混凝土用砂石的质量要求与选用

【任务背景】　普通混凝土中砂石的用量约占混凝土总质量的3/4，体积占混凝土总体积的70%~80%，其质量在很大程度上影响着混凝土的各种技术性质，进而影响混凝土结构工程的施工质量。由此可知，正确选择砂石品种、严控砂石质量应成为混凝土生产中的关键环节。

结合本书前面有关技术标准选用分析，我们知道对于混凝土结构工程中普通混凝土用砂石的质量标准与检验方法，应选用行业标准《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》（JGJ52—2006），而非国家标准，故本节内容将围绕行业标准进行普通混凝土用砂石的质量要求与检验方法学习。

1.普通混凝土用砂的质量要求与选用

1）砂的粗细程度及颗粒级配

（1）砂的粗细程度

砂的粗细程度是指不同粒径的砂粒混合在一起后总体的平均粗细程度。

砂子的粗细对混凝土的内部结构及性能具有显著影响。当混凝土中采用较细的砂子时，其总表面积较大，为了保证混凝土中骨料之间的充分润滑与黏结，则包裹表面所需的水泥浆量就较多；反之，用粗砂配制混凝土比用细砂配制混凝土所需的水泥浆量要少。但若砂子过粗，则颗粒间难以相互嵌固，使混凝土内部结构难以形成稳定的相互嵌固堆聚结构，从而造成许多不良现象。因此，配制混凝土用砂不宜过细，也不宜过粗。

（2）砂的颗粒级配

砂的颗粒级配是指砂中不同粒径砂子的颗粒互相搭配的比例情况。

如图3-14所示，一种粒径的砂，颗粒间的空隙最大；两种粒径的砂搭配起来，空隙相应有所减少；随着粒径级别的增加，会达到中颗粒填充大颗粒间的空隙，而小颗粒填充中颗粒间的空隙的“逐级填充”紧密堆积状态。级配越良好的砂，其空隙率越小，所需的水泥浆量越少，可以达到节约水泥效果、提高混凝土密实度、强度和耐久性等综合性能的目的。

图3-14　骨料的颗粒级配

（3）砂的粗细程度和颗粒级配的确定

砂的粗细程度和颗粒级配用筛分试验法来确定。试验中砂筛应采用方孔筛，砂的公称粒径、砂筛筛孔的公称直径和方孔筛筛孔边长应符合表3-13的规定。

表3-13　砂的公称粒径、砂筛筛孔的公称直径和方孔筛筛孔边长

筛分试验采用过筛孔边长为9.50mm的方孔筛后烘干的500g的待测砂，将砂样用一套筛孔边长从大到小（筛孔公称直径分别为4.75mm，2.36mm，1.18mm，600μm，300μm，150μm）的标准金属方孔筛进行筛分，然后称取各筛上剩余的颗粒质量（称为筛余量），将各筛余量分别除以总质量500g计算出各筛的分计筛余：a1，a2，a3，a4，a5，a6；再计算出各筛的累计筛余（该号筛与所有大于该号筛的分计筛余之和）：A1，A2，A3，A4，A5，A6。累计筛余与分计筛余的计算关系见表3-14。

表3-14　累计筛余与分计筛余的计算关系

砂的粗细程度用细度模数μf表示，其计算式为

式中　β1，β2，β3，β4，β5，β6——分别表示筛孔边长为4.75mm，2.36mm，1.18mm，600μm，300μm，150μm的方孔筛的累计筛余。

细度模数μf的值并不等于砂的平均粒径，但能较准确地反映砂的粗细程度。μf越大，表示砂越粗，单位质量总表面积（或比表面积）小；μf越小，则砂比表面积越大。当μf=3.7~3.1时为粗砂；当μf=3.0~2.3时为中砂；当μf=2.2~1.6时为细砂；当μf=1.5~0.7时为特细砂。普通混凝土用砂的细度模数范围一般为3.7~1.6，宜优先选用中砂。对细度模数为1.5~0.7的特细砂，配制混凝土时需采取特殊方法。

砂的颗粒级配用级配区来表示。除特细砂外，砂的颗粒级配可按筛孔边长600μm筛孔的累计筛余分成3个级配区，见表3-15。任何一种砂，只要其累计筛余β1~β6分别符合某同一级配区的相应累计筛余的范围规定，即为级配合理，符合级配要求。由表3-15中的数值可知，在3个级配区内，只有600μm筛孔的累计筛余是不重叠的，故称为控制粒级。控制粒级使任何一种砂样只能处于某一级配区内，避免出现同属两个级配区的现象。

表3-15　砂的颗粒级配区

注：①砂的实际颗粒级配与表中的累计筛余相比，除公称粒径为5.00mm和630μm的累计筛余外，其余公称粒径的累计筛余可稍超出分界线，但总超出量不应大于5%。
②当天然砂的实际颗粒级配不符合要求时，宜采取相应的技术措施，并经试验证明能确保混凝土质量后，方允许使用。

