建筑材料中的混凝土集料的分类和性能

混凝土用集料，按其粒径大小的不同分为细集料和粗集料。粒径为0.15～4.75 mnl 的岩石颗粒，称为细集料；粒径大于4.75 mm 的岩石颗粒，称为粗集料。粗、细集料的总体积占混凝土体积的70%～80%，因此，集料的性能对所配制的混凝土性能有很大影响。为保证混凝土质量，对集料技术性能的要求主要有：有害杂质含量少；具有良好的颗粒级配和细度；表面粗糙，与水泥粘结牢靠；性能稳定，坚固耐久等。

1.细集料

根据国家标准《建设用砂》（GB/T 14684—2011）的规定，粒径为0.15 ～4.75 mm 的集料，称为细集料。同时，还规定，砂按细度模数（Mx）大小分为粗、中、细三种规格；按技术要求分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三种类别。Ⅰ类细集料宜用于强度等级大于C60 的混凝土；Ⅱ类细集料宜用于强度等级为C30～C60 及抗冻、抗渗或其他要求的混凝土；Ⅲ类细集料宜用于强度等级小于C30 的混凝土和建筑砂浆。

（1）细集料的种类及其特性。砂按产源分为天然砂、人工砂两类。一般在当地缺乏天然砂资源时，可采用人工砂。

1）天然砂是由自然风化、水流搬运和分选、堆积形成的粒径小于4.75 mm 的岩石颗粒，但不包括软质岩、风化岩石的颗粒。

天然砂包括河砂、湖砂、淡化海砂和山砂，河砂和湖砂因长期经受流水和波浪的冲洗，颗粒较圆、比较洁净且分布较广，一般工程都采用这种砂。海砂因长期受到海流冲刷，颗粒较圆、比较洁净且粒度一般比较整齐，但常混合贝壳及盐类等有害杂质。山砂是从山谷或旧河床中采运而得到，其颗粒多带棱角，表面粗糙，但含泥量和有机物杂质较多，使用时应加以限制。

2）人工砂包括机制砂和混合砂。机制砂是由机器破碎、筛分制成的粒径小于4.75 mm的岩石颗粒，但不包括软质岩、风化岩石的颗粒。机制砂单纯由矿石、卵石或尾矿加工而成，其颗粒尖锐、有棱角、较洁净，但片状颗粒及细粉含量较多，成本较高。

混合砂是由机制砂和天然砂混合而成的，可充分利用地方资源，降低机制砂的生产成本。它执行人工砂的技术要求和试验方法。

（2）细集料的质量和质量要求。细集料质量的优劣，直接影响到混凝土质量的好坏。国家标准《建设用砂》（GB/T 14684—201 1）对混凝土用砂的质量提出了下列要求。

1）含泥量、石粉含量和泥块含量。含泥量是指天然砂中粒径小于0.075 mm 的颗粒含量；石粉含量是指人工砂中粒径小于0.075 mm 的颗粒含量；泥块含量是指砂中粒径大于1.18 mm，经水冲洗，手捏后小于0.6 mm 的颗粒含量。

泥、石粉和泥块对混凝土是有害的。泥包裹于砂粒表面妨碍水泥和砂的粘结，增大混凝土的用水量，降低混凝土的强度和耐久性，增大干缩；泥块本身强度很低，浸水后溃散，干燥后收缩。但人工砂中适量的石粉对混凝土的质量是有益的，因为人工砂颗粒尖锐、多棱角，对混凝土的和易性不利，特别是低强度等级的混凝土和易性很差，而适量的石粉存在可弥补这一缺陷。此外，由于石粉主要是由粒径为0.040 ～0.075 mm 的微粒组成，它能完善细集料的级配，从而提高混凝土的密实性。根据国家标准，天然砂的含泥量和泥块含量及人工砂的石粉含量和泥块含量应分别符合表5-2 和表5-3 的规定。

表5-2　天然砂含泥量和泥块含量

表5-3　人工砂石粉含量和泥块含量

根据使用地区和用途，在试验验证的基础上，可由供需双方协商确定。

2）有害物质限量。砂中不应混有草根、树叶、塑料、煤块、炉渣等杂物。砂中如含有云母、轻物质、硫化物及硫酸盐、氯盐等，其限量应符合表5-4 的规定。

表5-4　砂中有害物质限量

注：轻物质指体积密度小于2000kg/m3。

云母是表面光滑的小薄片，它与水的粘结性差，影响混凝土的强度和耐久性；硫化物可与水泥石中固态水化铝酸钙反应生成钙矾石，从而引起混凝土膨胀开裂。有机物会延缓水泥的水化硬化，降低混凝土的强度，尤其是早期强度。氯化物对钢筋有锈蚀作用。

