2.4　骨料

骨料是混凝土中比例最大的组分，相对而言比较便宜而且不会与水、水泥发生复杂的化学反应，因此传统观念上人们常把它作为混凝土的惰性填充材料。从认识角度来讲，骨料对于混凝土性能的重要性长期没有得到重视，人们倾向于认为混凝土中最重要的组分材料是水泥，水泥的问题弄清楚了混凝土的问题就解决了。因此导致我国混凝土骨料产业技术和工艺水平较低，相关标准要求也低，骨料品质整体上较差，已经严重影响和制约了混凝土工程质量和混凝土技术进步。近年来，人们逐渐认识到骨料对混凝土和易性、尺寸稳定性、耐久性、强度以及经济性方面的重要作用。我国前辈学者蔡正咏曾指出“我国混凝土质量比西方国家的差，主要原因在于骨料的质量”；美国混凝土知名学者梅塔教授也曾强调“我们必须像重视水泥那样重视骨料”。

2.4.1　骨料的定义与分类

普通混凝土用骨料（也称集料）按粒径可分为细骨料（fine aggregate）和粗骨料（coarse aggregate）。粒径大于4.75mm的颗粒称为粗骨料，包括碎石和卵石。碎石是由天然岩石、卵石或矿山废石经机械破碎、筛分制成的岩石颗粒；卵石是由自然风化、水流搬运和分选、堆积形成的岩石颗粒。粒径小于4.75mm的骨料称为细骨料，它包括天然砂和人工砂。天然砂是自然生成的，经人工开采和筛分后粒径小于4.75mm的岩石颗粒，包括山砂、河砂、湖砂、淡化海砂，但不包括软质、风化的岩石颗粒；人工砂是经除土处理，由机械破碎、筛分而制成的，粒径小于4.75mm的岩石、矿山尾矿或工业废渣颗粒，但不包括软质、风化的岩石颗粒。

2.4.2　骨料的作用

在传统混凝土技术平台上，混凝土以干硬性和低塑性为主体，浆体用量相对较少，粗细骨料堆积构成骨架结构，传递应力，起强度作用，所以人们称砂石为骨料。随着混凝土技术的不断进步，现代混凝土尤其是预拌混凝土，以大流态为主体，浆骨比提高，砂石更多情况下悬浮于胶凝材料浆体中。所以对于现代混凝土而言，传递应力的作用明显减少，骨料更多的作用体现在抑制收缩、防止开裂上。也就是说，骨料的骨架作用主要是稳定混凝土的体积而不是强度。纯水泥浆体硬化后收缩较大，无法用于结构，必须有骨料对水泥浆体的收缩起约束作用，而且骨料在混凝土中必须占据大部分体积。一般情况下，水泥净浆的收缩大于砂浆，砂浆的收缩大于混凝土。

2.4.3　骨料的质量与性能

我国在《建设用砂》（GB/T 14684—2011）和《建设用卵石、碎石》（GB/T 14685—2011）这两个标准中，对不同类别的砂、石均提出了明确的技术质量要求。根据标准规定，建筑用砂和建筑用卵石、碎石按技术要求均可分为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类。

2.4.3.1　泥和泥块含量

含泥量是指骨料中粒径小于0.075mm颗粒的含量。需注意的是，泥块含量在粗骨料和细骨料中定义不同，应注意区分。在细骨料中泥块含量是指粒径大于1.18mm，经水洗、手捏后变成粒径小于0.60mm的颗粒的含量；在粗骨料中则指粒径大于4.75mm，经水洗、手捏后变成粒径小于2.36mm的颗粒的含量。

骨料中的泥颗粒极细，会粘附在骨料表面，影响水泥石与骨料之间的胶结作用。而泥块会在混凝土中形成薄弱部分，对混凝土的质量影响更大。因此，对骨料中泥和泥块含量必须加以严格限制。天然砂石的含泥量和泥块含量应符合表2-18的规定。

