建筑材料与检测：细度模数与砂级配区

1.定义及分类

细骨料(粒径为0.15～4.75mm)又称为砂,按来源不同可分为天然砂和人工砂。

(1)天然砂。天然砂是由自然风化、水流搬运和分选堆积形成的岩石颗粒,但不包括软质岩、风化岩。按产品不同可分为山砂、河砂和海砂。山砂含有黏土及有机杂质,坚固性差、质地坚硬,但夹有贝壳碎片及可溶性盐类,对混凝土会产生腐蚀,河砂表面洁净光滑,比表面积小,拌制的混凝土和易性好,耗用的水泥浆少,比较经济,在建筑工程中常用河砂作细骨料。

(2)人工砂。人工砂是经过除土处理的机制砂、混合砂的统称。机制砂石是由机械破碎筛分制成的,单纯由矿石、卵石或尾矿石加工而成,其颗粒富有棱角,比较洁净,细粉和片状颗粒较多,成本高,混合砂由机制砂和天然砂混合而成。可充分利用地方资源降低机制砂的生产成本,一般当地缺乏天然砂时就会采用人工砂。

2.技术要求及指标

细骨料从技术要求等级方面可分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类。Ⅰ类宜用于配制强度等级大于C60的混凝土;Ⅱ类砂宜用于配制强度等级C30～C60及有抗冻、抗渗或有其他要求的混凝土;Ⅲ类宜用于配制强度等级小于C30的混凝土和建筑砂浆。

细骨料的技术指标根据《建设用砂》(GB/T 14684—2011)要求,从颗粒级配、含泥量、石粉和泥块含量等多个方面进行抽样检测,要求技术指标见表3-3～表3-10。

表3-3　砂的颗粒级配

续表

表3-4　级配类别

表3-5　含泥量和泥块含量

表3-6　石粉含量和泥块含量(MB值≤1.4或快速法试验合格)

表3-7　石粉含量和泥块含量(MB值＞1.4或快速法试验不合格)

表3-8　有害物质限量

表3-9　坚固性指标

表3-10　压碎指标

含泥量——天然砂中粒径小于75 μm 的颗粒含量。

石粉含量——机制砂中粒径小于75 μm 的颗粒含量。

泥块含量——砂中原粒径大于1.18mm,经水浸洗、手捏后小于600 μm 的颗粒含量。

砂的颗粒级配——不同大小颗粒和数量比例的砂子的组合或搭配情况,常用砂的筛分析方法进行测定,用级配曲线表示砂的级配。

坚固性——砂在自然风化和其他外界物理、化学因素作用下抵抗破裂的能力。

【案例引入1】　某建筑条形基础,使用设计强度等级为C30的钢筋混凝土。混凝土浇筑次日发现部分硬化结块,部分呈疏松状,轻轻敲击纷纷落下,混凝土基本无强度,工程被迫停工。经调查,混凝土用砂含泥量超过标准规定值一倍以上。请从理论上解释上述混凝土工程现象。(www.xing528.com)

解析:主要原因是混凝土用砂含泥量超标,导致混凝土用骨料总表面积大幅度增加,水泥浆量不足,骨料颗粒表面没有完全被水泥浆包裹,骨料之间黏结强度低,再加上泥粉本身强度就低,降低了混凝土整体强度。

拓展内容

随着天然砂资源的逐渐减少,机制砂的使用将越来越广泛。对于用矿山尾矿、工业废渣等生产的机制砂除应按《建设用砂》(GB/T 14684—2011)的要求,严格控制其石粉的含量外,还应符合我国环保和安全相关的标准规定,即不应对人体、生物、环境和混凝土性能产生有害影响,放射性应符合国家标准规定。

3.颗粒级配与粗细程度

(1)颗粒级配。颗粒级配是指骨料中不同粒径颗粒的分布情况或所占的比例。良好的级配是骨料的空隙率和总表面积较小,不仅能够减少水泥的用量,而且还能提高混凝土的密实度和强度等性能。图3-1所示分别为单一粒径、两种不同粒径、三种不同粒径砂的搭配结构。

