摘要：通过比较不同国家标准对混凝土用骨料的规定，发现在骨料粒形及级配方面存在的区别与问题。对于骨料级配，本文通过分析二区中砂各分计筛余情况，发现用累计筛余和细度模数作为机制砂级配的控制指标存在不合理性；对于骨料粒形，现行规范对于粗骨料针片状颗粒的规定过于宽泛，而对于细骨料粒形没有相应的规定。本文通过对这些问题的分析与思考，建议用分计筛余百分率作为级配控制的指标，避免间断级配的出现；提出粗骨料不规则颗粒和机制砂片状颗粒的定义、检测方法,为高品质骨料的生产提供技术和质量控制的依据。
1．引言
随着优质天然砂石资源的枯竭，机制砂石正在成为混凝土生产的主要砂石源。而我国砂石质量差，级配不合理、空隙率高，粒形不好，不仅影响混凝土拌合物和易性，对混凝土力学性能和耐久性都带来不利影响。对于骨料级配，现行规范中认为二区中砂更适合配制混凝土。相同细度模数的砂，各分计筛余可以大不相同，艾长发[1]也提出细度模数仅是表征机制砂的粗细程度的宏观指标，无法反映颗粒级配的真实情况。目前国内外砂石规范中，均是对累计筛余提出要求，且控制范围很宽，这样就会出现间断级配。对于骨料粒形，现行规范中只有对粗骨料针片状颗粒的规定，且比较宽泛，对于细骨料粒形方面没有相关规定。粗细骨料粒形对混凝土性能的影响需要明确。本文通过试验研究与分析，对相关标准中骨料级配和粒形方面存在的问题进行了思考与分析，提出了新的技术要求、新的指标与检测方法，希望为骨料相关标准的制定与修订提供参考。
2.骨料级配存在的问题与思考
骨料的颗粒级配即不同粒径的砂相互搭配的情况。良好的级配能使砂的空隙率和总表面积均减小，从而在保证良好施工性能的前提下，使混凝土胶凝材料浆量减少，并能提高混凝土密实性、强度和耐久性。表1列出了BS812-103.1:1985[2]、BS EN933.2:1996[3]、ASTM136-06[4]以及我国[5]规定的用于骨料级配试验的筛孔尺寸。对于混凝土而言，骨料粒径在0-40mm之间，通过对比可以看到，对于细骨料的筛孔尺寸，BS、ASTM与中国基本相同，而对于粗骨料的筛孔尺寸，10-20mm之间的筛孔尺寸略有差别。表2对各国混凝土适用的骨料级配进行了比较。
可以看到，对于混凝土用骨料，中国与其他各国相比，骨料最大粒径较小，各国对与混凝土用骨料5~20mm，5~40mm的规定相差不大，中国和日本对于5~25mm的规定相同。但是中国对于5-25mm连续级配，16mm通过百分率是30~70%，这就意味着大小粒径比例7:3到3:7，一般情况下，大粒径骨料应该大于小粒径骨料，所以16mm的通过百分率的指标规定存在问题。
表3是各国对于中砂级配的要求。从表中可以看到，总体上看,各国对于砂级配控制范围宽泛,尤其BS中砂的要求更为宽泛。ASTM、日本及中国对于中砂级配控制范围相对较小。
根据上表可以看出，《建设用砂》GB/T 14684—2011对于人工砂0.15mm通过百分率要求为6~20%，比其他国家高，这意味着0.15mm以下颗粒可以很多，0.6mm的通过百分率为30~59%，最大值比其他国家低，这就意味着中国标准中规定的0.15~0.6mm颗粒少，容易导致机制砂级配出现两头大中间小的问题，而0.15~0.6mm之间的颗粒对于混凝土的工作性、抹面和泌水很重要，因此我国对于Ⅱ区机制砂级配的规定存在一定的问题，应该降低0.15mm通过百分率，增大0.6mm的通过百分率。而《人工砂混凝土应用技术规程》JGJ24-2011标准中对于0.15mm通过百分率为0~10%，比较合理。
各国均以累计筛余作为机制砂评定指标，仔细分析，存在很大问题，分析《人工砂混凝土应用技术规程》Ⅱ区机制砂，2.36mm的累计筛余0-25%，1.18mm的累计筛余10-50%，那么0.18的分计筛余可以是0-50%，同理600um的分计筛余可以是0-60%，300um的分计筛余可以是0-51%，各个粒径区的砂可以没有也可以很多，各个粒径区颗粒含量范围其实很大，这样的级配规定显然是不合理的，所以用累计筛余存在很大缺陷。
再看细度模数，也不能准确表明砂的粗细，细度模数相同且符合二区的砂子，各个粒径区的颗粒含量可以相差很大。表4列出了细度模数相同且符合二区的砂各个粒径区的累计筛余。计算各分计筛余如表5所示。