为了直观地反映砂的级配情况，可按表3-15的规定，画出以筛孔尺寸为横坐标，累计筛余为纵坐标的1，2，3这3个区的级配区曲线图，如图3-15所示。在绘制好的级配区曲线图基础上，可进一步通过作图的方法来判断砂的级配情况：将某砂样筛分试验所得各筛孔的累计筛余β1~β6在图3-14中依次描点连线绘成筛分曲线，若该筛分曲线均处于图3-14中某一级配区的范围时，即可确认该砂的合理级配。

图3-15　砂的级配区曲线图

配制混凝土时宜优先选用2区砂。当选用1区砂时，应提高砂率，并保持足够的水泥用量，以满足混凝土的和易性；当选用3区砂时，宜降低砂率；当选用特细砂时应符合相应的规定。

【课堂思考与讨论3-8】

①细度模数相同的砂，是否级配区及级配情况也一定相同？不同粒径分布的砂，是否可能有相同的细度模数？

②自学砂筛分试验，并完成以下试验结果的处理：

a.完成表3-16中关于两次试验的累计筛余计算。

b.计算细度模数并评定砂的粗细程度。

c.判定其颗粒级配区。

表3-16　砂筛分试验记录及数据处理

2）天然砂中含泥量

含泥量是指天然砂中公称粒径小于80μm的颗粒的含量。

天然砂中的泥通常包裹在砂颗粒表面，妨碍水泥浆与砂的有效黏结；同时其颗粒细，吸附水的能力强，使混凝土拌合物在保持相同流动性的条件下需增加用水量，从而导致混凝土硬化后的强度和耐久性降低，干缩、徐变增大。

天然砂中含泥量应符合表3-17的规定。对于有抗冻、抗渗或其他特殊要求的小于或等于C25混凝土用砂，其含泥量不应大于3.0%。

表3-17　天然砂中含泥量

3）砂中泥块含量

泥块含量是指砂中公称粒径大于1.25mm，经水洗、手捏后变成小于630μm的颗粒的含量。

砂中泥块含量应符合表3-18的规定。对于有抗冻、抗渗或其他特殊要求的小于或等于C25混凝土用砂，其泥块含量不应大于1.0%。

表3-18　砂中泥块含量

4）人工砂或混合砂石粉含量

石粉含量是指人工砂在生产过程中不可避免地产生的公称粒径小于80μm，且其矿物组成和化学成分与被加工母岩相同的颗粒含量。

人工砂与天然砂最显著的区别之一是含有石粉。石粉含量较少时，对混凝土强度、收缩性能、弹性模量影响不大。但随着石粉含量的提高，新拌混凝土出机坍落度减小，坍落度损失增大，强度呈下降趋势，收缩呈增加趋势。因此，应控制人工砂或混合砂中的石粉含量。

人工砂或混合砂中石粉含量应符合表3-19的规定。

表3-19　人工砂或混合砂中石粉含量(www.chuimin.cn)

5）砂的坚固性

砂的坚固性是指砂在自然风化和其他外界物理、化学因素的作用下，抵抗破裂的能力。砂采用硫酸钠溶液法进行坚固性试验，砂样经5次循环后其质量损失应符合表3-20中的规定。人工砂的总压碎指标应小于30%。

表3-20　砂的坚固性指标

6）有害物质含量

砂在生成过程中，由于环境的影响和作用，常混有对混凝土性质造成不利的物质，以天然砂尤为严重。各种砂的有害物质种类会有不同，行业标准JGJ52—2006中，针对砂中常见的云母、轻物质、有机物、硫化物和硫酸盐等有害物质含量做了相关控制规定，见表3-21。

表3-21　砂中有害物质含量

砂中云母为表面光滑的小薄片，与水泥黏结很差，严重影响了混凝土的强度及耐久性；硫化物及硫酸盐对水泥有侵蚀作用；有机物减缓水泥的凝结与硬化、影响水泥的强度与耐久性。

7）砂中氯离子含量

因为氯离子会对钢筋造成锈蚀，所以对钢筋混凝土尤其是预应力混凝土中的氯盐含量应严加控制。行业标准JGJ52—2006中规定：对于钢筋混凝土用砂，其氯离子含量不得大于0.06%（以干砂的质量百分率计）；对于预应力混凝土用砂，其氯离子含量不得大于0.02%（以干砂的质量百分率计）。

海水常会使海砂中的氯盐超标，使用海砂时应特别注意氯盐含量的控制。

2.普通混凝土用石的质量要求与选用

1）石子的最大粒径与颗粒级配

（1）石子最大粒径

石子公称粒级的上限称为该粒级的最大粒径。最大粒径反映了石子的粗细程度，最大粒径越大，石子的颗粒越粗。同砂一样，石子越粗，其总表面积越小，石子表面包裹水泥浆的所需数量就越少，单位用水量有效减少并可获得节约水泥的效果。如果在用水量和水胶比固定不变的情况下，最大粒径加大，骨料表面包裹的水泥浆层加厚，那么混凝土拌合物可获得较高的流动性。所以，石的最大粒径应在条件允许时，尽量选择得大一些。但最大粒径大于150mm后，节约水泥的效果不再明显，同时会降低混凝土的抗拉强度，会对施工质量甚至对机械造成一定的损害。根据《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB50204—2015）的规定，混凝土结构中石子的最大粒径不应超过结构最小截面尺寸的1/4且不应超过钢筋最小净距的3/4。对混凝土实心板，不宜超过板厚1/3且不超过40mm；对于泵送混凝土，碎石最大粒径与输送管道内径之比不超过1∶3，卵石不超过1∶2.5。

