative Percentage Retained）各筛与比该筛粗的所有分计筛余百分率之和。按式（4.2）计算。

式中　Ai──累计筛余百分率（%）；

ai──某号筛的分计筛余百分率（%）；

分计筛余百分率及累计筛余百分率的关系见表4.4所示。

表4.4　累计筛余和分计筛余的关系

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注：ai=mi/500。

砂的粗细程度用细度模数（Fineness Modulus）表示。细度模数的按式（4.3）计算：

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细度模数Mx数值越大，表示砂越粗。普通混凝土用砂的细度模数范围一般在3.7～1.6，其中Mx在3.7～3.1为粗砂，Mx在3.0～2.3为中砂，Mx在2.2～1.6为细砂。配制混凝土时，宜优先选用中砂，砂的细度模数小于0.7时，将增加较多的水泥用量，而且强度显著下降。

砂的细度模数并不能反映级配优劣。细度模数相同的砂，其级配可能相差很大。因此，评定砂的质量应同时考虑砂的级配。

根据国家标准《建设用砂》（GB/T14684—2011）标准规定，根据0.60 mm 筛孔的累计筛余百分率分成三个级配区，如表4.5所示。混凝土用砂的颗粒级配应处于表4.5中的任何一个级配区域。砂的实际颗粒级配与表4.5中所示相比，除4.75 mm 和0.60 mm 筛号外，其余各筛允许稍有超出分区界线，但其总量百分量不得大于5%。为了更直观地反映砂的级配，可按表4.5的数据，以累计筛余百分率为纵坐标，筛孔尺寸为横坐标，绘出砂Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级配区的筛分曲线，如图4.3所示。

表4.5　砂的颗粒级配区

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注：人工砂中0.15 mm 筛孔的累计筛余，当在Ⅰ区时可放宽到100～85；当在Ⅱ区时可放宽到100～80；当在Ⅲ区时可放宽到100～75。

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图4.3　砂的级配曲线图

当筛分曲线偏向右下方时，表示砂较粗，配制的混凝土拌合物和易性不易控制，且内摩擦力大，不易振捣成型；筛分曲线偏向左上方时，表示砂较细，配制的混凝土拌合物既要增加较多的水泥用量，而且强度会显著降低。因此，配制混凝土时宜优先选用Ⅱ区砂。当采用Ⅰ区砂时，应适当提高砂率，并保证足够的水泥用量，以满足混凝土的工作性；当采用Ⅲ区砂时，宜适当降低砂率，以保证混凝土的强度。

在实际工程中，如果砂的级配不符合级配区的要求，可采用人工掺配的方法来改善，即将粗、细砂按适当比例进行试配，掺和使用；或将砂过筛，筛除过粗或过细的颗粒。

【例题4.1】某砂样经筛分析试验，各筛的筛余的筛余量列于表4.6，试对该砂样的级配及粗细程度进行评定。

表4.6　筛分析结果

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