謝華兵　　韋江雄　　李方賢

（華南理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院）

機(jī)制砂粒形與級(jí)配特性及其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)探究

謝華兵韋江雄李方賢

（華南理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院）

機(jī)制砂復(fù)雜的粒形和級(jí)配都會(huì)影響機(jī)制砂的推廣應(yīng)用，本研究通過對(duì)機(jī)制砂粒形和級(jí)配特性的研究，提出了機(jī)制砂粒形綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)和不同等級(jí)機(jī)制砂級(jí)配，并通過砂漿試驗(yàn)結(jié)果表明，粒形綜合指數(shù)越高的第一等級(jí)的機(jī)制砂制備的砂漿的工作性能和力學(xué)性能都相對(duì)更高。

機(jī)制砂；粒形；級(jí)配；評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1　引言

在現(xiàn)今河砂資源短缺和河道保護(hù)的狀況下，機(jī)制砂正在逐步取代河砂作為混凝土用細(xì)骨料。機(jī)制砂由機(jī)械破碎篩分而來，其多棱角的不規(guī)則粒形和不合理的級(jí)配限制了機(jī)制砂的應(yīng)用和機(jī)制砂混凝土的推廣?，F(xiàn)今對(duì)機(jī)制砂粒形和級(jí)配方面的研究很多，但是缺乏對(duì)機(jī)制砂粒形和級(jí)配的評(píng)價(jià)指標(biāo)。本文通過對(duì)機(jī)制砂粒形、級(jí)配特性及其對(duì)砂漿性能的影響，提出機(jī)制砂的粒形評(píng)價(jià)方法和級(jí)配評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，為機(jī)制砂的生產(chǎn)、應(yīng)用和機(jī)制砂混凝土的推廣提供理論指導(dǎo)。

2　試驗(yàn)方法與材料

2.1試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)細(xì)骨料為石灰?guī)r機(jī)制砂（Li m estone M anufacture Sand，LM S，梅州），花崗巖機(jī)制砂（Grani te M anufactured Sand，GM S，陽江），自然砂（Ri ver Sand， RS,西江）。試驗(yàn)用水泥為PⅡ42.5R水泥（廣州珠江水泥廠，化學(xué)成分如表1所示），試驗(yàn)用水為廣州市飲用水。

表1　PⅡ42.5R水泥的化學(xué)組成

2.2試驗(yàn)方法

2.2.1機(jī)制砂粒形表征

本文采用數(shù)字圖像法（Di gi tal Im age Processi ng，DIP）和細(xì)集料的棱角性法來表征砂的粒形獲取砂的粒形特征參數(shù)。細(xì)集料的棱角性法具體方法參照標(biāo)準(zhǔn)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（J TGE 42-2005）。數(shù)字圖像法首先將砂篩分成單粒級(jí)的顆粒，然后洗去表面的灰塵，烘干，再在體式鏡下拍照。然后在用Im age-Pro Pl us（IPP）軟件對(duì)圖像進(jìn)行處理，并獲取顆粒圖像的特征參數(shù)。主要粒形參數(shù)如表3所示。

表2　細(xì)骨料主要參數(shù)

表3　機(jī)制砂粒形參數(shù)及其說明

2.2.2砂堆積孔隙率測(cè)試及砂漿的工作性能、力學(xué)性能和干燥收縮測(cè)試

砂的堆積密度和空隙率參考標(biāo)準(zhǔn)建筑用砂（GB/T 14684-2011）進(jìn)行測(cè)量。砂漿的工作性能測(cè)試參考標(biāo)準(zhǔn)《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)試方法》（GB/T 2419-2005）。力學(xué)性能測(cè)試參照標(biāo)準(zhǔn)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》（GB/T 17671-1999）。干燥收縮性能參照標(biāo)準(zhǔn)《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(J GJ/T 70-2009)。

3　結(jié)果與討論

3.1機(jī)制砂的粒形表征和評(píng)價(jià)

表4為細(xì)骨料的主要粒形參數(shù)，從表中可以看出，在長(zhǎng)寬高三維均勻性方面，河砂的均勻性稍優(yōu)于石灰?guī)r機(jī)制砂，而花崗巖機(jī)制砂最差。而在棱角性方面，也表現(xiàn)出相同的規(guī)律，主要原因在于河砂受長(zhǎng)期河流作用，大部分棱角已經(jīng)磨蝕，而石灰?guī)r硬度較花崗巖小，因此在各個(gè)方向都比較均勻。

