摘要：骨料的粒形与其表面积直接相关，单位体积表面积越大，说明骨料的粒形越差，需要包裹的水泥浆就越多，造成了混凝土配合比的用水量和胶凝材料用量偏大，不仅成本增加，而且混凝土产生裂缝的可能性也会增加。本文通过对骨料的粒形与表面积关系的定量分析，目的在于提高人们对砂石料粒形控制认识的重要性，以减少粒形较差骨料的生产和使用。
关键词：粒形表面积针片状扁平状用水量胶凝材料用量
1.前言
水是混凝土组成材料中的不可缺少的一种材料，水在混凝土中的主要作用是参与水泥的水化作用，并成为水化产物——水泥石的组成成分；除此之外，部分多余的水则成为提高或改善混凝土拌和物流动性所必需的介质，以满足混凝土的输送和振捣密实的需要。但是，这些水分在混凝土的凝固过程中大部分会逐步蒸发和被周围的物体吸附而消失。
单位用水量（也简称用水量）是混凝土配合比设计中与流动性相关的一个重要指标，其大小由混凝土拌和物的流动性需要所决定。由于使用材料的差异，各地的混凝土用水量相差较大，以普通的C30泵送混凝土为例（石子的最大粒径为31.5mm或40mm），在使用外加剂条件下，用水量一般为150~170kg/m²左右，也有个别工程差别较大达到近200kg/m²。造成这种差别的主要原因主要是：
（1）用水量的大小与其组成的骨料种类和需水性有关，不同岩性的骨料在湿凝土相同流动性时，需要的用水量不一样。
（2）同一母岩生产的骨料在粒形差异较大时的用水量也有所不同。
（3）施工中过度要求提高混凝土的流动性而造成使用的用水量偏大。
根据混凝土的水胶比与性能指标的定律——混凝土的强度和耐久性取决于配合比水胶比的大小。在混凝土配合比设计时，一旦确定了满足设计指标要求的水胶比后，混凝土的胶凝材料用量便是通过用水量除以该水胶比就可以得到，因此，混凝土的用水量越大，使用的胶凝材料用量就越多。在满足混凝土拌和物要求的流动性条件下，用水量较小的混凝土配合比具有一定的优势：即可以在稍低的水泥用量条件下就可以保证混凝土的力学和其它耐久性能满足设计的要求，这
不仅降低了混凝土的组成成本，而且还由于减少了水泥用量后，可以降低因水化热引发的混凝土绝热温升而减少的收缩。以及减少了用于流动性的水分后，也可以减少混凝土的干缩，这对降低混凝土总的收缩量，防止裂缝出现的可能无疑是有利的。因此，可以说配合比的用水量不仅可以反映了混凝土流动性和需水性的大小，而且在一定程度上也反映出骨料质量的优劣及混凝土配合比设计的先进程度。
2.骨料粒形与表面积关系的分析
粒形是工程界中对混凝土骨料外形尺寸比例协调程度的一种专业称呼，一般认为单个骨料的几何尺寸相差不大的为粒形较好，如外形接近方方正正或球状的就属于粒形较好一类的骨料，而几何尺寸相差较大的如扁平状或针棒状的骨料，则被认为是粒形较差的一类。
实践证明，骨料的粒形对混凝土的流动性影响较大，在相同用水量的条件下，使用粒形较好的骨料拌制的混凝土和易性能够满足施工需要和质量要求，而使用扁平状较多骨料的情况则相反，拌和物干涩无流动性，甚至施工困难；在混凝土的流动性相同时，使用粒形较好骨料的用水量要小一些，相应的胶凝材料用量也会低一些，而粒形较差的用水量相对较大，其胶凝材料用量也就高一些，这些现象均与骨料粒形的优劣有关。
众所周知，当前人们评价骨料的粒形较好或差仅是一种定性的评价，针片状也只是骨料扁平状的极端情况，虽然定量分析骨料的粒形好或差的方法可以采用比较骨料单位体积的表面积大小来进行。但是，由于骨料的外形普遍呈不规则形状，故表面积难以计算，以至对骨料粒形的评价无法进行定量分析，所谓的较好或差也仅仅是凭人们的观察和感觉。为了从理论上深入分析骨料的粒形对混凝土性能的影响，本文欲通过对特定不同形状的物体，在体积一定的条件下的表面积进行计算和比较分析，从而达到进一步认识骨料的表面积与粒形的关系的目的。
假定骨料的外形分别为标准的球体、正方体、针状长方体和片状长方体，并且为了方便计算和比较，假设上述四种形状物体的体积V均为1。针片状长方体同时按照规范（1）中定义的尺寸比例，分别设置临界点针片状以及超长/扁针片状的两种比例尺寸。
（1）设临界点针状长方体的尺寸比例长a：宽b：厚c=2.4：1：1，超长长方体的长a：宽b：厚c=4：0.5：0.5。
（2）临界点片状长方体的尺寸比例长a：宽b：厚c=1：1：0.4，超扁片状长a：宽b：厚c=2：2：0.25。
按照这些比例尺寸，分别代入v=1的体积计算公式，即可计算出球体的半径、以及正方体的边长a和针片状长方体的三个边长a、b、C。再把计算结果代入表面积公式中，就可以计算出这四种状物体的表面积。计算得到的表面积结果列入下表中。
各种形状物体体积为1时表面积计算结果
