对混凝土用细骨料筛分试验方法的辨析

2022-03-30李俊毅李晓明刘德政祝善鹏于春江乔小雨张学治曹允光

中国港湾建设 2022年3期

李俊毅，李晓明，刘德政，祝善鹏，于春江，乔小雨，张学治，曹允光

（1.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津300222；2.中交第一航务工程局有限公司，天津300461；3.中交一航局第一工程有限公司，天津300456；4.中交一航局第二工程有限公司，山东青岛266071；5.中交一航局第三工程有限公司，辽宁大连116083；6.中交一航局第四工程有限公司，江西南昌330100；7.中交一航局第五工程有限公司，河北秦皇岛066002；8.中交一航局城市交通工程有限公司，天津300457）

0 引言

骨料（又称集料）是混凝土的主要组成材料之一，在混凝土中起骨架作用。粒径5 mm以上称为粗骨料；粒径5 mm以下称为细骨料。普通混凝土用粗骨料为碎石和卵石，细骨料为砂。普通混凝土中细骨料绝对体积约占混凝土总体积的20%～33%[1]，细骨料不仅影响混凝土的强度，也影响混凝土的耐久性和结构性能。

为了合理选择、使用和保证所配制混凝土用细骨料的质量，建筑科学研究院建筑材料研究室在1961年就开始进行混凝土试验方法的编制工作，于1963年将《混凝土集料与混凝土试验方法》[2]刊印出来供各地参考。国家建筑工程总局于1979年批准了中国建筑科学研究院领衔编制的《普通混凝土用砂质量标准及检验方法》，其编号为JGJ 52—79[3]，这是我国有关混凝土用砂的第一部行业标准。随着建筑技术的发展，改革开放的深入及砂资源的变化，又及时先后进行了两次修订，中华人民共和国建设部批准了JGJ 52—92《普通混凝土用砂质量标准及检验方法》[4]和JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》[5]。

其他行业如水利电力部委员会1960年审定的《水工建筑物混凝土及钢筋混凝土工程施工技术暂行规范》的附录中列出的试验方法包含“砂料颗粒级配试验”，其编号301-60，该方法于1961年4月经水利电力部批准试行[6]。

此外，由中国砂石协会领衔编制了GB/T 14684—1993《建筑用砂》[7]，这是第一部关于砂产品的国家标准，使砂产品的质量控制和生产管理有了依据，满足了我国各项建设需要的同时也推动了砂产品的进步。该标准也进行了两次修订，形成了GB/T 14684—2001《建筑用砂》[8]和GB/T 14684—2011《建设用砂》[9]。

上述行业及国家标准实施以来，对于控制砂的生产和保证混凝土工程质量起到了积极的推动作用。但在实际检验中，也暴露出一些问题，遇到一些困惑。笔者根据多年试验操作经验以及与其他技术、试验人员对细骨料试验的若干问题或疑问进行了深入的探讨，同时对试验方法提出了意见和建议，以引起更多同行工作者、试验操作技术人员对现行有效的规范标准JGJ 52—2006和GB/T 14684—2011执行的重视。本文着重辨析细骨料筛分试验方法标准，促进相关标准的发展和正确使用。

1 相关标准的关系

GB/T 14684—2011是产品标准，其源于上位法《中华人民共和国产品质量法》，而JGJ 52—2006是施工使用规范，其源于上位法《中华人民共和国建筑法》，见表1。两者紧密相连又有原则区别，前者要服务于后者。砂产品标准的验收点定于砂装车前，砂的使用品质考核点定于工地砂石堆积场，由于用砂量大，在装卸运输过程中砂品质难免有所波动，为此应该规定砂的出厂品质标准总体要略严于砂石工地堆场的使用品质水平。

表1 相关标准适用范围释义Table 1 Interpretation of applicable scope of relevant standards

GB 50204—2015《混凝土结构工程施工质量验收规范》[10]第7.2.4条明确指出，混凝土原材料中细骨料质量应符合现行行业标准JGJ 52，但现在有些建设工程行业直接采用GB/T 14684—2011，就显得选择有些不符。

