学砂石知识，点“砂”成金；谈骨料应用，聚“石”成塔

学砂石知识，点“砂”成金；谈骨料应用，聚“石”成塔

 

砂石骨料是基础设施建设用量最大、不可替代、不可或缺的材料，与人类的生存和发展息息相关。人类用来建设和改造世界，每年要消耗数百亿吨砂石骨料。骨料占到硬化混凝土体积的60%到75%，是混凝土的主要组成部分。

砂石骨料的重要性不言而喻。但是，你对砂石骨料的相关知识真正熟知吗？

骨料简介

选择正确的、高质量的骨料，对于获得高品质混凝土的重要性是毋庸置疑的。在混凝土中，按照体积比，大约60%到75%（重量比约为70%到85%）都是骨料，骨料对新拌混凝土和硬化混凝土的性能以及混凝土的成本影响巨大。

细骨料是直径小于5mm的天然砂和碎石，而粗骨料一般是由一种或多种砾石或碎石组成，其粒径大于5mm。

细骨料

粗骨料
 

某些天然骨料称为连砂石，是既包含砾石，也包含砂子的连续级配的天然骨料，经简单处理后就可以在混凝土中使用。天然的砾石和砂子一般是通过开挖或采捞从矿坑、河流、湖泊或海床中取得。碎石通常是将采石场中的石头破碎后取得。气冷的高炉矿渣经破碎后也可以作为骨料使用。

骨料通常需要经过清洗和级配后才能使用，骨料的粒型、质量、洁净度、级配、含水量等都会对混凝土的性能产生影响。

天然骨料通常是各种岩石和不同矿物的混合物。自然界中存在三类岩石：火成岩、沉积岩和变质岩，每类岩石中又有不同的岩石品种，每个品种的岩石往往包含几种矿物。例如，花岗岩中含有石英、长石、云母等矿物；石灰石含有方解石、白云石等矿物。

回收的混凝土压碎后也是一种经济的骨料来源。

骨料必须满足一定的标准，必须清洁、坚硬、有足够的强度、耐久性好、不吸附化学杂质、表面没有泥土和其他影响水泥水化、影响骨料与水泥凝胶粘合的细颗粒。避免使用易碎的骨料，避免使用页岩或页岩类材料含量过高的骨料，避免使用松软多孔杂质含量高的骨料。某些燧石的耐风化性能很差，因此要特别避免使用。

骨料的级配

骨料中各种大小不同的颗粒之间的数量比例，称为骨料的级配。

不同粒径的骨料
 

骨料的级配如果选择不当，以至骨料的比表面积、空隙率过大，则需要更多的水泥浆，才能使混凝土获得一定的流动性，才能填充骨料间的空隙。而且，骨料的级配对硬化混凝土的性能也有很大的影响，如强度、耐久性等。如果骨料级配不合理，有时即使多加水泥，硬化混凝土的性能也会受到一定的影响，因此骨料级配对于获得高质量、低成本的混凝土非常重要。

骨料颗粒大小常用筛分确定，相关标准对标准筛系的规格和质量有明确的规定。骨料的级配采用各筛上的筛余量按质量百分率表示，其筛分结构可以绘制成筛分曲线，也称级配曲线。

骨料的筛分
 

骨料级配、骨料最大粒径和最小粒径等因素对混凝土的水泥用量和需水量都有很大影响，同时还对混凝土的和易性、可泵性、经济性、孔隙率、收缩性和耐久性产生显著影响。

骨料的级配对空隙率的影响从下图的实验中可以看出。第一个烧杯中是单一级配的粒径较大的骨料，第二个烧杯中是单一级配的粒径较小的骨料，第三个烧杯中是这两种骨料按1:1混合（体积比）的混合骨料。然后向这三个烧杯中注入水，前两个烧杯可注入的水量完全相同，说明骨料间的空隙的体积是相同的，与骨料的粒径没有关系。而第三个烧杯可注入的水量明显减少，说明这两种骨料混合后，骨料间空隙的体积明显减小，也就是说空隙率显著下降。如果将更多不同粒径的骨料混合在一起，其空隙率会进一步下降。而混凝土中水泥浆的用量与骨料空隙率成正比。

骨料空隙率实验
 

在实际工程中，水泥浆的用量往往大于骨料间空隙的体积。如下图所示，上图中骨料彼此相接触，下图表示骨料分布在水泥浆中的情况，骨料彼此不再接触，因此空隙体积变大，也就是水泥浆的用量增大，只有这样，混凝土才具有良好的和易性。

