浅谈天然砂和机制砂参配成要求的砂子细度模数的计算方法

浅谈天然砂和机制砂参配成要求的砂子细度模数的计算方法
摘要：随着水利事业的发展，水利工程愈来愈多，国家对水利工程质量也越来
越重视。

在现代水利工程建筑物和构筑物中，水泥混凝土、砂浆起到了举足轻重
的作用，砂子、碎石是混凝土的重要组成部分，砂子、碎石的好坏直接关系到混
凝土的质量，也关系到整个水工结构的好坏，尤其是砂子的粗细对混凝土和砂浆
的性能会产生较大的影响，因此，我们应生产出或者参配出满足要求的砂子。

实
践证明，中砂（即细度模数在2.4至2.8之间）所配制的混凝土和砂浆的各项性
能较好，但是天然砂通常较细，机制砂通常较粗，单独使用天然砂或机制砂通常
都不能满足中砂的要求，所配制的混凝土和砂浆综合性能都不太理想，这就要求
我们工程试验人员能根据设计和规范要求，把不满足混凝土性能的不同细度模数
的砂子参配成符合要求的砂子，配制出满足要求的混凝土和砂浆。

关键词：砂子；细度模数；参配；混凝土；砂浆
引言：水利工程建筑物和构筑物的质量，不仅关系到建筑物和构筑物的结构
安全，而且还关系到千家万户人民生命和财产安全，尤其是水利工程的混凝土工程，混凝土工程结构是否合格，就要看混凝土检测结果是否满足规范及设计要求，混凝土质量是否合格就要看拌制混凝土的粗细骨料是否合格，这就要求我们在拌
制混凝土时要用合格的骨料。

实践表明，砂子的粗细对混凝土的各项性能都有较
大的影响，砂子太细，砂的比表面积就会较大，需要用来包裹砂子表面的水泥（浆）就会多，为了降低水泥（浆）用量，砂率应降低；砂子太粗，则新拌混凝
土保水性差，同时由砂石组成的集料体系中空隙率较大，为降低空隙率，应适当
提高砂率，砂率大将导致混凝土强度降低，也就是说砂子太细和太粗，对配制混
凝土性能都不好，从生产实践检验来看，选用细度模数在2.4~2.8之间的中砂配
制的混凝土，拌和物均匀性和工作性能都较好，配制的混凝土密实度大，抗压、
抗渗、抗冻性能好，其它物理性能和长期耐久性能也比粗砂或细砂配制的混凝土
性能好。

在配制砂浆时也存在类似问题，由中砂配制的砂浆其稠度、保水性和强
度等综合性能都较好。

1.天然砂和机制砂的区别
机制砂石料相对于天然砂石料有很多优点，比如开采资源丰富，加工方便等，但是机制砂自身存在很多的不足。

首先，机制砂的颗粒形状不好，针片状较多。

天然砂（河沙）经过水的冲刷，沙子与卵石相互摩擦，针片状较少；其次，机制
砂级配不合理，细度模数偏大，多在3.0以上，也都不在理想的级配区属2区中。

天然砂级配也不合理，细度模数较小，多在2.4以下，也常常不在理想的级配区
属2区中；最后，机制砂生产过程中，不能很好的把石粉和泥粉区分开，石粉对
混凝土性能有利，而泥粉对混凝土是有害的，在生产过程中，为了降低生产成本，厂家往往不去除表皮泥层，直接和块石一起加工成砂子。

天然砂（河沙）经过河
水冲洗，泥粉都被冲走了，往往不含泥粉 [1]。

昭通地区机制砂的细度模数大多在2.8-3.6之间，且通常是级配不良的砂子，
若单一采用这种砂作为混凝土中的细骨料，配制出的混凝土性能较差，因此宜采
用细度模数小的天然砂与之参配，这样能够改善砂子的级配和细度模数。

下面我
们通过试验数据来看它们有什么区别，我们对昭阳区大龙洞机制砂和昭阳市水富
县金沙江天然砂各做了10组颗粒分析试验，试验结果见表1和表2。

说明：表1和表2中筛孔直径单位为（mm），大于某粒径筛余率单位为（%）。

从表1可以看出，昭通市昭阳区大龙洞机制砂的特点是大颗粒（粒径在4.75mm～
1.18mm之间）的含量多，中间颗粒（粒径在0.60mm～0.30mm之间）的含量少，细度模数
都在3.0以上，即属于粗砂，大都不在理想的级配区属2区中。