图3-1　不同粒径砂的搭配情况示意

(a)单一粒径;(b)两种不同粒径;(c)三种不同粒径

相同粒径的砂搭配起来,空隙率最大,如图3-1(a)所示;两种不同粒径的砂相互搭配堆积在一起时,空隙率有所减小,如图3-1(b)所示。当砂同时由三种不同粒径的颗粒搭配堆积起来时,空隙率最小,如图3-1(c)所示。可见,要减小砂堆积起来的空隙率,必须由大小不同的几种粒径的砂组合起来,逐级搭配,才能形成最密集的堆积,使空隙率达到最小。

砂的颗粒级配和粗细程度是通过筛分析方法确定的。筛分析试验过程:称取500g预先通过9.5mm 孔径筛的烘干砂,置于一套孔径分别为4.75 mm、2.36 mm、1.18 mm、0.60mm、0.30mm、0.15mm 的标准方孔筛上,由粗到细依次过筛,然后分别称量存留在各筛上砂的质量,并计算分计筛余百分率,即筛余质量占砂样总质量的百分率;累计筛余百分率,即某号筛上分计筛余百分率与大于该号筛的各筛的分计筛余百分率总和;质量通过百分率,即通过某筛的质量占试样总质量的百分率。砂的颗粒级配用分计筛余百分率、累计筛余百分率表示。砂的颗粒级配参数计算方法及换算关系见表3-11。

表3-11　砂的颗粒级配参数计算方法及换算关系

混凝土的颗粒级配还可以用级配区来表示。对细度模数为1.6～3.7的砂,按0.6mm筛上的累计筛余百分率划分为1、2、3三个级配区,见表3-3。

(2)粗细程度。砂的粗细程度是指不同粒径的砂粒,混合在一起后的总体的粗细程度,用细度模数Mx 表示。细度模数按下式进行计算,精确至0.1。

细度模数(Mx)越大,表示砂越粗,普通混凝土用砂的细度模数范围一般为3.7～0.7,理想的细度模数为2.75。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;Mx 在1.5～0.7为特细砂。

在相同用砂量条件下,细砂的总表面积较大,粗砂的总表面积较小。在混凝土中,砂子表面需用水泥浆包裹,赋予流动性和黏结强度,砂子的总表面积越大,则需要包裹砂粒表面的水泥浆就越多。一般用粗砂配制混凝土比用细砂要节省水泥。

砂的颗粒级配区如图3-2所示。

当级配曲线偏向右下方时,砂中的粗颗粒所占的比重较大,砂较粗,即1区砂相对较粗;当筛分曲线偏向左上方时,砂中的细颗粒占的比重较大,砂较细,即3区砂相对较细。2区砂粗细比较适中,配制混凝土时宜优先选用2区砂。

图3-2　砂的颗粒级配区

当选用1区砂时,应提高砂率,并保持足够的水泥浆用量以满足和易性要求,否则混凝土内颗粒之间的内摩擦阻力较大、保水性差,不易捣实成型;当采用3区砂时,应适当降低砂率,以保证配制混凝土的流动性、黏聚性和保水性满足要求,减少混凝土的干缩裂缝,保证混凝土的强度。

【案例引入2】　从某工地取回水泥混凝土用烘干砂500g做筛分试验,筛分结果见表3-12,请计算该砂样的各筛分参数,并判断其所属的级配区,评价砂的粗细和颗粒级配情况。

表3-12　筛分结果

解析:砂的分计筛余百分率和累计筛余百分率计算结果汇总见表3-13。

表3-13　砂的各筛分参数计算结果

细度模数计算如下:

求解可知,该砂样为粗砂;在0.60mm 筛上的累计筛余百分率为55%,对照表3-3可知,该砂位于级配2区,且累计筛余百分率均在2区范围内,故其颗粒级配符合规范要求。