2 样品的取样与缩分

2.1 样品的取样

JGJ 52—2006和GB/T 14684-2011都规定了对砂样品的取样方法，基本一致，其中“在料堆上取样：取样部位应均匀分布，取样前先将取样部位表层铲除，然后从不同部位随机抽取大致相等量的砂8份，组成一组样品”。此描述有些简单，建议借鉴美国材料试验协会标准ASTM D75—2014《骨料取样实施规程》[11]，进行补充描述。取样前先将取样部位被风和雨等影响的外层除去；取样点位置至少距离料堆底面75 mm；采用直径约30 mm、长至少2 m的取样管，取样管的材质可以是铝、PVC或其他结实的材料，取样管插入料堆取样，能够得到料堆里面的样品。

2.2 样品的缩分

JGJ 52—2006和GB/T 14684—2011都规定了对砂样品采用人工四分法缩分，基本一致，即“将样品至于平板上，在自然潮湿状态下拌合均匀，并堆成厚度约为20 mm的圆饼，取其对角的两份重新拌匀，再堆成圆饼装，重复上述过程，直至把样品缩分后的材料量略多于进行试验所需量为止”。此描述有些简单，建议借鉴ASTM C702—2011《骨料样品缩分至试验用量的操作规程》[12]，进行补充描述。所用平板应该干净；样品应翻转3次以上，堆成圆锥体，压平至成直径与厚度比例为4～8倍的圆饼，把圆饼划割分成四等份，清除对角的两份，包括细料，并用刷子清除干净，剩余对角的两份再重复上述过程，直至把样品缩分至试验所需量为止。

3 试验筛系列

ISO 6274：1982[13]对骨料的筛分方法规定用方孔筛，见表2。

表2 试验筛筛孔尺寸Table 2 Test sieve aperture sizes mm

欧盟国家采用ISO A系列的筛孔尺寸；美国、英国、日本等多数国家多采用ISO B系列的筛孔尺寸；我国是编制ISO 6274：1982的成员国，JGJ 52—2006和GB/T 14684—2011采用ISO B系列，SL/T 352—2020《水工混凝土试验规程》[14]采用ISO C系列或ISO B系列筛。GB/T 6003.1—2012《试验筛技术要求和检验第1部分：金属丝编织网试验筛》[15]和GB/T 6003.2—2012《试验筛技术要求和检验第2部分：金属穿孔板试验筛》[16]中的R40/3系列筛相当于ISO B系列筛，GB/T 6003.1和GB/T 6003.2中的R20系列筛相当于ISO C系列筛，见表2。

4 试验筛的筛分介质

混凝土细骨料筛分试验所用试验筛的筛分介质是金属丝编织网和穿孔板。根据GB/T 6005—2008《试验筛金属丝编织网、穿孔板和电成型薄板筛孔的基本尺寸》[17]，试验筛用金属丝编织网和穿孔板的筛孔基本尺寸，对于金属丝编织网：从125 mm～20 μm；对于穿孔板：方孔从125～4 mm，圆孔从125～1 mm，因此只有符合GB/T 6003.1—2012标准金属丝编织网试验筛筛孔尺寸125 mm～20 μm的试验筛；符合GB/T 6003.2—2012金属穿孔板试验筛筛孔尺寸125～1 mm的圆孔试验筛和筛孔尺寸125～4 mm的方孔试验筛，也就是说穿孔板试验筛方孔尺寸不得小于4 mm。对现行行业标准JGJ 52—2006和现行国家标准GB/T 14684—2011而言，细骨料筛分析用试验筛均为方孔筛，筛孔尺寸4.75 mm及以上筛应为穿孔板筛，筛孔尺寸2.36～0.150 mm及以下筛应为编织网筛，见表3。此外也要注意到ASTM C136—05《细骨料及粗骨料筛分析的标准试验方法》[18]只用金属编织网筛。建议对细骨料筛分试验所用试验筛的筛分介质应该统一一致了，避免有的用编织网筛，有的用穿孔板筛，都使用一种编制网筛，减少试验误差，便于试验管理。

表3 试验筛的筛分介质要求Table 3 Requirements for medium of test sieves

5 试验筛的筛余量

5.1 试验筛筛余量的控制要求

细骨料试样在各号筛上最大筛余量的允许值见表4。JGJ 52—2006与GB/T 14684—2011中的最大筛余量计算公式不同，用JGJ 52—2006的最大筛余量公式计算结果比用GB/T 14684—2011的最大筛余量公式计算结果要小，说明JGJ 52—2006要求更严，其更适合用于混凝土施工原材料中细骨料的质量检验，而GB/T 14684—2011主要适合用于砂产品的质量检验。