3）砂的颗粒级配及粗细程度。砂的颗粒级配是指粒径大小不同的砂粒的搭配情况。粒径相同的砂粒堆积在一起，会产生很大的空隙率，如图5-2（a）所示；要想减少砂粒之间的空隙，就必须将大小不同的颗粒搭配起来使用，如图5-2（b）、（c）所示。粗颗粒砂的空隙由中颗粒砂填充，中颗粒砂的空隙再由细颗粒砂填充，这样逐级的填充，使砂形成最密集的堆积，空隙率达到最低程度，从而达到节约水泥和提高混凝土强度的目的。

图5-2　集料的颗粒级配

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、中砂和细砂之分。砂的粗细程度与其总面积有直接关系，对于相同质量的砂，细砂的总表面积大，粗砂的总表面积较小。一般用粗砂拌制的混凝土比用细砂拌制的混凝土所需要的水泥浆少。在混凝土中，砂子的表面需要水泥浆包裹，以赋予系统流动性和粘结强度，砂子的总表面积越大，则需要包裹砂粒表面的水泥浆越多。但若砂子过粗，则易使混凝土拌合物产生离析、泌水等现象。因此，用砂不宜过细，也不宜过粗。

在拌制混凝土时，砂的颗粒级配和粗细程度应同时考虑。当砂中含有较多的粗颗粒，应以适量的中颗粒及少量的细颗粒填充其空隙，则可达到空隙率及总面积均较小，这是比较理想的状态，不仅水泥用量少，而且还可以提高混凝土的密实度和强度。

砂的颗粒级配和粗细程度常用筛分析法，即用一套孔径尺寸为9.5 mm、4.75 mm、2.36 mm、1.18 mm、0.6 mm、0.3 mm 和0.15 mm 的标准筛（方孔筛）将500 g 干砂试样（已筛除大于9.50 mm 的颗粒）由粗到细依次过筛，然后称量留在各筛上的砂量（9.5 mm 筛除外），并计算出各筛上的分计筛余百分率a1、a2、a3、a4、a5 和a6（各筛上的筛余量占砂样总质量的百分率）及累计筛余率A1、A2、A3、A4、A5 和A6（各筛和比该筛粗的所有分计筛余百分率之和）。分计筛余与累计筛余的关系见表5-5。

表5-5　分计筛余与累计筛余的关系

砂的粗细程度用细度模数（Mx）表示，即

细度模数越大，表示砂越粗，普通混凝土用砂的模数一般为1.6～3.7，并按细度模数将砂分为粗、中、细三种规格，其中，粗砂的细度模数为3.1～3.7，中砂的细度模数为2.3～3.0，细砂的细度模数为1.6～2.2。

《建设用砂》（GB/T 14684—2011）规定，根据0.6 mm 筛孔的累计筛余，把Mx 为1.6～3.7的常用砂的颗粒级配分为三个级配区，见表5-6。

表5-6　砂的级配范围

为了直观、方便地反映砂的级配情况，常用筛分曲线来判断。所谓筛分曲线，就是指以累计筛余百分率为纵坐标、以筛孔尺寸为横坐标所画的曲线。用表5-6 的规定值画出1、2、3 三个级配区上、下限值的筛分曲线，如图5-3 所示。试验时，将砂样筛分析试验得到的各筛累计筛余百分率标注在图5-3 中，然后可观察此筛分曲线是否完全落在级配区的某一区内，据此判断该砂的级配是否合格。同时，也可以根据筛分曲线的偏向情况，大致判断砂的粗细情况。当筛分曲线偏向右下方时，表明砂过粗；当筛分曲线偏向左上方时，表明砂过细。

根据对筛分曲线的分析，配制混凝土时宜优先选用2 区砂。当选用1 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；当选用3 区砂时，宜适当降低砂率，以保证混凝土的强度。

如果某地区的砂子自然级配不符合要求，可采用人工级配砂。配制方法是当有粗、细两种砂时，将两种砂按适当的比例掺配在一起；当仅有一种砂时，筛分分级后，再按一定比例配制。

4）碱-集料反应。碱.集料反应是指水泥、外加剂等混凝土组成物及环境中的碱与集料中的碱活性矿物在潮湿环境下缓慢发生并导致混凝土开裂破坏的膨胀反应。对重要工程的混凝土用砂，应根据混凝土结构的使用条件和要求，按规定方法对砂子进行碱活性试验。

