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[摘 要]普通混凝土与沥青混凝土是土木工程材料课程中的两个重要的教学内容，这两个内容都有集料级配的技术要求。通过分析普通混凝土集料的级配和沥青混凝土集料的规范要求和级配技术指标的不同点，对相应的技术指标进行分析，使学生理解相应的知识点要求及其内涵，有利于学生对普通混凝土和沥青混凝土的配比设计中对集料级配技术要求的理解，提高学生理论知识的应用能力。
[关键词]集料；普通混凝土；沥青混凝土；级配；土木工程材料
[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2018）11-0082-03
普通混凝土和沥青混凝土是土木工程材料课程中的重要知识点，两者都涉及配合比设计内容，让学生理解和掌握设计方法确实有一定的难度，需要把两者中容易发生混淆的内容进行重点分析。普通混凝土与沥青混凝土设计中都有集料的级配设计问题，因此可以通过集中对比分析两者集料的级配技术要求，让学生更好地理解和应用。普通混凝土集料的级配问题很早就引起土木工程界的重视，现行国家标准把普通混凝土的集料分为细集料和粗集料，两者占混凝土体积的60%-70%。1922年，美国学者Duff A.Abrams提出砂的细度模数[1]，并在此基础上提出了普通混凝土的配合比设计方法，被认为是现代混凝土技术制备的基础[2]。目前混凝土细集料砂的级配描述主要用细度模数和级配曲线的分区两部分来表征，而普通混凝土粗集料石子的级配问题表征主要用级配曲线和最大粒径来描述。沥青混凝土中质量比90%-95%是粗集料、细集料和矿物质组成的填料，粗集料与细集料的级配与沥青混凝土的配合比设计联系更紧。我国目前采用马歇尔法进行沥青混凝土的配合比设计。沥青混凝土集料的级配设计是配合比设计过程中的一个重要内容，而没有单独规定砂的细度模数的技术指标，把矿物质填料、砂和石子进行统一的级配设计。笔者在土木工程材料教学中发现学生常常将普通混凝土中对于粗集料和细集料的要求相混淆，或者不清楚为何两者有不同的技术指标，这就需要通过集料级配的评价与技术要求的对比，让学生不仅理解集料级配的差别，而且理解普通混凝土配合比设计与沥青混凝土的不同理念。
一、普通混凝土集料的级配
（一）砂的级配细度
1.砂的细度模数
根据国家标准《标准建筑用砂》（GB/T 14684—2011），细度模数的定义是
从（1）式很难直接看出砂细度模数计算式的实质，因此需要进一步分析。设有m克砂，筛分结果为4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.6mm、0.3mm、0.15mm方孔筛的筛上砂的质量分别为m1、m2、m3、m4、m5、m6，则有
应用（2）式可以明确地表达出我国砂细度模数的计算实质。我国目前砂的细度模数定义式本质上是扣除4.75mm方孔筛以上的部分以后，重新计算剩下的方孔筛累积筛余后的各个筛上的累积筛余百分率之和。
Duff A.Abrams最初提出的砂的细度模数的计算公式[3]为
这时（1）式和（3）式是等价的。我国普通混凝土用砂的现行规范中允许有一定的粒径超过4.75mm的颗粒存在，因此目前我国与美国等国家砂细度模数的计算结果会有一定的差异。
2.砂的级配曲线
颗粒的级配曲线在很多课程中都有涉及，但是不同的学科要求不同。普通混凝土用砂的级配情况可以通过砂的级配曲线来表征[4-5]，目前砂的级配曲线的纵坐标是累积筛余，横坐标是筛孔尺寸。由于筛孔尺寸的分布较大，实际上不能按照数量关系来确定横坐标，而是按等距离分布横坐标，这个应在教学过程中给予明确说明，如图1所示。同时根据0.6mm方孔筛的累积筛余百分率把砂的级配曲线分为3个区，并界定每个区各个筛子累积筛余百分率的范围，有利于从整体上判断砂的粗细情况，以及砂粒粒径的整体分布情况。
3.工程应用
现有2种砂，经筛分试验后各筛上的筛余量如表1所示。
A砂和B砂的细度模数是一样的，都属于粗砂，但是其级配曲线则相差很大，如图2所示。A砂属于II区，B砂属于I区，且从A砂的级配曲线可以看出是间断级配，与国家规范的要求相差很大，所以不能直接用于配制普通混凝土。
（二）普通混凝土粗集料的级配
普通混凝土粗集料是由天然岩石或卵石经破碎和筛分得到的粒径大于4.75mm的岩石颗粒。粗集料的级配技术指标用目前规范中最大粒径和级配曲线来表征。粗集料的级配影响混凝土砂浆的用量，大量的实验研究和工程应用证明连续粒级和单粒级的粗集料的级配范围可以直接应用。因此，对于普通混凝土粗集料就不计算细度模数，而是主要采用级配曲线的方法来确定级配。
二、沥青混凝土的集料级配