骨料空隙率与水泥浆的用量
 

级配理论介绍

良好的骨料级配要满足以下基本要求：

1、骨料的空隙率最小，可以减少水泥浆用量，配出性能好的混凝土。

2、骨料混合物具有适当小的表面积，从而节省水泥，改善工作性能。

3、尽可能采用最大数量的最大粒径骨料，这样可以大大提高密实度，减少表面积。大粒径骨料越多，骨架作用越强。

目前常用的级配理论有两种，连续级配和间断级配。

一、连续级配理论

连续级配的特征是粗细骨料各分级粒度俱全，相邻两级粒径比为2。

主张连续级配的专家认为，一个良好的连续级配是按照一定的粒径比及其含量形成一个连续的级配曲线。如在实际配合混凝土时，骨料各级含量符合或接近此理论曲线，所配的混凝土具有良好的工作度和最大密实度。

二、间断级配理论

为了得到最小空隙率，相邻两级骨料粒度比要比较大，才能使大颗粒十分靠近，大颗粒数量最多。有试验证明，但粒度比为8:1时，采用2-3级的间断级配，就可能达到最优的空隙率。试验还指出，间断级配最大一级骨料用量远远大于连续级配最大一级骨料的用量，在达到同样的空隙率时，间断级配的表面积较小。

上述两种级配理论的前提是，认为硬化后混凝土的结构及其骨料的空间关系，与硬化前干混合物颗粒排列状态相对应。只有在此前提下，骨料的理想级配才有意义。

但实际情况是，混凝土是通过一定的工艺措施才能使之密实成型，因此骨料的实际分布状态受混凝土拌合物流动性及外力作用条件的影响，不一定能保持理想位置，特别是混凝土干硬时，其紧密程度与理想状态有较大出入。

其实，上述两个级配理论都是要降低骨料的空隙率和表面积，从而提高最大颗粒的使用量。在这方面，间断级配的优越性显然更显著些。间断级配的优点是空隙率小，表面积小，骨料的骨架作用较显著，从而能节省水泥，提高混凝土的性能。

骨料的密度

a、骨料的表观密度

表观密度ρ是骨料颗粒单位体积（包括内封闭孔隙）的质量。

b、骨料的堆积密度

骨料在自然堆积状态下，单位体积的质量称为堆积密度ρ1，这里的体积既包括骨料的体积，也包括骨料间空隙的体积。

c、骨料的紧密密度

根据所规定的捣实条件，把骨料放入容器中，装满容器后的骨料质量除以容器的体积，称为紧密密度ρc。

d、骨料的空隙率

骨料颗粒之间没有被骨料占据的自由空间，称为骨料的空隙。在单位体积的骨料中，空隙所占的体积百分比，称为空隙率。

只要测定骨料的表观密度ρ和堆积密度ρ1，就可以计算出骨料的空隙率。

设总体积为V0，纯粹骨料的体积为V，骨料的质量为G：

堆积密度ρ1==G/V0

紧密密度ρc==G/V

空隙体积==V0-V

堆积密度空隙率：υ1==（1-ρ1/ρ）*100%

紧密密度空隙率：υc==（1-ρc/ρ）*100%

碱骨料反应

碱骨料反应病害图
 

碱骨料反应(AAR)可以导致混凝土结构膨胀并产生严重开裂。碱骨料反应的机理并没有被完全研究清楚，到目前为止所掌握的原因是由于混凝土中的某些骨料，如某些硅石类骨料，它们可以与水泥中的氢氧化钾、氢氧化钠和氢氧化钙等成分发生化学反应，在骨料表面生成一种凝胶体。这种凝胶体遇水膨胀，产生张力而导致周围的混凝土发生开裂。（环境温度在21-24摄氏度时，混凝土的相对湿度在80%以上时才会导致凝胶体膨胀而产生开裂。）

碱骨料反应微观显微照片
 

无束缚混凝土结构如果内部有碱骨料反应发生，表面会出现裂缝。一旦表面产生开裂，就会有更多的水份渗透进入混凝土结构内部，加速碱骨料反应，同时还会导致冻融破坏，进入恶性循环。

碱骨料反应是一个缓慢的过程，往往需要若干年的时间才能发现它给混凝土带来的严重病害。

 

纸上得来终觉浅，要知此事须躬行。砂石人要想深入了解砂石骨料知识，不仅仅要多看书，还要多实践。尤其是熟悉、了解砂石生产、运输、应用和设备相关方面的知识，以及砂石行业未来走向至关重要。2018年12月7日~10日，中国砂石协会将在中国上海召开“第五届中国国际砂石骨料大会”，届时全球砂石行业及上下游行业专家、学者和企业家将为您带来别样的年终砂石盛宴。