任务2.1 砂的分类及技术要求
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任务内容及要求
2.1.1 砂的分类
细骨料按照来源可分为天然砂和机制砂，如图2.1、图2.2所示。
天然砂是自然生成的，经人工开采和筛分的粒径小于4.75mm岩石颗粒，包括河砂、湖砂、山砂、淡化海砂，但不包括软质、风化的岩石颗粒。河砂、海砂长期受水流的冲刷作用，颗粒表面较光滑，比较洁净，且产源较广，但海砂中常含有贝壳碎片及可溶性盐类
有害杂质，会影响混凝土的强度和耐久性。山砂是岩石风化后在原地沉积形成的，颗粒棱角多，并含有黏土及有机杂质等。
图2.1 天然砂
图2.2 机制砂
机制砂经除土处理，由机械破碎、筛分制成的粒径小于4.75mm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，俗称人工砂。机制砂比较洁净，富有棱角，但片状颗粒及石粉含量较多。随着基本建设的日益发展及环境保护的需要，我国不少地区出台了限采或禁采天然砂的政策，在水利水电工程中往往用砂需求量比较集中，且天然砂资源日渐减少，靠天然砂很难满足工程要求，因此人工砂已成为水利水电工程中的常用砂。
2.1.2 砂的技术要求
混凝土用砂应满足《建设用砂》（GB/T14684—2011）规定的技术要求，按其技术要求砂可分为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类。Ⅰ类宜用于强度等级大于C60的混凝土；Ⅱ类宜用于强度等级为C30～C60及抗冻、抗渗或其他要求的混凝土；Ⅲ类宜用于强度等级小于C30的混凝土和建筑砂浆。建设用砂的技术要求包括几下几方面。
2.1.2.1 砂的粗细程度与颗粒级配
1.砂的粗细程度
砂的粗细程度是指不同粒径的砂混合在一起后的整体粗细程度，用细度模数Mx表示。
在相同用量下砂越粗，其表面积越小，拌和用的水泥越少；但若砂子过粗，易使混凝土拌和物产生离析、泌水等现象；若过细，则水泥用量增加，且强度降低。因此，在选择用砂时，宜选择中砂。
2.砂的颗粒级配
砂的颗粒级配是指粒径大小不同的砂混合后的搭配情况，用级配区表示。
当同等粒径的砂堆积时，空隙率最大[图2.3（a）]；当两种不同粒径的砂堆积时，空隙率稍小[图2.3（b）]；当多种粒径的砂堆积时，砂粒间的空隙被小粒径的砂所填充，使得空隙率最小[图2.3（c）]。因此，在选择用砂时，宜选择大小砂粒混合后空隙最小
的砂，即级配良好的砂。
图2.3 砂的颗粒级配示意图
3.砂的粗细程度和颗粒级配评定方法
砂的粗细程度和颗粒级配通常用筛分析方法进行测定，并分别用细度模数（Mx）和级配区来表示。
筛分析方法是采用一套孔径依次为9.50mm、4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.60mm、0.30mm、0.15mm的标准方孔筛（图2.4），按照
规定的试验方法（具体方法见2.2.2.2）称取干砂试样500g，将试样倒入按孔径大小从上到下组合的套筛（附筛底）上进行筛分，称取各筛上的筛余量Gi，根据各筛上的干砂质量，计算各筛对应的分计筛余和累计筛余（表2.1）。根据累计筛余可计算出砂的细度模数和划分砂的级配区，用以评定砂的粗细程度和颗粒级配。
图2.4 砂子
（1）砂的粗细程度评定。砂的细度模数（Mx）按式（2.1）计算
标准筛
Mx=（A2+A3+A4+A5+A6）-5A1
（2.1）
100-A1
细度模数（Mx）越大，表示砂越粗。砂按其细度模数（Mx）的大小可分为：粗砂
（Mx=3.7～3.1）、中砂（Mx=3.0～2.3）、细砂（Mx=2.2～1.6）。
表2.1
分计筛余与累计筛余的关系
（2）砂的颗粒级配评定。对于细度模数在3.7～1.6的砂，根据0.60mm筛孔的累计筛余量分成三个级配区，见表2.2。将筛分析试验的各筛累计筛余与表2.2进行对照，来判断砂的级配是否符合要求。
表2.2
砂的颗粒级配
注 对于砂浆用砂，4.75mm的筛孔的累计筛余量应为0。砂的实际颗粒级配除4.75mm和0.60mm筛孔外，可以
略有超出，但各级累计筛余超出值总和应不大于5%。