沥青混凝土是由矿料与沥青拌和而成的混凝土，矿料由粗集料、细集料和填料组成。根据沥青混凝土的结构组成设计，矿料的级配设计直接确定粗集料、细集料和矿粉之间的质量比例关系，此时粗集料、细集料的级配作为原料的性能指标，组合后要满足矿料的级配要求。根据《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40 —2004），细粒式沥青混凝土的集料级配如表2要求所示[6]。
沥青混凝土的配合比设计过程中不需要计算砂的细度模数，但是从原材料选择的角度来说，沥青混凝土需要的是中砂和粗砂，因此砂的细度模数可以作为原料性能评价来考虑，更重要的是砂的级配组成。沥青混凝土对粗集料的级配没有单独要求，只要求与细集料、矿粉组合时满足相应的沥青混凝土矿料的级配要求。如果一种粗集料不能满足要求，可以将两种以上不同级配的粗集料混合使用。
三、小结
通过对普通混凝土和沥青混凝土的集料的级配技术指标进行分析，让学生理解两者的不同点，有助于学生加强对土木工程材料课程以下重要知识点的掌握。
1.普通混凝土用砂的级配曲线能够从整体上表征砂的颗粒组成和级配情况。曲线的横坐标按固定距离绘制，不是按筛孔尺寸的数学大小来绘制。
2.普通混凝土中砂的細度模数是砂的重要技术指标，需要与砂的级配曲线配合进行砂的级配情况判断。即使是相同的细度模数，其砂的级配情况也有可能相差很大。普通混凝土的粗集料有相应的级配规范要求。从普通混凝土配合比计算来看，砂的级配与石子的级配不需要联合计算。
3.沥青混凝土中集料的级配要求是整体上的，包括粗集料、细集料和填料，从整体上进行级配组合设计，粗集料和细集证明料的级配组成是重要的技术参数。
[ 参 考 文 献 ]
[1] Duff A.Abrams.混凝土拌合物的配合比设计[J].混凝土世界，2009（9）：38-41.
[2] 库马·梅塔，保罗·JM.蒙特罗.混凝土：微观结构、性能和材料[M].覃维祖，王栋民，丁建彤，译，北京：中国电力出版社，2008：179.
[3] MINDESS S，YOUNG JF，DARWIN D.混凝土[M].2版.吴科如，张雄，姚武，等译，北京：化学工业出版社，2005：115.
[4] A.M.内维尔.混凝土的性能[M].原著4版.刘数华，冷发光，李新宇，等译，北京：中国建筑工业出版社，2011：112-113.
[5] 陈昌礼.“以研促教”在土木工程材料课程教学中的应用[J].高等建筑教育，2015（2）：64-67.
[6] 湖南大学，天津大学，同济大学，等.土木工程材料[M].2版.北京：中国建筑工业出版社，2011：202-203.
[责任编辑：庞丹丹]
[关键词]集料；普通混凝土；沥青混凝土；级配；土木工程材料
[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2018）11-0082-03
普通混凝土和沥青混凝土是土木工程材料课程中的重要知识点，两者都涉及配合比设计内容，让学生理解和掌握设计方法确实有一定的难度，需要把两者中容易发生混淆的内容进行重点分析。普通混凝土与沥青混凝土设计中都有集料的级配设计问题，因此可以通过集中对比分析两者集料的级配技术要求，让学生更好地理解和应用。普通混凝土集料的级配问题很早就引起土木工程界的重视，现行国家标准把普通混凝土的集料分为细集料和粗集料，两者占混凝土体积的60%-70%。1922年，美国学者Duff A.Abrams提出砂的细度模数[1]，并在此基础上提出了普通混凝土的配合比设计方法，被认为是现代混凝土技术制备的基础[2]。目前混凝土细集料砂的级配描述主要用细度模数和级配曲线的分区两部分来表征，而普通混凝土粗集料石子的级配问题表征主要用级配曲线和最大粒径来描述。沥青混凝土中质量比90%-95%是粗集料、细集料和矿物质组成的填料，粗集料与细集料的级配与沥青混凝土的配合比设计联系更紧。我国目前采用马歇尔法进行沥青混凝土的配合比设计。沥青混凝土集料的级配设计是配合比设计过程中的一个重要内容，而没有单独规定砂的细度模数的技术指标，把矿物质填料、砂和石子进行统一的级配设计。笔者在土木工程材料教学中发现学生常常将普通混凝土中对于粗集料和细集料的要求相混淆，或者不清楚为何两者有不同的技术指标，这就需要通过集料级配的评价与技术要求的对比，让学生不仅理解集料级配的差别，而且理解普通混凝土配合比设计与沥青混凝土的不同理念。
一、普通混凝土集料的级配
（一）砂的级配细度
1.砂的细度模数
根据国家标准《标准建筑用砂》（GB/T 14684—2011），细度模数的定义是