从表2可以看出，昭通市水
富县金沙江天然砂的特点是大颗粒（粒径在4.75mm～1.18mm之间）的含量少，中间颗粒
（粒径在0.60mm～0.30mm之间）的含量多，细度模数都小于2.4，即属于细砂或特细砂，
都不在理想的级配区属2区中。

表1和表2中的砂子都不是理想的混凝土细骨料，因此，我
们可以把两种砂子混合在一起，参配成满足我们水利工程中设计文件和规程规范要求的合格
砂子。

2.天然砂和机制砂配制混凝土的特点
2.1 砂的品种对新配制混凝土流动性的影响
通过试验来说明砂的品种对混凝土流动性的影响，在配比设计、其它材料成型养护条件
都相同的情况下，试验用华新水泥（昭通）有限责任公司生产的P•C32.5的水泥，按相同的（C/W）胶水比，（考虑到各配合比所用的砂子细度模数不同，因此砂率略有变化）配制混
凝土，分别测混凝土拌和物坍落度、含气量，测得砂的品种对新拌混凝土流动性的影响见表3、表4，试验中除使用天然砂和机制砂外，还把天然砂（细度模数为1.7）和机制砂（细度
模数为3.3）分别按7：3比例（混合砂1）、5：5比例（混合砂2）、3：7比例（混合砂3）配制混凝土，表1中新拌混凝土坍落度值对应的砂与水泥各配制两组所测坍落度、含气量的
平均值。

从表3可以看出，用混合砂配制的混凝土流动性比单独用天然砂或者机制砂配制的混凝
土流动性要好，天然砂相对机制砂虽然表面光滑些，但由于颗粒太细，比表面积相对较大，
因此所配混凝土流动性较低，但混凝土的粘聚性和保水性也较好。

机制砂虽然较粗，但表面
粗糙，且含有一定量的石粉，因此所配混凝土流动性也较低，而且混凝土的粘聚性和保水性
也较差，泌水量较大。

而混合砂有两种砂的特性，所配混凝土的流动性、粘聚性和保水性都
比单独用天然砂或者机制砂有所改善。

从表4可以看出，5种砂子配制的混凝土含气量虽然有不同，但是没有明显的变化。

2.2 砂子品种对混凝土中水泥用量的影响
使用华新水泥（昭通）有限责任公司生产的P•C32.5的水泥，按相同基准配合比按表1
中五种砂分别配制C20混凝土，首先拌第三组（即天然砂：机制砂=5：5），测坍落度值，
并以此坍落度值为基准，再拌制其它四组混凝土，采用保持C/W（胶水比）不变，增加水泥
浆用量或保持砂率不变增加碎石用量的方法使坍落度值调至与第三组基准坍落度值接近，根
据各组混凝土的实测堆密度及实际材料用量计算出调整后的各组混凝土的水泥用量见表5。

表5与表3具有相似的规律，对所用材料在配制混凝土坍落度接近的情况下，单独使用
天然砂或机制砂配制混凝土，水泥用量都较大，采用混合砂可减少水泥用量，本试验中当天
然砂和机制砂的比例从7：3变化到5：5再变化到3：7时，水泥用量达最低。

表中各组水
泥用量最大和最小值约相差50kg/m3，单独的天然砂水泥用量最大，单独的机制砂水泥用量
次之，水泥用量最少的是混合砂3，水泥用量的降低不仅仅在于降低了工程造价，更重要的
是有效地降低了水利工程建筑物和构筑物大体积混凝土的水化热及自收缩变形，有效防止混
凝土冷缝的产生，防止混凝土因水化热和自身体积变化引起的开裂、提高水利工程建筑物和
构筑物混凝土的耐久性。

即在经济上和水利工程自身建筑物安全性能上来看，我们都应该采
用混合砂。

2.3 砂子品种对混凝土各龄期抗压强度的影响
使用华新水泥（昭通）有限责任公司生产的P•C32.5的水泥，对上述五种砂按相同配合
比分别配制砼，测混凝土7天、28天和90天龄期的抗压强度值，做28天龄期混凝土抗渗、
抗冻试验，试验检测结果见表6、表9和表10。

从表7、表8中同样可以看出机制砂配制的混凝土各龄期的抗压强度值比天然砂配制的
混凝土各龄期抗压强度值高，由混合砂配制的混凝土各龄期的抗压强度值比天然砂配制的混
凝土的抗压强度高，比机制砂配制的混凝土各龄期的抗压强度值稍低。