5）砂的坚固性。砂的坚固性是指砂在气候、环境或其他物理因素作用下抵抗破碎的能力。

天然砂的坚固性是根据砂在硫酸钠溶液中经五次浸泡循环后质量损失的大小来判定的。根据《建设用砂》（GB/T 14684—2011）的规定，天然砂的坚固性指标应符合表5-7 的规定。

图5-3　砂的筛分曲线

表5-7　砂的坚固性指标(www.xing528.com)

人工砂的坚固性采用压碎指标法进行检验。将砂筛分成300 ～600 pm、118 ～600μm、1.18～2.36 mm、2.36～4.75 mm 四个单粒级，按规定方法对单粒级砂样施加压力，施压后重新筛分，用单粒级下限筛的试样通过量除以该粒级试样的总量即为压碎指标。根据《建设用砂》（GB/T 14684—2011）的规定，人工砂的压碎指标应符合表5-8 的规定。

表5-8　砂的压碎指标

2.粗集料

（1）粗集料的种类及其特性。根据国家标准《建设用卵石、碎石》（GB/T 14685—2011）的规定，粒径为4.75～90 mm 的集料，称为粗集料，按技术要求将粗集料分为Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类。Ⅰ类粗集料宜用于强度等级大于C60 的混凝土；Ⅱ类粗集料宜用于强度等级为C30 ～C60 及有抗冻、抗渗或其他要求的混凝土；Ⅲ类粗集料宜用于强度等级小于C30 的混凝土。

普通混凝土常用的粗集料有碎石和卵石。

1）碎石是由天然岩石或大卵石经破碎，筛分而得的粒径大于4.75 mm 的岩石颗粒。碎石表面粗糙、棱角多且较洁净，与水泥石粘结比较牢固。

2）卵石是由天然岩石经自然风化、水流搬运和分选、堆积形成的粒径大于4.75 mm 的岩石颗粒，按其产源可分为河卵石、海卵石、山卵石等。卵石表面光滑，有机杂质含量较多，与水泥石胶结力差。

（2）粗集料的技术要求。粗集料作为混凝土的组成材料之一，其质量的优劣直接影响到混凝土质量的好坏。《建设用卵石、碎石》（GB/T 14685—2011）对卵石和碎石的质量及技术要求主要有以下几个方面：

1）含泥量和泥块含量。粗集料中的泥、泥块对混凝土的危害与细集料的相同。卵石、碎石中的含泥量和泥块含量应符合表5-9 的规定。

表5-9　卵石、碎石中的含泥量和泥块含量

2）有害物质含量。粗集料中不应混有草根、树叶、树枝、塑料、煤块和炉渣等杂物，粗集料中有害物质主要有硫化物、硫酸盐、有机物及氯化物等，它们对混凝土的危害与细集料的相同。粗集料中的有害物质含量应符合表5-10 的规定。

表5-10　卵石、碎石中的有害物质含量

3）碱-集料反应。与细集料相同，粗集料也存在碱.集料反应，而且所产生的危害比细集料更严重。当对粗集料的碱活性有怀疑或用于重要工程的粗集料时，应根据混凝土结构的使用条件和要求，按规定方法对粗集料进行碱活性检验。

4）针、片状颗粒含量。粗集料的颗粒形状以球形或立方体形颗粒为好，而针、片状颗粒形状较差。粗集料中针、片状颗粒不仅受力时容易折断，影响混凝土的强度，而且会增加集料空隙率，使混凝土拌合物的和易性变差，其含量应加以限制。根据标准的规定，粗集料中的针、片状颗粒含量应符合表5-11 的规定。

表5-11　卵石、碎石中的针片状颗粒含量

5）最大粒径及颗粒级配。粗集料公称粒级的上限，称为该粒级的最大粒径。当集料用量一定时，其比表面积随着粒径的增大而减小，因而包裹其表面所需的水泥浆量减少，可节约水泥；而且，在一定和易性和水泥用量的条件下，能减少用水量而提高强度，特别是在大体积混凝土中，能有效降低水泥水化热，对控制大体积混凝土的温度裂缝尤为重要。因此，粗集料的最大粒径应在条件许可的情况下，尽量选大些。但对于普通的结构混凝土，尤其是高强度混凝土，粗集料粒径对混凝土强度也有一定影响，当粗集料粒径大于40 mm 时，由于大粒径粗集料的不均匀会造成混凝土强度降低，此外，粗集料的最大粒径还受结构形式、配筋间距及施工条件的影响，因此，结构混凝土中应当限制粗集料的最大粒径。