从（1）式很难直接看出砂细度模数计算式的实质，因此需要进一步分析。设有m克砂，筛分结果为4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.6mm、0.3mm、0.15mm方孔筛的筛上砂的质量分别为m1、m2、m3、m4、m5、m6，则有
应用（2）式可以明确地表达出我国砂细度模数的计算实质。我国目前砂的细度模数定义式本质上是扣除4.75mm方孔筛以上的部分以后，重新计算剩下的方孔筛累积筛余后的各个筛上的累积筛余百分率之和。
Duff A.Abrams最初提出的砂的细度模数的计算公式[3]为
这时（1）式和（3）式是等价的。我国普通混凝土用砂的现行规范中允许有一定的粒径超过4.75mm的颗粒存在，因此目前我国与美国等国家砂细度模数的计算结果会有一定的差异。
2.砂的级配曲线
颗粒的级配曲线在很多课程中都有涉及，但是不同的学科要求不同。普通混凝土用砂的级配情况可以通过砂的级配曲线来表征[4-5]，目前砂的级配曲线的纵坐标是累积筛余，横坐标是筛孔尺寸。由于筛孔尺寸的分布较大，实际上不能按照数量关系来确定横坐标，而是按等距离分布横坐标，这个应在教学过程中给予明确说明，如图1所示。同时根据0.6mm方孔筛的累积筛余百分率把砂的级配曲线分为3个区，并界定每个区各个筛子累积筛余百分率的范围，有利于从整体上判断砂的粗细情况，以及砂粒粒径的整体分布情况。
3.工程应用
现有2种砂，经筛分试验后各筛上的筛余量如表1所示。
A砂和B砂的细度模数是一样的，都属于粗砂，但是其级配曲线则相差很大，如图2所示。A砂属于II区，B砂属于I区，且从A砂的级配曲线可以看出是间断级配，与国家规范的要求相差很大，所以不能直接用于配制普通混凝土。
（二）普通混凝土粗集料的级配
普通混凝土粗集料是由天然岩石或卵石经破碎和筛分得到的粒径大于4.75mm的岩石颗粒。粗集料的级配技术指标用目前规范中最大粒径和级配曲线来表征。粗集料的级配影响混凝土砂浆的用量，大量的实验研究和工程应用证明连续粒级和单粒级的粗集料的级配范围可以直接应用。因此，对于普通混凝土粗集料就不计算细度模数，而是主要采用级配曲线的方法来确定级配。
二、沥青混凝土的集料级配
沥青混凝土是由矿料与沥青拌和而成的混凝土，矿料由粗集料、细集料和填料组成。根据沥青混凝土的结构组成设计，矿料的级配设计直接确定粗集料、细集料和矿粉之间的质量比例关系，此时粗集料、细集料的级配作为原料的性能指标，组合后要满足矿料的级配要求。根据《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40 —2004），细粒式沥青混凝土的集料级配如表2要求所示[6]。
沥青混凝土的配合比设计过程中不需要计算砂的细度模数，但是从原材料选择的角度来说，沥青混凝土需要的是中砂和粗砂，因此砂的细度模数可以作为原料性能评价来考虑，更重要的是砂的级配组成。沥青混凝土对粗集料的级配没有单独要求，只要求与细集料、矿粉组合时满足相应的沥青混凝土矿料的级配要求。如果一种粗集料不能满足要求，可以将两种以上不同级配的粗集料混合使用。
三、小结
通过对普通混凝土和沥青混凝土的集料的级配技术指标进行分析，让学生理解两者的不同点，有助于学生加强对土木工程材料课程以下重要知识点的掌握。
1.普通混凝土用砂的级配曲线能够从整体上表征砂的颗粒组成和级配情况。曲线的横坐标按固定距离绘制，不是按筛孔尺寸的数学大小来绘制。
2.普通混凝土中砂的細度模数是砂的重要技术指标，需要与砂的级配曲线配合进行砂的级配情况判断。即使是相同的细度模数，其砂的级配情况也有可能相差很大。普通混凝土的粗集料有相应的级配规范要求。从普通混凝土配合比计算来看，砂的级配与石子的级配不需要联合计算。
3.沥青混凝土中集料的级配要求是整体上的，包括粗集料、细集料和填料，从整体上进行级配组合设计，粗集料和细集证明料的级配组成是重要的技术参数。
[ 参 考 文 献 ]
[1] Duff A.Abrams.混凝土拌合物的配合比设计[J].混凝土世界，2009（9）：38-41.
[2] 库马·梅塔，保罗·JM.蒙特罗.混凝土：微观结构、性能和材料[M].覃维祖，王栋民，丁建彤，译，北京：中国电力出版社，2008：179.
[3] MINDESS S，YOUNG JF，DARWIN D.混凝土[M].2版.吴科如，张雄，姚武，等译，北京：化学工业出版社，2005：115.
[4] A.M.内维尔.混凝土的性能[M].原著4版.刘数华，冷发光，李新宇，等译，北京：中国建筑工业出版社，2011：112-113.
[5] 陈昌礼.“以研促教”在土木工程材料课程教学中的应用[J].高等建筑教育，2015（2）：64-67.
[6] 湖南大学，天津大学，同济大学，等.土木工程材料[M].2版.北京：中国建筑工业出版社，2011：202-203.
[责任编辑：庞丹丹]