2.4.3.2　有害物质含量

为保证混凝土的质量，混凝土用砂和石不应混有草根、树叶、树枝、煤块、炉渣、塑料品等杂物。砂中常含有如云母、有机物、硫化物及硫酸盐、氯盐、黏土、淤泥等杂质。云母呈薄片状，表面光滑，容易沿解理面裂开，与水泥粘结不牢，会降低混凝土的强度；黏土、淤泥多覆盖在砂的表面，妨碍水泥与砂的粘结，降低混凝土的强度，增大收缩，容易导致混凝土产生开裂；硫酸盐、硫化物对硬化的水泥凝胶体产生腐蚀；有机物通常是植物的腐烂产物，妨碍、延缓水泥的正常水化，降低混凝土的强度；氯盐能引起混凝土中钢筋锈蚀，破坏钢筋与混凝土的粘结，使混凝土保护层开裂。砂和石子的有害物质含量规定应符合表2-19和表2-20的规定。

应注意的是骨料中若含有活性氧化硅或含有活性碳酸盐，在一定条件下会与水泥的碱发生碱-骨料反应（碱-硅酸反应或碱-碳酸盐反应），生成凝胶，吸水产生膨胀，导致混凝土开裂。若骨料中含有活性二氧化硅时，采用化学法和砂浆棒法进行检验；若含有活性碳酸盐骨料时，采用岩石柱法进行检验。国家标准《建筑用砂》（GB/T 14684—2011）和《建设用卵石、碎石》（GB/T 14685—2011）对砂石碱活性这样规定：经碱-骨料反应试验后，试件应无裂缝、酥裂、胶体外溢等现象，在规定的试验龄期膨胀率应小于0.10%。国家标准《预防混凝土碱骨料反应技术规范》（GB/T 50733—2011）规定：混凝土工程宜采用非碱活性骨料。具有碱-碳酸盐反应活性的骨料不得用于配制混凝土。

需要强调的是，面对资源压力，对于有碱-硅酸反应活性的骨料不宜全面抛弃，只要采取适当的技术手段，是可以安全使用的。

2.4.3.3　坚固性

骨料的坚固性是指骨料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。

（1）石坚固性

石坚固性用硫酸钠溶液法检验，试样经5次循环后其质量损失值应小于有关规定。碎石和卵石的坚固性其质量损失应符合表2-21的规定。

（2）砂坚固性

通常天然砂坚固性以硫酸钠溶液干湿循环5次后的质量损失来表示；人工砂除硫酸钠溶液法外还应采用压碎指标法进行试验。

①硫酸钠溶液法　砂坚固性采用硫酸钠溶液法时，各标准应符合表2-22的规定。

②压碎指标法　人工砂除了要满足表2-22的规定外，压碎指标还应满足表2-23的规定。

砂压碎指标是将一定量试样烘干后，筛除大于4.75mm及小于300μm的颗粒，将试样倒入已组装好的受压钢模内，以500N/s的速度均匀加荷，加荷至25kN并稳荷5s后，以同样的速度卸荷。取下受压模，移去加压块，倒出压过的试样，然后用该粒级的下限筛（如粒级为2.36～4.75mm时，则其下限筛指孔径为2.36mm的筛）进行筛分，称出试样的筛余量和通过量，精确至1g。第i单级砂样的压碎指标按式（2-7）进行计算，精确至1%。

　　（2-7）

式中　Y_i——第i单粒级压碎指标值 %；

m₁——试样的筛余量，g；

m₂——试样的通过量，g。

2.4.3.4　级配和粗细程度

骨料的级配，是指骨料中不同粒径颗粒的分布情况。良好的级配应当能使骨料的空隙率和总表面积均较小，从而不仅使所需水泥浆量较少，而且还可以提高混凝土的密实度、强度及其他性能。从图2-19可以看出，如果是单一粒径的砂堆积，空隙最大，如图2-19（a）所示；两种不同粒径的砂搭配起来，空隙相应减少，如图2-19（b）所示；如果三种不同粒径的砂搭配起来，空隙就更小了，如图2-19（c）所示。

骨料的粗细程度，是指不同粒径的颗粒混在一起的平均粗细程度。相同质量的骨料，粒径越小，总表面积越大；粒径越大，总表面积越小，因而大粒径的骨料所需包裹其表面的水泥浆相对较少。即相同的水泥浆量，包裹在大粒径骨料表面的水泥浆层比包裹在小粒径骨料表面的水泥浆层厚，骨料间的摩擦也相应减小。