2.4 砂子品种对混凝土各龄期抗渗、抗冻性能的影响
用上面试验表7和表8中配制的混凝土成型抗渗、抗冻试块，做28天龄期混凝土抗渗、
抗冻试验，试验检测结果见表9和表10。

机制砂配制混凝土的力学性能优于天然砂配制混凝土的力学性能，主要是由于以下一些
原因：（1）机制砂是由石灰岩块经破碎而成，其主成分是CaCO3，处在高浓度Ca（OH）2中，表面发生微弱的化学反应，因此对提高混凝土中界面粘结强度有利。

而天然砂的成分中SiO2含量较高，不能发生类似的反应。

（2）机制砂质地坚硬，有新鲜界面表面能高，也有
助于提高界面粘结强度，而天然砂基本上是惰性的。

（3）机制砂表面粗糙、棱角多、界面
粘结强度高。

（4）相对于天然砂而言机制砂的粗细和级配可以得到控制，通常比天然砂质
量好。

（5）机制砂中含有少量石粉，起到微集料效应，而天然砂中的含泥量则起副作用。

混凝土的水化热和自收缩与水泥用量成正比关系，为了降低混凝土的水化热、自收缩和
提高混凝土性能，不仅应选择级配好、空隙率低的碎石，亦应选择级配好、空隙率低的砂子。

选择质量较好的砂子、碎石，对降低水泥用量、改善混凝土施工性能，保证混凝土的强度和
耐久性都是有利的。

3、天然砂和机制砂配制砂浆的特点
相对而言，砂浆对砂子的要求要比混凝土对砂子的要求低，因此配制砂浆所用的天然砂
通常是细砂或特细砂，往往级配较差、含泥量较大，但颗粒表面相对光滑，由于这些特点，
所配制的砂浆流动性、凝聚性和保水性较好，但是砂浆的强度低，水泥用量大。

机制砂表面
为新破碎而成，活性较高，因此与水泥石在界面上粘结强度高，配制的砂浆强度高，从而水
泥用量可以相对降低，但是机制砂表面粗糙，所拌砂浆流动性、保水性差，对照规程规范其
保水性大都不合格，因此不能用于砌体中，最好是把天然砂和机制砂混合后配制砂浆，可以
起到取长补短的作用。

这样即可以满足砌筑砂浆配合比设计规程对保水性的要求，又能保证
砌体的质量。

因此我们最好是选用天然砂和机制砂按一定的比例参配而成的砂子，那么参配
后砂子怎样来计算它的细度模数呢？
4、砂子细度模数的控制计算
从上面的试验结果可以看出，混合砂两次颗粒级配试验的细度模数分别为2.74和2.73，
平均值为2.74，与计算结果一致。

这就说明上面计算细度模数的方法是否符合实际情况，可
以用于水工结构的混凝土工程，并且和规范要求一致，满足规范对细骨料的要求。

目前规范上、设计上大都要求水工结构的混凝土所用的细骨料细度模数宜为2.4~2.8，单用天然砂或者
机制砂都不能很好的满足规范和设计要求，因此我们在实际施工过程中，可以通过数学方法
计算把两种砂子配制而得到满足设计和规范要求的细骨料。

但是两种砂子混合后得到的砂子，要通过试验检测它的化学性能及碱活性，满足规范及设计要求才能使用。

6、结论
天然砂通常较细，机制砂通常较粗，两种砂单独用于配制混凝土或砂浆均不太理想，本
文就两种不同粗细的砂子，如何配成满足要求细度模数的砂子，先从数学上推导出计算公式，后又通过试验对公式进行验证，证明本文中所推导的公式符合实际情况，能在选用满足要求
的混凝土和砂浆配合比设计中运用。

参考文献：
［1］水工混凝土试验规程 SL352-2006（第一版），中华人民共和国水利部.2006.12
［2］建筑用砂GB/T14364-2011（第一版），中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.2011.06
［3］普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准JGJ52-2006，中国建筑工业出版
社.2006.12
［4］水工混凝土砂石骨料试验规程 DL/T5151-2014，国家能源局.2014.03
［5］普通混凝土配合比设计规程JGJ55-2011（第一版），中国建筑工业出版社.2011.07 ［6］砌筑砂浆配合比设计规程JGJ/T98-2010，中国建筑工业出版社.2011.06。