由上表可以看出，细度模数相同的两种砂，各粒径区的分计筛余可能相差很大，1-2细度模数虽为2.1，但4.75以上颗粒达10%；2-2细度模数虽为2.6，如果仅看级配区和细度模数，应该是适合配制混凝土的好砂，但从分计筛余看出现两头大，中间小的问题，明显是级配不好的砂子；3-2细度模数3.2，但与3-1相比，3-1中4.75mm的颗粒占10%，而3-2没有；3-1中0.3mm以下占30%，而3-2占50%，所以3-2明显比3-1的砂子细。为了验证这一说法，选用了两种细度模数为2.6的砂使用相同配合比配制C30、C40混凝土，其状态如图1和图2所示，可以看到两种机制砂配制的混凝土状态相差很大。2-1配制的混凝土和易性好，如下图所示，坍落度为240mm，强度也相对较高，为45.3MPa的混凝土强度坍落度为180mm，强度为40.2MPa。3-1配制的混凝土坍落度为220mm，强度为53.9MPa；3-2配制的混凝土坍落度为160mm，强度为47.2MPa。可见想同细度模数的机制砂配制的混凝土性能差异很大。
所以用累计筛余所形成的级配区来评价砂子级配的好坏不合理，尤其对于现在，机制砂成为主要砂石源，与以前天然砂不同，机制砂的级配应该是可以按照混凝土的需求通过生产工艺进行控制的，可以规定一个级配区指导机制砂生产，而不是现行标准中的三个级配区。
通过试验我们发现对于配制低强度等级混凝土来说，使用二区上限机制砂（细砂）即1-1配制的混凝土和易性好，而对于中高强度等级混凝土，使用二区中线机制砂即2-1配制的混凝土和易性好。所以可以确定每个粒径机制砂含量范围，为避免在二区中出现折线状的累计筛余线形，我们建议利用分计筛余百分率来限定各个粒径区颗粒含量，生产更适合混凝土性能要求的机制砂。以C30和C50混凝土为例，相对适宜的机制砂分计筛余百分率如表6所示。
根据试验室研究，我们提出适合配制混凝土的机制砂各粒径的分计筛余百分率见表7。根据表7绘制混凝土用机制砂分计筛余百分率曲线如图3所示。
3.骨料粒形方面存在的问题
骨料颗粒形状除了粒形圆形以及接近立方体的规则形状外，还存在不良形状。英国BS812规定：碎石或卵石的针状颗粒为颗粒的长度大于该颗粒的平均粒径1.8倍者，片状颗粒为颗粒的厚度小于该颗粒的平均粒径0.6倍者[2]。我国针状颗粒规定为凡岩石颗粒长度大于该颗粒所属粒级的平均粒径2.4倍者；片状颗粒为厚度小于平均粒径0.4倍者[5]。相比之下，我国的规定更加宽松，相同的粗骨料，所测针片状含量远远小于英国所测值。所以导致生产的碎石即使针片状含量较低，但粒形却可能很不好，影响混凝土性能。因此有必要在针片状之外提出更为严格的粒形控制指标。我们定义了粗骨料不规则颗粒：粗骨料最小一维尺寸L小于该粗骨料所在粒径区平均粒径的0.5倍。根据定义我们发明了条形孔筛来检测粗骨料不规则颗粒，条形孔筛实物图及筛上和筛下的颗粒如图4所示。
通过研究发现碎石不规则颗粒对混凝土和易性和强度确实有很大影响，当碎石不规则颗粒含量超过30%时，混凝土各项性能出现明显下降。反过来，如果骨料粒形做的好，混凝土各项性能都能有所提高，所以应该提出粗骨料不规则颗粒的限定指标。
对于机制砂目前没有针片状颗粒的定义、质量控制指标，缺乏用于实际生产研究的片状颗粒含量检测方法及其颗粒形状和表面特征对预拌混凝土性能影响的研究结果。因此我们提出了机制砂片状颗粒的定义：1.18mm以上的机制砂颗粒中最小一维尺寸小于该颗粒所对应粒径范围平均粒径0.45倍的颗粒。同时提出用条形孔筛检测与甄别片状颗粒。条形孔筛实物图及筛上和筛下的颗粒如图5所示。通过研究发现，机制砂片状颗粒对胶砂和混凝土流动性和强度有一定影响。当片状颗粒含量超过20%时，对胶砂和混凝土各项性能产生明显影响。所以在细骨料粒形方面，我们需要提出片状颗粒含量的控制指标。
4.结论
现代混凝土以大流态为主体，本课题研究的主要结论与建议如下：
（1）粗骨料5-25mm连续级配16mm通过百分率建议30~50%，要控制大粒径和小粒径的比例，保证低空隙率。
（2）我国《建筑用砂》GB/T 14684—2011标准中规定的0.15mm以下颗粒较多，而相比之下0.15~0.6mm颗粒少，容易加剧机制砂级配出现两头大中间小的问题，因此0.15mm以下颗粒应该控制在15%以下。
（3）标准中，用累计筛余形成的级配区作为机制砂级配的评价指标存在很大缺陷，各粒径区颗粒含量范围过于宽松，导致相同级配区细骨料配制的混凝土和易性和性能相差很大。对于高品质机制砂生产，建议使用分计筛余百分率作为级配控制的技术指标。
（4）对于粗骨料粒形我们提出了不规则颗粒含量及检测方法，建议不大于10%。
（5）对于人工砂我们提出了片状颗粒含量及检测方法，建议不大于20%。
< 完 >