（2）石子颗粒级配

石子颗粒级配与砂颗粒级配的原理基本相同，级配良好的石子可实现最密实的堆积。石子颗粒级配的好坏，对保证混凝土的流动性、强度和节省水泥等各方面的影响起着重要作用。

石子颗粒级配也是通过筛分试验确定的，其所用的整套标准方孔筛的孔边长分别为2.36，4.75，9.50，16.0，19.0，26.5，31.5，37.5，53.0，63.0，75.0，90.0mm，共计12个。

混凝土用石的颗粒级配情况有连续粒级和单粒级两种。连续粒级其颗粒分布情况由小到大连续分级，分布范围都是从公称粒径5mm开始至最大粒径，每级石子都占有一定的质量比例。单粒级的粒级范围没有从5mm开始，其公称粒级在1/2最大粒级至最大粒级范围内。

普通混凝土用碎石或卵石的颗粒级配应符合表3-22的要求。混凝土用石多采用连续粒级的，这种颗粒级配的空隙率较小，可减少水泥用量，单粒级宜用于组合成具有所要求级配的连续粒级，也可与连续粒级混合使用，以改善其级配或配成较大粒度的连续粒级，以满足某些特殊要求。

表3-22　碎石或卵石的颗粒级配范围

2）碎石或卵石中针状、片状颗粒含量

凡碎石或卵石颗粒的长度大于该颗粒所属粒级的平均粒径2.4倍者为针状颗粒；厚度小于平均粒径0.4倍者为片状颗粒。平均粒径指该粒级上下限粒径的平均值。混凝土中针状、片状颗粒的存在会使新拌混凝土的和易性变差，且由于针状、片状颗粒的坚韧性较差，其压碎值指标随着针状、片状颗粒含量的增加而增大，从而导致混凝土的抗压强度降低。普通混凝土用碎石或卵石，其针状、片状颗粒含量应符合表3-23的规定。

表3-23　针状、片状颗粒含量

3）碎石或卵石中的含泥量和泥块含量

粗骨料中泥和泥块对混凝土性质的影响与砂相同，但由于粗骨料的粒径大，因此造成的缺陷或危害更大。普通混凝土用石中含泥量和泥块含量应符合表3-24中的相关限定要求。

表3-24　碎石或卵石中的含泥量

注：①对于有抗冻、抗渗或其他特殊要求的混凝土，其所用碎石或卵石的含泥量不应大于1.0%。
②当碎石或卵石的含泥是非黏土质的石粉时，其含泥量可由表中的0.5%，1.0%，2.0%，分别提高到1.0%，1.5%，3.0%。
③对于有抗冻、抗渗和其他特殊要求的强度等级小于C30的混凝土，其所用碎石或卵石的泥块含量应不大于0.5%。

4）强度

粗集料在混凝土中起骨架作用，必须有足够的强度。行业标准JGJ52—2006中规定碎石和卵石的强度都可用压碎值指标表示。除此之外，碎石还可用岩石立方体强度表示。

（1）压碎值指标

压碎值指标的测定是将一定质量气干状态下（即骨料含水率与大气湿度相平衡，但未达到饱和时的状态）公称粒径为10.0~20.0mm的石子装入一定规格的圆桶内，在压力机上均匀加荷到200kN，然后卸荷后称取试验质量m0，再用公称直径为2.50mm的方孔筛筛除被压碎的细粒，称量留在筛上的试样质量m1。碎石或卵石的压碎值指标δa按下式计算：

压碎值指标越小，说明石子的强度越高。不同强度等级的普通混凝土用碎石、卵石的压碎值指标应分别满足表3-25、表3-26的要求。

表3-25　碎石压碎值指标

表3-26　卵石的压碎值指标

（2）岩石抗压强度

岩石抗压强度是将母岩制成边长为50mm的立方体试件或直径和高都为50mm的圆柱体试件，测得其在饱和水状态下的抗压强度值。岩石的抗压强度应比所配置的混凝土强度至少提高20%。当混凝土强度等级大于或等于C60时，应进行岩石抗压强度检验。

5）坚固性

石子的坚固性是指石子在气候、环境变化和其他物理力学因素的作用下，抵抗破碎的能力。石和砂一样，坚固性都采用硫酸钠溶液浸泡法检验，试样经5次干湿循环后，其质量损失应满足表3-27的要求。

表3-27　碎石或卵石的坚固性指标

6）有害物质含量

碎石或卵石中的硫化物和硫酸盐含量以及卵石中有机物等有害物质含量，应符合表3-28的规定。

表3-28　碎石或卵石中有害物质含量

当碎石或卵石中含有颗粒状硫酸盐或硫化物杂质时，应进行专门检验，确认能满足混凝土耐久性要求后，方可采用。