2.4.3.5　骨料的粒形和表面特征

当骨料的颗粒形状近似球形或立方体形，且表面光滑时，表面积较小，对混凝土流动性有利，但是表面光滑的骨料与水泥石之间粘结性较差。砂的颗粒比较小，一般很少考虑其形貌，但是石子就必须考虑其针、片状颗粒的含量。石子中针状颗粒是指颗粒长度大于该颗粒所属粒级平均粒径（该粒级上、下限粒径的平均值）的2.4倍者；而片状颗粒是指其厚度小于平均粒径0.4倍者。针、片状颗粒不仅受力时容易折断，而且会增加骨料间的空隙，所以国家标准《建设用卵石、碎石》（GB/T 14685—2011）中对针、片状颗粒含量作出规定的限量要求，见表2-24。针、片状含量采用针状规准仪（图2-20）、片状规准仪（图2-21）进行测定。

2.4.3.6　吸水性和表面潮湿状态

骨料颗粒会有不同的吸水状态，当所有可渗透孔都充满水而表面没有水膜时，称为饱和面干状态；当骨料水饱和，同时表面还有游离水时，则称该骨料处于潮湿的状态；当处于烘干状态时，所有的可蒸发水分在加热到100℃时已被清除干净，则称骨料处于全干状态。吸水量是指骨料从烘干到饱和面干状态所需要的水分总量；而有效吸水量的定义则是指骨料从气干状态到饱和面干状态所需的水量。超过饱和面干状态所需要的水量称作表面水。图2-22与图2-23所示分别为机制砂和天然砂的三种不同含水状态。

分析三种状态主要是为了解决混凝土配合比设计中用水量的计算，如以饱和面干状态的骨料为基准，则不会影响混凝土的用水量和骨料用量，因为饱和面干状态的骨料既不会从混凝土中吸收水分，也不会向混凝土中释放水分。因此，一些大型的水利工程、道路工程常以饱和面干状态骨料为基准，这样混凝土的用水量和骨料用量的控制就比较准确。而在一般工业与民用建筑工程中，《混凝土配合比设计规程》（JGJ 55—2011）仍规定以干燥状态骨料为基准。原因是坚固的骨料其饱和面干吸水率不超过2%，而且在工程施工中必须经常测定骨料的含水率，以及时调整混凝土组成材料的实际用量比例，从而保证混凝土的质量。

目前混凝土大量使用机制砂，而且骨料品种较多，品质各异，尤其是吸水率差别大时，以干燥状态设计混凝土配合比可能导致有效水胶比不同；此外使用干燥状态骨料生产混凝土时，若骨料吸水多，则同时也会吸附一定量的减水剂，造成混凝土坍落度损失过大；以干燥状态为基准设计配合比，混凝土生产中由于水的控制较难，容易导致坍落度损失快，质量波动增大。国外混凝土配合比设计都是以骨料饱和面干状态为基准，只有我国例外。当然，以饱和面干状态骨料作为混凝土配合比设计的基准应该是发展方向。

当细骨料被水润湿表面有水膜时，常会出现砂的堆积体积增大的现象，这种性质在验收材料和采用体积法配制混凝土时具有重要指导意义。需要注意的是，颗粒表面具有不渗透的结构特征，则不利于形成良好的粘结；但骨料吸水率越大，越不利于混凝土的抗冻性和抗裂性。可见混凝土中充满哲学，有利就有弊，有好就有坏，适度很重要。

2.4.4　细骨料的技术要求

2.4.4.1　细骨料的颗粒级配和粗细程度

砂的级配和粗细程度是用筛分析方法测定的。砂的筛分析方法是用一套方筛孔为4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.60mm、0.30mm、0.15mm的标准筛，将抽样所得500g干砂，由粗到细依次过筛，然后称得留在各筛上砂的质量，并计算出各筛上的分计筛余百分率a_i（各筛上的筛余量占试样总质量的百分率）及累计筛余百分率A_i（该筛的分计筛余与筛孔大于该筛的各筛的分计筛余百分率之和）。累计筛余和分计筛余的关系见表2-25，任意一组累计筛余百分率（A₁～A₆）则表征了一个级配。