表4　細(xì)骨料主要粒形參數(shù)

從表4中可以看到表征細(xì)骨料粒形參數(shù)的指標(biāo)很多，而各個(gè)指標(biāo)之間的變化規(guī)律并非一致，并且不同的研究者選用不同參數(shù)來評(píng)價(jià)粒形的優(yōu)劣，目前對(duì)顆粒粒形的評(píng)價(jià)還沒有一個(gè)統(tǒng)一的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)。通過對(duì)顆粒粒形各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的深入分析，構(gòu)建一個(gè)實(shí)用的粒形綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，可為評(píng)價(jià)細(xì)骨料的粒形優(yōu)劣提供重要依據(jù)。

通過對(duì)各個(gè)粒形參數(shù)分析，如表5所示，對(duì)細(xì)骨料的各個(gè)參數(shù)指標(biāo)權(quán)重劃分。顆粒粒形的各個(gè)表征參數(shù)的數(shù)值口徑不統(tǒng)一，必須將各參數(shù)數(shù)值進(jìn)行歸一化處理才能進(jìn)行綜合計(jì)算。將長(zhǎng)寬比、內(nèi)徑比、縱橫比、圓度、扁平比以球?yàn)閰⒖?，?jì)算細(xì)骨料顆粒相對(duì)于球的相對(duì)長(zhǎng)寬比、相對(duì)內(nèi)徑比、相對(duì)縱橫比、圓度和相對(duì)扁平比。其中相對(duì)長(zhǎng)寬比、相對(duì)內(nèi)徑比和相對(duì)縱橫比為原始顆粒參數(shù)值的倒數(shù)，扁平比與0.67的比值為顆粒的相對(duì)扁平比，圓度本身的值就是相對(duì)于球的值，因此還是實(shí)測(cè)值。間隙率和流動(dòng)時(shí)間以標(biāo)準(zhǔn)砂為參考，取標(biāo)準(zhǔn)砂的間隙率、流動(dòng)時(shí)間和各細(xì)骨料的間隙率、流動(dòng)時(shí)間的比值得到相對(duì)間隙率和相對(duì)流動(dòng)時(shí)間。本研究所得到的石灰?guī)r機(jī)制砂（LM S）、花崗巖機(jī)制砂（GM S）和河砂（RS）的各個(gè)粒形參數(shù)歸一化后的數(shù)值如表6所示。

表5　粒形各評(píng)價(jià)參數(shù)的權(quán)重劃分

表6　細(xì)骨料粒形參數(shù)的歸一化

根據(jù)各粒形表征參數(shù)權(quán)重和歸一化后的數(shù)值，可以計(jì)算得到一個(gè)比較全面反映顆粒粒形特征的綜合指數(shù)，其計(jì)算公式如下：

粒形綜合指數(shù)=∑(粒形表征參數(shù)×權(quán)重)(式1)

根據(jù)前面分析得到的權(quán)重和歸一化后的數(shù)據(jù)，由式1可以計(jì)算得到河砂、石灰?guī)r機(jī)制砂和花崗巖機(jī)制砂的粒形綜合指數(shù)如表7所示。從表7中可以看出，將各個(gè)粒形參數(shù)按不同權(quán)重累加之后得到粒形綜合指數(shù)。其中河砂的粒形最好，粒形綜合指數(shù)為0.80，其次是石灰?guī)r機(jī)制砂為0.76，而花崗巖機(jī)制砂為0.68，粒形最差。

表7　機(jī)制砂粒形綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)

3.2機(jī)制砂粒形與砂漿性能

圖1為細(xì)度模數(shù)分別為2.2和2.5的細(xì)骨料的堆積空隙率，a為松散堆積空隙率，b為緊密堆積空隙率。兩個(gè)細(xì)度模數(shù)下細(xì)骨料的堆積空隙率的變化規(guī)律一致，說明粒形對(duì)堆積空隙率的影響不隨細(xì)度模數(shù)的變化而變化。相同細(xì)度模數(shù)細(xì)骨料的堆積空隙率，粒形綜合指數(shù)最小的花崗巖機(jī)制砂高于河砂，長(zhǎng)寬比最小、粒形綜合指數(shù)較好的石灰?guī)r機(jī)制砂最小。以河砂為參考，在細(xì)度模數(shù)為2.5時(shí)，石灰?guī)r機(jī)制砂的松散堆積和緊密堆積空隙率分別低河砂1.26%和3.36%，而花崗巖機(jī)制砂的松散堆積和緊密堆積空隙率分別高河砂 2.40%和0.13%。