表4 在各号筛上最大筛余量允许值要求Table 4 Requirements for maximum allowable quantity of material retained on a sieve

查得ASTM C136—76《细骨料及粗骨料筛分析的标准试验方法》[19]，其中规定对于细集料筛分析采用筛框直径203.2 mm（8 in.）筛时，在各号筛上最大筛余量的允许值为200 g，这是有对应的因果关系的。但我国有些行业标准却曾经没有条件约束地广泛采用这个200 g限值，至今SL/T 352—2020《水工混凝土试验规程》还在采用，还是有惯性的。

ASTM C136—05规定对筛框φ203.2 mm和φ304.8 mm（12 in.）筛的有效筛分表面直径规定分别为最小190.5 mm和292.1 mm，其面积A分别为2.85×104mm2和6.70×104mm2。JGJ 52—2006对筛框规定用φ300 mm或φ200 mm，而GB/T 14684—2011没有对此做出规定。GB/T 6003.1—2012和GB/T 6003.2—2012规定，对筛框φ300 mm或φ200 mm筛的有效筛分表面直径规定分别为最小285 mm和185 mm，其对应的面积A分别为6.38×104mm2和2.69×104mm2，当然试验方法应该取此值。

ISO 6274：1982规定，当筛孔尺寸≤4.00 mm时，才用最大筛余量计算公式进行计算，即适用于ISO A系列筛，进一步分析认为对ISO B系列筛筛孔尺寸≤2.36 mm、对ISO C系列筛筛孔尺寸≤2.50 mm才进行计算，然而JGJ 52—2006与GB/T 14684—2011并没有对此说明。JGJ 52—2006与GB/T 14684—2011分别选择性引用了ISO 6274：1982中最大筛余量计算公式。对于常用的φ200 mm和φ300 mm框各号筛上最大筛余量的允许值计算结果列于表5。

表5 在各号筛上最大筛余量的允许值计算结果Table 5 Calculation results of maximum allowable quantity of material retained on a sieve g

若用φ200 mm框的筛子，用表5的计算值进行试验控制，几乎所有砂子在筛孔尺寸300 μm和150 μm的筛上需要二次筛分，用φ300 mm框的筛子，将只有少数细砂的试样需要二次筛分[20]，因此建议多采用φ300 mm框的筛子，例如JTS/T 236—2019《水运工程混凝土试验检测技术规范》对细骨料筛分析就规定只用φ300 mm框的筛子[21]。

JGJ 52和GB/T 14684中都规定准确称取的筛分试样量均为500 g，分析表5中带下划线数据，认为表5中超过500 g的计算结果为无用数据，另外表5中接近及超过200 g的计算结果有1/3以上，都比被替代的标准JGJ 52—79和GB/T 14684—1993规定的最大200 g要求接近或超过很多，当采用φ300 mm框的筛子时突显现行标准对试验过程控制放松了。看来用公式计算出来的值不太好用，建议再次修订标准时，从严要求，可列出具体数值，并使其较为规整，简单实用，便于记忆，尤其对采用φ300 mm框的筛子时更为实用，见表6。

表6 在各号筛上建议最大筛余量的允许值Table 6 Maximum allowable quantity recommended of material retained on a sieve g

5.2 试验筛筛出量控制的操作要求

自JGJ 52—79发布以来JGJ 52和GB/T 14684均规定，砂样先机筛10 min，再按筛孔大小顺序逐个手筛，筛至每分钟每个筛子试样通过量不超过试样总量的0.1%时为止，即最后手筛至每分钟通过量不超过0.5 g时为止，但对每个筛子最后手筛的至少时间没有给出。

ISO 6274：1982中5.2.4规定：“继续筛分直到查明（经测定得知）每一单独的筛在持续手筛1 min所得通过量小于试样总量的0.1%为止，不能用手强迫材料通过筛子，但对于较大颗粒可用手单独地拨到筛子上。”这表明最后的手筛对每一个筛子都要至少持续筛1 min，这个规定动作不能少。

ASTM C136—05中8.4规定，连续筛分足够的时间，一手握筛向上运动，一手拍打，每分钟拍打150次，每拍打25次，将筛旋转1/6角度，筛至每分钟每个筛子试样通过量不超过该筛子筛余量的1%时为止。释义：ASTM C136—05的对细骨料筛分的规定都源于筛框直径203.2 mm（8 in.）筛为基础的，将筛子旋转一周的时间为1 min；ASTM标准和其他标准的试验筛筛出量控制的操作要求是不同的，而且提醒机筛时，延长时间以实现充分的筛分，但超过大约10 min可能会导致样品损坏，应该引起注意。