从表中的计算结果可以看出：
（1）在体积均为1的条件下，球体的表面积最小，正方体表面积排列第二，针状长方体的表面积排列第三，片状长方体的表面积排列在最后。
（2）通过针片状的临界点与超长/扁的计算结果可以看出，随着骨料外形尺寸差距的加大一一即针片状现象更为显著时，骨料的表面积也随之增加。
在混凝土的拌和物中，骨料的外表是由水泥浆所包裹的，在包裹厚度相同情况下，理论上需要的水泥浆包裹量与骨料的表面积大小应该大致成正比。骨料的表面积越小，需要包裹的水泥浆也就随之减少。而水泥浆量主要由水和水泥组成，水泥浆包裹量需要量较多，也意味着混凝土配合比中的用水量和水泥用量也随之增加。
从文献（2）中关于用水量的推荐值中也可以看出，在使用表面积较小的卵石而其他条件相同的情况下，其用水量比使用碎石的可减少约20kg/m3，如按照混凝土的水胶比0.5计算，仅因石子种类的差异而减少的水泥浆约33L，占一方混凝土体积的3.3%，造成这种差异的主要原因应该是骨料表面积引起的。当使用粒形欠佳的骨料拌制混凝土时，由于表面积较大，需要较多的水泥浆才能保证混凝土施工流动性的要求，所以混凝土的用水量和水泥用量也就多，不仅增加了混凝土的成本，而且还会带来收缩的增加，而当收缩产生的拉应力大于混凝土的抗拉强度时，裂缝会出现在结构物应力集中的部位，造成混凝土抵抗荷载和有害物质侵蚀的能力降低。
3.降低粗骨料空隙率和表面积的措施
除了粒形对混凝土用水量的多少有影响外，粗骨料空隙率大小的影响也不可忽视。根据混凝土配合比设计的理论，混凝土的内部结构由各种不同粒径的材料相互填充而成。作为混凝土中骨架的大粒径骨料的空隙由稍小粒径的骨料填充，稍小粒径骨料的空隙则由更小的颗粒或砂子填充，而砂子的空隙则由水泥浆填充，这从理论上说明了连续粒级的骨料空隙率小于单粒级骨料的空隙率，同时，通过粗骨料的级配组合试验结果也能证明这一定律的正确性：例如在单独使用粒级5~20mm的碎石时，其骨料的空隙率高达近43%，而当与粒级5~20mm碎石以45%的比例与粒级20~40mm碎石的55%组合时，其空隙率可以降低至37%，降幅达6%以上。由此说明在混凝土配合比设计和施工中，最好使用连续粒级的粗骨料，如在仅有单粒级的情况下，应该通过不同粒径的级配组合的堆积密度试验，力求找到骨料的堆积密度最大/或空隙率较小的级配组合供混凝土施工使用，这是混凝土配合比设计中降低粗骨料空隙率最有效的技术措施。
骨料粒形的优劣，客观上主要取决于砂石料场的生产设备的种类、生产工艺和母岩的岩性等所决定。为了保证混凝土工程使用骨料具有相对较好的粒形，相关的技术规范定义了单粒骨料长度尺寸超出相应粒级中值2.4倍的和厚度小于相应粒级中值0.4倍的统称为针片状，并对针片状含量设置限值——如文献（1）中的限值为Ⅰ类≤5%、Ⅱ类≤和II0%和II5%；文献（3）中的限值为≤15%，经试验论证后可放宽至25%，其目的在于控制或减少骨料中粒形不佳的针片状含量。
骨料的粒形与其表面积的大小直接相关，由于表面积的检测不具有可操作性，因此一般采用针片状的检测方法对其进行控制，但控制效果不尽人意，如针片状指标并未超出规范规定值，但是明显感觉到骨料的粒形不太好，扁平状颗粒较多，反应在设计的混凝土配合比的用水量和水泥用量均较高，这是骨料粒形不佳所致。
4.展望
近些年由于国内大规模的工程建设对砂石料的巨大需求量，以及出于环境保护而逐步减少或禁止开采天然砂石料的政策出台，使用人工生产的碎石和机制砂的工程项目越来越多。但是在环保要求越来越高的情况下，人们期待利用目前有限资源生产的砂石料的质量（含粒形要求）有所提高或保证。鉴于生产砂石料母岩的岩性和机械设备性能的差异，各地生产的砂石料质量不尽相同，明显表现
在生产出来的碎石粒形差异较大，如采用母岩为花岗岩、石英砂岩等生产的碎石扁平状情况比使用母岩为石灰岩的严重得多，其生产设备应根据岩性因地制宜的选择相对应的型号；同时，生产的机制砂颗粒级配欠佳，表现在粗细颗粒含量偏大和中间颗粒含量偏低的哑铃状；砂石料的干法生产带来的含泥量偏大和粉尘污染等这些状况急需改变。然而，这些情况的改变需要出台相应的管理规定，并加强监管才能实现!
参考文献：
［1］【建设用卵石、碎石】（GB/T14685-2011）
［2］【普通混凝土配合比设计规程】（JGJ55-2011）
［3］【水工混凝土施工规范】（DL/5144-2015）
论文作者:李红艳1,周学科2
论文发表刊物:《基层建设》2019年第12期
论文发表时间:2019/7/16
标签：骨料论文; 混凝土论文; 表面积论文; 用水量论文; 片状论文; 水泥浆论文; 长方体论文; 《基层建设》2019年第12期论文;