砂按0.60mm筛孔的累计筛余百分率，分成三个级配区，见表2-26。砂的实际颗粒级配与表2-26中所示累计筛余百分率相比，除4.75mm和0.60mm筛号外，允许稍有超出分界线，但超出总量百分率不应大于5%。1区人工砂中（0.15mm）筛孔的累计筛余百分率可以放宽到100%～85%，2区人工砂中（0.15mm）筛孔的累计筛余百分率可以放宽到100%～80%，3区人工砂中（0.15mm）筛孔的累计筛余百分率可以放宽到100%～75%。

以累计筛余百分率为纵坐标，以筛孔尺寸为横坐标，根据表2-26的规定数值可以画出砂的1、2、3三个级配区上下限的筛分曲线（图2-24）。配制混凝土时宜优先选用2区砂；当采用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；当采用3区砂时，宜适当降低砂率，以保证混凝土强度。

砂的粗细程度用细度模数表示，细度模数（M_x）按式（2-8）计算：

　　（2-8）

细度模数越大，表示砂越粗。普通混凝土用砂的细度模数范围一般为3.7～1.6，其中M_x在3.7～3.1为粗砂，M_x在3.0～2.3为中砂，M_x在2.2～1.6为细砂，配制混凝土时宜优先选用中砂。M_x在1.5～0.7的砂为特细砂，配制混凝土时要作特殊考虑。

应当注意，砂的细度模数并不能反映其级配的优劣，细度模数相同的砂，级配可能差别很大。所以，配制混凝土时必须同时考虑砂的颗粒级配和细度模数。

【例2-1】　取500g干天然砂，经筛分后其结果如表2-27所示。试计算该砂细度模数，并判断该砂级配与粗细程度。

【解】　分计筛余和累计筛余的计算结果如表2-28所示。

查表2-26可知，该砂为2区中砂。

2.4.4.2　细骨料的其他质量要求

建筑用砂的含泥量、石粉含量和泥块含量，以及有害物质含量和坚固性要求见表2-29。

建筑用砂的表观密度、堆积密度、空隙率应符合如下规定：表观密度不小于2500kg/m³；松散堆积密度不小于1400kg/m³；空隙率不大于44%。

有机物含量试验，砂的试样溶液颜色应浅于标准溶液；砂样轻物质含量应小于1.0%。

2.4.5　粗骨料的技术要求

2.4.5.1　粗骨料的颗粒级配和最大粒径

石子的级配可分为连续粒级和单粒级，石子的级配通过筛分试验确定。一套方孔标准筛有2.36mm、4.75mm、9.50mm、16.0mm、19.0mm、26.5mm、31.5mm、37.5mm、53.0mm、63.0mm、75.0mm、90.0mm共12个筛子，可按需选用筛号进行筛分，然后计算得每个筛号的分计筛余百分率和累计筛余百分率（计算方法与砂相同）。碎石和卵石的级配范围要求是相同的，应符合表2-30的规定。

粗骨料中公称粒级的上限称为该骨料的最大粒径。骨料粒径越大，其比表面积越小，因此包裹它表面所需的水泥浆数量相应减少，可节约水泥用量，所以在条件许可的情况下，应尽量选用粒径较大的粗骨料。但粒径大的骨料容易使过渡界面区有更多的微裂纹，过渡区变得更加薄弱，因此应合理选择粗骨料的最大粒径。在实际工程上，骨料最大粒径受到多种条件的限制，具体如下：

①混凝土粗骨料的最大粒径不得超过结构截面最小尺寸的1/4，同时，不得大于钢筋间最小净间距的3/4。为避免混凝土难以流入模板和钢筋之间的空隙，粗骨料最大粒径不得超过保护层厚度的3/4（在严重腐蚀环境条件下不宜超过混凝土保护层厚度的1/2）。

②对于混凝土实心板，骨料的最大粒径不宜超过板厚的1/3，且不得超过40mm。

③对于泵送混凝土，骨料最大粒径与输送管内径之比，碎石不宜大于1∶3，卵石不宜大于1∶2.5。石子粒径过大，对运输和搅拌都不方便。

对于泵送混凝土，为防止混凝土泵送时堵塞管道，保证泵送顺利进行，粗骨料最大粒径与输送管的管径之比应符合表2-31要求。

④对大体积混凝土（如混凝土坝或围堤）或疏筋混凝土，有时为了节省水泥，降低收缩，可在大体积混凝土中抛入大块石（或称毛石），常称作抛石混凝土。在普通混凝土配合比的结构中，骨料粒径大于40mm后，由减少用水量获得的强度提高被较少的粘结面积及大粒径骨料造成的不均匀性的不利影响所抵消，因此并没有什么好处。