圖1　不同細(xì)骨料連續(xù)級(jí)配堆積空隙率

如圖2所示，在三個(gè)水灰比下，石灰?guī)r機(jī)制砂制備的砂漿的流動(dòng)度都高于花崗巖機(jī)制砂制備的砂漿。石灰?guī)r機(jī)制砂粒形綜合指數(shù)較大，顆粒更加均勻飽和，其堆積空隙率更小，故而砂漿的流動(dòng)度也相對(duì)更好。說明機(jī)制砂的粒形綜合指數(shù)越大，砂漿的工作性能相對(duì)越好。

圖2　不同粒形機(jī)制砂砂漿流動(dòng)度

如圖3和圖4所示，相比于較為光滑圓潤(rùn)的河砂，機(jī)制砂粗糙多棱角的表面與基體的結(jié)合更加緊密，且顆粒之間存在機(jī)械咬合作用，故而機(jī)制砂制備的砂漿28天抗折、抗壓強(qiáng)度均高于河砂，特別是抗折強(qiáng)度要高出河砂制備的砂漿10%～50%。而對(duì)于不同粒形的機(jī)制砂，粒形綜合指數(shù)更高的石灰?guī)r機(jī)制砂砂漿的28天抗折強(qiáng)度要高于花崗巖機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)為2.2和2.5的抗折強(qiáng)度分別提高了28%和6%，抗壓強(qiáng)度分別提高了13%和3%。石灰?guī)r機(jī)制砂的粒形綜合指數(shù)更高，顆粒堆積空隙率更小，砂漿的工作性能更好，砂漿內(nèi)部缺陷相對(duì)更少，故而其抗折、抗壓強(qiáng)度也相對(duì)更高。

圖3　不同細(xì)骨料砂漿28天抗折強(qiáng)度

圖4　不同細(xì)骨料砂漿28天抗壓強(qiáng)度

圖5　不同細(xì)骨料砂漿干燥收縮

圖5為細(xì)骨料細(xì)度模數(shù)為2.5不同細(xì)骨料制備的砂漿的干燥收縮。從圖中可以看到，隨齡期的增長(zhǎng)，砂漿干燥收縮增大，在前20天，砂漿的干燥收縮速度較快，而后期速度逐漸變慢。這一是因?yàn)樗嗨a(chǎn)生的體積收縮，二是隨著水化的進(jìn)行，基體越來越致密，毛細(xì)孔中的水也越來越少，能夠逸失的水分也越來越小。相同級(jí)配下，花崗巖機(jī)制砂制備的砂漿的收縮值要小于石灰?guī)r機(jī)制砂和河砂，石灰?guī)r機(jī)制砂制備的砂漿的干燥收縮稍高于河砂。

3.3機(jī)制砂級(jí)配設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)

將細(xì)骨料篩分成 1.25～5m m、0.63～1.25m m、0.315～0.63m m和0.08～0.315m m四個(gè)區(qū)間，其中將1.25～5m m中1.25～5m m與2.5～5m m顆粒含量比例設(shè)定為 3：1，而0.08～0.315m m中0.16～0.315m m與0.08～0.16m m顆粒含量比例設(shè)定為2:1。將各個(gè)區(qū)間顆粒含量細(xì)化，設(shè)定質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10%、20%、30%、40%，進(jìn)行排列組合得到44組級(jí)配。

以泰波級(jí)配作為機(jī)制砂級(jí)配的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，研究表明泰波指數(shù)為0.45時(shí)堆積密度最大，即堆積空隙率最小。因?yàn)樘┎?jí)配理論最細(xì)的顆粒粒徑為0m m，機(jī)制砂排除石粉顆粒的顆粒粒徑范圍為0.08～5m m，且本文級(jí)配設(shè)計(jì)時(shí)不包括石粉顆粒，故而本文四區(qū)間級(jí)配與泰波級(jí)配做比較時(shí)，級(jí)配最小區(qū)間0.08～0.315m m顆粒含量和泰波級(jí)配小于0.315m m顆粒含量相對(duì)應(yīng)。