根据《混凝土结构工程施工规范》（GB 50666—2011）的规定，混凝土用粗集料的最大粒径不得超过结构截面最小尺寸的1/4。同时，不得超过钢筋间最小净距的3/4。对于混凝土实心板，集料的最大粒径不宜超过板厚的1/3，且不得超过40 mm。对于泵送混凝土，粗集料的最大粒径与输送管内径之比，当泵送高度在50 m 以下时，碎石不宜大于1：3，卵石不宜大于1：2.5；当泵送高度为50～100 m 时，碎石不宜大于1：4，卵石不宜大于1：3；当高度在100 m以上时，碎石不宜大于1：5，卵石不宜大于1：4。

与细集料的要求相同，粗集料也要求有良好的颗粒级配，使空隙率及总表面积较小，从而节约拌制混凝土的水泥用量，提高混凝土的密实度，尤其是配制高强度混凝土，粗集料级配特别重要。

粗集料的颗粒级配分为连续级配和间断级配两种。连续级配是石子由小到大各粒级相连的级配；间断级配是指用小颗粒的粒级直接与大颗粒的粒级相配，使石子粒径不连续。建筑工程中多采用连续级配，级配不良的粗集料容易导致新拌混凝土的施工性能很差，降低混凝土的质量。

粗集料的级配可根据《建设用卵石、碎石》（GB/T 14685—2011）的规定，通过筛分试验来确定。

6）含水状态。集料的含水状态可分为干燥状态、气干状态、饱和面干状态和湿润状态四种。干燥状态下的集料含水率等于或接近于0；气干状态的集料含水率与大气湿度相平衡，但未达到饱和状态：饱和面干状态的集料，其内部孔隙含水达到饱和而其表面干燥；湿润状态的集料不仅内部孔隙含水达到饱和，而且表面还附着一部分自由水。

在工程施工过程中，应随时测定现场集料的含水率，以便及时调整混凝土组成材料的实际用量的比例，从而保证所配制的混凝土的质量。

7）集料的强度。为保证所配制的混凝土的强度，粗集料必须具有足够的强度。粗集料的强度可以通过岩石立方体强度和压碎指标两种方法来表示。

①岩石立方体强度。岩石立方体强度，就是将制作粗集料的母岩制成边长为50 mm 的立方体（或直径与高均为50 mm 的圆柱体）试件浸水48 h 后，所测定的极限抗压强度值。根据《建设用卵石、碎石》（GB/T 14685—2011）的规定，在水饱和状态下测其抗压强度，火成岩应不小于80 MPa，变质岩应不小于60 MPa，水成岩应不小于30 MPa。

②压碎指标。压碎指标检验可以模拟粗集料在混凝土中的实际受力状态，就是将一定质量的气干状态下粒径为10～20 mm 的颗粒，装入一定规格的圆筒内，在压力机上按1 kN/s速度均匀加荷至200 kN，并稳荷5 s，卸载后用孔径为2.5 mm 的方孔筛筛去被压碎的细粒，称取试样的筛余量。压碎指标可按下式计算：

式中　Q——压碎指标（%）：

　　　G0——试样质量（g）；

　　　G1——试样的筛余量（g）。

压碎指标值可以间接地反映粗集料的强度大小。压碎指标值越小，说明粗集料抵抗受压破碎的能力越强，强度越大。根据《建设用卵石、碎石》（GB/T 14685—2011）的规定，粗集料的压碎指标应符合表5-12 的规定。

表5-12　粗集料的压碎指标

8）表观密度、堆积密度、空隙率。根据《建设用卵石、碎石》（GB/T 14685—2011）的规定，粗集料的表观密度不小于2 600 kg/m3，松散堆积密度大于1 350 kg/m3，空隙率不大于47%。

9）坚固性。粗集料的坚固性是指粗集料在自然风化和其他外界物理、化学因素作用下抵抗破碎的能力。具有某种特征孔结构的岩石会表现出不良的体积稳定性，这些颗粒遭受冻融循环后引起体积变化，从而导致混凝土破坏。集料越密实，强度越高，吸水率越小时，其坚固性越好；集料越疏松，矿物成分越复杂、越不均匀，其坚固性越差。

粗集料的坚固性用试样在硫酸钠溶液中经五次浸泡循环后质量损失的大小来判定。根据《建设用卵石、碎石》（GB/T 14685—2011）的规定，粗集料的坚固性指标应符合表5-13 的规定。

表5-13　粗集料的坚固性指标