为了直观反映砂的级配情况，也可用级配曲线来评定砂的颗粒级配。以累计筛余百分率为纵坐标，以筛孔尺寸为横坐标，按表2.2的规定值绘出1、2、3三个级配区的筛分曲线，如图2.4所示。将筛分析试验的各筛累计筛余标注在图2.5中，连线并判断此筛分曲线落在哪个级配区。
1区属粗砂范畴，用其拌制混凝土时，保水性差，为满足和易性要求，应提高砂率并保持足够的水泥用量；3区属细砂范畴，用其拌制混凝土时，消耗的水泥用量较多，使用时宜适当降低砂率，以保证混凝土强度；因此在拌制混凝土时宜优先选用2区砂，即中砂。
砂的细度模数只反映全部颗粒的粗细程度，不能反映颗粒的级配情况，即使砂的细度模数相同，其级配也可能相差很大。所以在考虑砂的颗粒分布情况时，需同时考虑砂的细度模数与颗粒级配两项指标，才能真正反映其全部性质。
图2.5 砂的级配曲线
【例2.1】题目如案例描述的内容。
将砂试样进行筛分析试验，筛孔尺寸由大到小的分计筛余量分别为20g、70g、80g、
100g、150g、60g，筛底为20g，试计算其细度模数并判定级配情况。
解：①计算分计筛余百分率及累计筛余百分率，计算结果见表2.3。
表2.3
分计筛余与累计筛余计算结果
②计算其细度模数（Mx）：采用式（2.1）计算细度模数：
Mx=（A2+A3+A4+A5+A6）-5A1
=18+34+54+84+96-5×4
=2.77
100-A1
100-4
Mx在3.0～2.3之间，故此砂为中砂。
③评定级配：将筛分析试验的结果与表2.2进行对照或将累计筛余百分率绘于图2.5中，可以得出该砂级配属于2区范围，级配良好。
2.1.2.2 砂的含泥量、石粉含量和泥块含量
含泥量是指天然砂中粒径小于0.075mm的颗粒含量；石粉含量是指人工砂中粒径小于0.075mm的颗粒含量；泥块含量是指砂中粒径大于1.18mm，经水洗手捏后小于0.60mm的颗粒含量。当含泥量多时，会降低骨料与水泥石的黏结力、混凝土强度和耐久性，并增加混凝土的干缩。石粉会增大混凝土拌和物需水量，影响混凝土和易性，降低混凝土强度。泥块对混凝土性能的影响比泥及石粉更大，因此泥、石粉、泥块的含量需满足
表2.4的规定。
表2.4
砂的含泥量、石粉含量和泥块含量（GB/T14684—2011）
① 该指标根据使用地区和用途，经试验验证，可由供需双方协商确定。
2.1.2.3 有害物质含量
骨料中会含有妨碍水泥水化或降低集料与水泥石粘附性，以及能与水泥水化产物产生不良化学反应的各种物质，称为有害杂质。砂中有害物质有云母、轻物质、有机物、硫化物及硫酸盐等，其含量应符合表2.5的规定。
表2.5
砂中有害物质含量限值（GB/T14684—2011）
① 该指标仅适用于海砂，其他砂种不作要求。
2.1.2.4 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碎裂的能力。天然砂的坚固性采用硫酸钠溶液检验，试样经5次循环后，其质量损失应符合表2.6的规定；人工砂除了需进行硫酸钠溶液检验质量损失外，还需进行压碎指标法测定单级最大压碎指标值，应符合表2.6的规定。
表2.6
砂的坚固性指标（GB/T14684—2011）
%
2.1.2.5 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骨料中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。当对砂的碱活性有怀疑或长期处于潮湿环境的重要混凝土结构所用的砂，应进行碱活性检验。经碱集料反应试验后，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%。
2.1.2.6 砂的物理性质
1.表观密度、堆积密度、空隙率
《建设用砂》（GB/T14684—2011）规定，砂表观密度不小于2500kg/m3，松散堆积密度不小于1400kg/m3，空隙率不大于44%。
2.含水状态
根据砂中所含水分，可分为四种状态，如图2.6所示。
图2.6 砂的含水状态
砂中含水量不同，将会影响混凝土拌和水和砂的用量。在水工混凝土中，多以饱和面干状态作为基准状态设计配合比，而工业与民用建筑则习惯用干燥状态为准。