文献[6]规定，用摇筛机筛分，如果没有摇筛机，可直接手筛，筛至每分钟过筛量不超过筛余量1%时为止。文献[2]指出：“将试料放于最上面筛上之后，把盖子盖紧，注意勿使砂在振荡中飞散出筛外，开动机器，振荡15 min，如用手筛时，须筛至每分钟通过量小于筛余量的1%。”前辈的智慧，我们也要考虑一下。

因此建议JGJ 52和GB/T 14684要明确控制筛出量更为具体合理简单明了的要求和最后手筛动作及其时间的要求。例如，采用φ300 mm框的筛子，机筛7 min，再手筛来证明筛至每分钟每个筛子试样通过量不超过试样总量的0.1%为止，怎样把样品高效地“筛透了”，值得积累数据和经验。

6 筛后试样质量变化率

JGJ 52—2006、GB/T 14684—2011和ISO 6274：1982都规定，筛后各筛筛余量和底盘剩余量之和与原试样质量之差不得超过1%，应该是质量变化率绝对值≤1%。由于JGJ 52与GB/T 14684中试样量均为500 g，则误差可达±5 g，这个误差还是比较大的，尤其正偏差这么大更不合理。ASTM C136—05则规定，筛后各筛筛余量和底盘剩余量之和与原试样质量之差不得超过0.3%。结合目前实际试验水平，建议筛后各筛筛余量和底盘剩余量之和与原试样质量的质量变化率范围为+0.3%～-0.5%，经计算并采用GB/T 8170—2008《数值修约规则与极限数值的表示和判定》[22]进行数值修约，筛后各筛筛余量和底盘剩余量之和范围为（502～498）g，即（500±2）g。

7 颗粒级配区的评价

细度模数和颗粒级配是两个概念，在标准中是两个指标，细度模数是算出来的，颗粒级配是查表出来的。砂的实际累计筛余与标准规定的累计筛余相比，除筛孔尺寸4.75 mm和600 μm筛的累计筛余外，其余各筛的累计筛余都可稍有超出，但总超出量应≤5%。砂的颗粒级配是按筛孔尺寸600 μm筛的累计筛余区分颗粒级配区的，当然筛孔尺寸600 μm筛的实际累计筛余是不能有超范围的。时至今日，仍然有人误认为每个筛的累计筛余不应超过5%，无形中造成把一些不合格的砂判为合格的砂了。例如，对某一砂样按JGJ 52—2006进行级配区评价，筛孔尺寸600 μm筛的实测累计筛余47%，在Ⅱ区要求累计筛余70%～41%内，此砂为Ⅱ区，但Ⅱ区筛孔尺寸2.36 mm筛要求累计筛余25%～0%，实测累计筛余29%，则超出标准规定的4%，而且Ⅱ区筛孔尺寸300 μm筛要求累计筛余92%～70%，实测累计筛余68%，则超出标准规定的2%，应将超出的4%和2%相加为6%，就超出了总量的5%，虽然分别超出的4%和2%没有超出5%，但还应正确评价该砂颗粒级配不合格。对此应该引起足够的重视。

8 细度模数的两次试验结果之差

JGJ 52和GB/T 14684都规定了对细度模数的计算方法，完全一致，即“细度模数取2次试验结果的平均值，精确到0.1；当2次试验所得的细度模数之差大于0.20时，应重新试验。”但ASTMC33—86《混凝土用骨料标准》[23]规定：对于持续给定来源的细骨料，其细度模数的变化不应超过基础细度模数的0.20；基础细度模数应从以前的试验中测定，如果没有以前的试验结果，按顺序取前10个试样的细度模数的平均值；如果细度模数与选择混凝土比例时假设的数值相差超过0.20，则应拒收细骨料，除非对混凝土比例进行适当调整以补偿级配差异。我国标准规定的对一个样品两次试验所得的细度模数之差允许最大值0.20似乎有些大，放宽了试验精度要求，不利于砂的质量控制和应用。文献[6]和文献[2]指出：“两次试验结果细度模数相差超过0.1时，试验应该重做。”建议考虑降低两次试验结果细度模数之差的允许值。