式中：Ux表示篩析通過量（%），x為篩孔尺寸，D為體系中最大顆粒尺寸，當(dāng)n=0.5為富勒級(jí)配公式。

將設(shè)計(jì)機(jī)制砂的級(jí)配與泰波級(jí)配進(jìn)行比較，計(jì)算二者之間累計(jì)分布偏差的平方和，如式（3）所示，根據(jù)R2值的大小來評(píng)價(jià)機(jī)制砂的級(jí)配與理想級(jí)配的偏差，R2值越小說明越接近理想泰波級(jí)配（n=0.45）。

R2=∑(φi-ωi)2（式3）

式(3)中R2表示實(shí)際級(jí)配與富勒級(jí)配的偏差值，φi為機(jī)制砂對(duì)應(yīng)i篩孔尺寸顆粒對(duì)應(yīng)的累計(jì)分布，百分比表示；ωi為對(duì)應(yīng)i篩孔尺寸對(duì)應(yīng)泰波級(jí)配的累計(jì)分布，百分比表示。i取值為 0.08m m、0.16m m、0.315m m、0.63m m、1.25m m、2.5m m、5m m。

圖6　機(jī)制砂堆積空隙率

圖7　機(jī)制砂堆積空隙率

如圖6所示，機(jī)制砂的堆積空隙率隨著與泰波級(jí)配的偏差值的R2增大而增大，泰波級(jí)配曲線基于顆粒堆積達(dá)到最大密度，即堆積空隙率達(dá)到最小，而機(jī)制砂本身就是不同尺寸顆粒的集合體，故而其級(jí)配越接近泰波級(jí)配，其堆積空隙率也相對(duì)越小。從偏差值R2對(duì)堆積空隙率影響的散點(diǎn)圖分布規(guī)律分析，可以將偏差值R2劃分為5個(gè)區(qū)間：R2≤300×10-4、300×10-41500×10-4。

5個(gè)區(qū)間的機(jī)制砂的堆積空隙率平均值如圖7所示，從圖7中可以看出，將顆粒級(jí)配分成五個(gè)區(qū)間后，隨著與泰波級(jí)配累積偏差的增大，機(jī)制砂的堆積空隙率呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，且機(jī)制砂的松散堆積空隙率和緊密堆積空隙率表現(xiàn)出相同的規(guī)律。

根據(jù)5個(gè)區(qū)間偏差值與機(jī)制砂堆積空隙率大小的關(guān)系，將機(jī)制砂分成5個(gè)等級(jí)，其對(duì)應(yīng)的顆粒分布如表8所示。級(jí)配等級(jí)越大，表明堆積空隙率越大，級(jí)配越差。

3.4機(jī)制砂級(jí)配與砂漿性能

從圖8中可以看出，隨著機(jī)制砂級(jí)配與泰波級(jí)配偏差值的增大，砂漿流動(dòng)度呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。當(dāng)R2≤300× 10-4和3001000×10-4時(shí)，砂漿基本上處于無法流動(dòng)的狀態(tài)。

圖8　不同級(jí)配機(jī)制砂砂漿流動(dòng)度

機(jī)制砂制備的砂漿的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度隨級(jí)配變化而變化，從圖9和圖10可以看出，隨著機(jī)制砂級(jí)配與泰波級(jí)配的偏差值R2的增大，砂漿的28天抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)一定的下降趨勢(shì)。從前面試驗(yàn)結(jié)果可知，機(jī)制砂級(jí)配越接近泰波級(jí)配，其堆積空隙率越小，砂漿工作性能也更好。緊密的骨架結(jié)構(gòu)和良好的工作性能，使得對(duì)應(yīng)的砂漿的抗壓強(qiáng)度也相對(duì)更高?？傮w上而言，隨著機(jī)制砂級(jí)配與泰波級(jí)配（n=0.45）的偏差值的增大，機(jī)制砂砂漿的力學(xué)性能呈現(xiàn)一定的下降趨勢(shì)。并且當(dāng)R2≤300×10-4時(shí)，砂漿的力學(xué)性能較優(yōu)。

圖9　不同級(jí)配機(jī)制砂砂漿28天抗折強(qiáng)度

圖10　不同級(jí)配機(jī)制砂砂漿28天抗壓強(qiáng)度

圖11　不同級(jí)配砂漿干燥收縮

表8　不同等級(jí)機(jī)制砂級(jí)配顆粒分布

從圖11中可以看出，不同級(jí)配機(jī)制砂砂漿的干燥收縮隨R2的增大呈現(xiàn)一定的減小趨勢(shì)，但減小的幅度很小，砂漿干縮值在1280～1310×10-6之間，基本上處于同一水平。總的而言，級(jí)配與砂漿干燥收縮的關(guān)系不明顯。