粗骨料的最大粒径D_m增大，会削弱粗骨料与水泥浆体界面间的粘结，增大了内部结构的不连续性；粗骨料对水泥硬化收缩起约束作用，由于二者弹性模量不同，因而混凝土内部产生拉应力，D_m增大，拉应力增大；水胶比一定时，减小骨料粒径可以提高混凝土拉-压强度比；D_m增大，界面过渡区的氢氧化钙晶体的定向排列程度增大；水胶比越低，粗骨料粒径对渗透性和强度的影响越大；抗渗性、抗冻性和强度随最大粒径的减小而提高。

需要说明的是，我国相关标准规定，制备高强混凝土骨料最大粒径不得大于25mm。

2.4.5.2　强度

骨料的强度一般是指粗骨料（碎石和卵石）的强度，为了保证混凝土的强度，粗骨料必须致密并具有足够的强度。碎石的强度可用抗压强度和压碎指标值表示，卵石的强度只用压碎指标值表示。

碎石的抗压强度测定，是将其母岩制成边长为50mm的立方体（或直径与高均为50mm的圆柱体）试件，在水饱和状态下测定其极限抗压强度值。碎石抗压强度一般在混凝土强度等级大于或等于C60时才检验，其他情况下如有怀疑或必要时也可进行抗压强度检验。

过去教科书中有要求“岩石强度与混凝土强度之比应不小于1.5”的说法，忽略了现代混凝土是以预拌泵送混凝土为主，石子在混凝土中呈悬浮状态，混凝土强度基本上与骨料强度无关的现状。对干硬性混凝土、低塑性混凝土以及高强泵送混凝土仍然要求粗骨料强度高于混凝土强度，例如现行标准中对高强混凝土，要求粗骨料岩石抗压强度值至少应比混凝土设计强度高30%；对于普通等级干硬性混凝土、低塑性混凝土，仍要求粗骨料岩石抗压强度值至少应比混凝土设计强度高20%。此外，对于中等强度等级的混凝土来说，粗骨料本身的强度并不是最重要的。除上述原因外，还因为骨料的强度比混凝土中水泥石基体和界面过渡区的强度要高出数倍。换句话说，破坏是由其他两相决定，绝大多数天然骨料的强度得不到充分利用。混凝土中最薄弱的环节是硬化的水泥石浆体与粗骨料之间的界面过渡区，而不是粗骨料本身。普通泵送混凝土一般骨料可不要求立方体抗压强度指标。

碎石强度可用岩石抗压强度和压碎指标值表示，卵石的强度只用压碎指标值来表示。岩石抗压强度是将岩石制成50mm×50mm×50mm的立方体（或ϕ50mm×50mm圆柱体）试件，浸没于水中48h后，从水中取出，擦干表面，放在压力机上进行强度试验。国家标准《建设用卵石、碎石》（GB/T 14685—2011）中要求在水饱和状态下，火成岩抗压强度应不小于80MPa，变质岩应不小于60MPa，水成岩应不小于30MPa。

碎石或卵石压碎指标测定方法是将3kg风干后筛除粒径大于19.0mm及小于9.50mm的颗粒，并去除针片状颗粒的石子装入一定规格的圆筒内，在压力机上以1kN/s的速度加荷，加荷至200kN并稳定5s，卸荷后称取试样质量m₁，再用孔径为2.36mm的筛筛除被压碎的细粒，称取出留在筛上的试样质量m₂。

　　（2-9）

式中　Q_e——压碎指标， %；

m₁——试样的质量，g；

m₂——压碎试验后筛余的试样质量，g。

压碎指标值越小，说明粗骨料抵抗受压破碎能力越强，建筑用卵石和碎石的压碎指标值的限量见表2-32。

2.4.5.3　粗骨料的有害物质指标

建筑用卵石、碎石的有害物质指标应符合表2-33要求。