4　結(jié)論

⑴通過數(shù)字圖像法獲取了機(jī)制砂的粒形參數(shù)，將細(xì)骨料二維和三維方向上的粒形參數(shù)按不同權(quán)重組合，建立了顆粒粒形綜合指數(shù)公式：粒形綜合指數(shù)=∑(粒形表征參數(shù)×權(quán)重)，粒形綜合指數(shù)越高，細(xì)骨料粒形越好，本研究所用石灰?guī)r機(jī)制砂、花崗巖機(jī)制砂和河砂粒形綜合指數(shù)分別為0.76、0.68和0.80。河砂、粒形最好，石灰?guī)r其次，花崗巖機(jī)制砂最差。

⑵機(jī)制砂的粒形綜合指數(shù)越高，堆積空隙率越小。相同配合比下，粒形綜合指數(shù)更高的石灰?guī)r機(jī)制砂砂漿的流動(dòng)度和抗折、抗壓強(qiáng)度較花崗巖機(jī)制砂砂漿相對(duì)更高，干燥收縮更大。

⑶設(shè)計(jì)了四區(qū)間級(jí)配，并以與泰波級(jí)配的偏差值R2作為級(jí)配評(píng)價(jià)指標(biāo)。總體上機(jī)制砂的堆積空隙率隨偏差值R2的增大而增大。從偏差值R2對(duì)堆積空隙率影響的散點(diǎn)圖分布規(guī)律分析，可以將偏差值R2劃分為5個(gè)區(qū)間：R2≤300×10-4、300×10-41500×10-4，分別對(duì)應(yīng)機(jī)制砂一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)、四級(jí)和五級(jí)這5個(gè)級(jí)配等級(jí)；等級(jí)越大，表明堆積空隙率越大，級(jí)配越差。

⑷機(jī)制砂級(jí)配越接近泰波級(jí)配（n=0.45），機(jī)制砂砂漿的流動(dòng)度和抗壓強(qiáng)度相對(duì)越高，當(dāng)R2≤300×10-4時(shí)，砂漿的工作性能和力學(xué)性能較好，級(jí)配與砂漿的干縮性能關(guān)系不明顯。●

[1]M ehta P K.concrete m i crostruture,preperti es,and m ateri al s[M].1 ed.北京:中國(guó)電力出版社,2008.434.

[2]朱俊利，郎學(xué)剛，賈希娥.機(jī)制砂生產(chǎn)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].礦冶，2001(04):38-42.

[3]莊良松.河道采砂危害及其控制對(duì)策的探討[J].水利科技，2009(02):24-26.

[4]Gui m araes MS,Val des J R,Pal om i no A M,et al.Aggregate producti on:Fi nes generati on duri ng rock crushi ng[J].Internati onalJ ournalofM i neralProcessi ng. 2007,81(4):237-247.

[5]H J.Q ual i ty Characteri sti cs of Fi ne Aggregate and Control l i ng thei rEffcctson Concrete[D].H el si nki: H el si nki Uni versi ty of Techol ogy,2001.

[6]王稷良.機(jī)制砂特性對(duì)混凝土性能的影響及機(jī)理研究[D].武漢理工大學(xué),2008.

[7]Kw an A K H,Fung WWS.Packi ng densi ty m easurem ent and m odel l i ng of fi ne aggregate and m ortar[J].Cem ent and Concrete Com posi tes.2009,31(6):349-357.

[8]王振軍，沙愛民.水泥混凝土漿體-集料界面區(qū)結(jié)構(gòu)與性能[J].重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào).2008(06):155-160.

[9]Shen S,Yu H.Characteri ze packi ng ofaggregate parti cl esforpavi ng m ateri al s:Parti cl e si ze i m pact [J].Constructi on and Bui l di ng M ateri al s.2011,25(3): 1362-1368.

[10]O zen M,Gul er M.Assessm entofopti m um threshol d and parti cl e shape param eter for the i m age anal ysi s of aggregate si ze di stri buti on ofconcrete secti ons[J]. O pti cs and Lasers i n Engi neeri ng.2014,53:122-132.

謝華兵，男，華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生

韋江雄，男，華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，研究方向水泥基復(fù)合材料

李方賢，男，華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院副研究員，研究方向水泥基復(fù)合材料