機制砂顆粒形狀評價方法的相關性

葉建雄，余林文，顏從進，楊長輝

（重慶大學 材料科學與工程學院，重慶400045）

細集料的顆粒形狀是影響混凝土性能的重要因素之一，一般來說，天然砂表面光滑，顆粒圓潤；而機制砂由天然巖石經機械破碎而成，與天然砂相比，其顆粒表面粗糙、棱角多，這些特性決定了機制砂混凝土性能與天然砂混凝土存在較大差異。當采用顆粒形狀差、棱角多的機制砂配制混凝土時，需要提高膠凝材料用量以保證混凝土具有良好的工作性［1－3］。Meininger［4］研究證實，細集料的性質（顆粒級配、顆粒形狀、表面粗糙度等）對硅酸鹽水泥混凝土拌合物需水量的影響很大，用水量的不同導致混凝土硬化后的收縮、裂縫以及耐久性都有極大差異。Kosmatka等［5］認為細集料的顆粒形狀和表面紋理特征對新拌混凝土性能的影響相比對硬化后混凝土性能影響更大。

對細集料顆粒形狀評價方法的研究主要集中在瀝青混合料用細集料棱角性的評價，包括細集料流動時間法［6－7］、未壓實間隙率法［8］、CCR 試驗［7］和數字圖像處理方法［9］等。由于瀝青混合料對車轍穩定性具有一定要求，因此要求細集料顆粒間的咬合以及集料與瀝青間的黏結作用較強［10－11］，而大部分普通水泥混凝土需要具備良好的工作性以保證易于施工。因此，適用于普通水泥混凝土用細集料應與瀝青混合料用細集料顆粒形狀評價方法有所區別，確定一種適用于水泥混凝土用機制砂顆粒形狀的評價方法，對于控制機制砂生產質量、保證機制砂混凝土性能具有重要意義［9］。

筆者采用間隙率法、流動時間法以及數字圖像處理方法分別表征7種不同機制砂的顆粒形狀，分析不同方法表征機制砂顆粒形狀的測試結果與水泥膠砂流動度的相關性，以探討適用于水泥混凝土的機制砂顆粒形狀的合理表征方法。

1 試驗

1.1 原材料

水泥采用的重慶拉法基水泥廠生產的P.O 42.5級水泥，其標準稠度用水量為27.6%，28d水泥膠砂抗壓強度為54.0MPa。

采用的天然砂為岳陽中砂，編號為A，7種機制砂分別取自不同的機制砂生產廠家，依次編號為B～H。為了排除顆粒級配對試驗結果的影響，將8種試驗用砂參考《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》（JGJ 52－2006）規定的分區，按照相同的顆粒級配混合，細度模數為2.8和3.2，每種細度模數均包括2種級配，試驗采用的級配如表1所示。

表1 試驗用砂級配表

1.2 試驗方法

機制砂的間隙率和流動時間均參照《公路工程集料試驗規程》JTJ 058－2000規定的方法進行，試驗均進行3次，取3次平均值作為最終結果。需要說明的是試驗流動時間試驗采用的裝置與間隙率裝置相同。水泥膠砂流動度試驗方法參考《水泥膠砂流動度測定方法》（GB／T 2419－2005），分別用不同的砂代替標準砂進行。

采用數字圖像處理方法測試機制砂棱角性時，由于機制砂中細小顆粒的圖像難以獲取、分析，因此試驗只選取粒徑為2.36～4.75mm間的顆粒，將其洗凈烘干，然后按照李嘉等［12］設計的“逆光箱”法（如圖1所示）獲取圖像。引入圓度（F）［9］和粗糙度（R）［13］2個概念表征細集料的棱角性，其計算式如式（1）和式（2）所示。采用ImagEproplus（Ipp）圖像分析軟件處理獲取的圖片，計算圓度和粗糙度。

式中：A為圖像面積；P為圖像周長；C為集料顆粒外切橢圓的周長。

圖1 “逆光箱”法示意圖

2 結果與討論

2.1 粒徑及顆粒級配對流動時間的影響

將試驗用的8種砂采用方孔篩篩分，分別測試單粒級的機制砂以及不同級配機制砂的流動時間，試驗結果如圖2、圖3所示。

圖2 粒徑對流動時間的影響

圖3 顆粒級配對流動時間的影響

由圖2和圖3可以看出，試樣流動時間隨機制砂顆粒粒徑增大而明顯延長，而0.15～0.30mm顆粒與0.30～0.60mm顆粒流動時間差別不大。一方面這可能是受機制砂顆粒粒徑與測試儀器漏斗的口徑比例影響，顆粒粒徑與口徑比例越小，顆粒越容易流動，另一方面可能是由于顆粒越大，顆粒間棱角接觸面積大，咬合力越強造成的；不同試樣的流動時間隨顆粒粒徑的變化規律不一致，如顆粒粒徑大于0.30mm時，相同粒徑的A試樣與C試樣流動時間差別不大，而0.15～0.30mm間的C試樣流動時間明顯大于A集料；當顆粒粒徑為0.30～0.60mm時，各試樣流動時間無明顯區別；對于同一種集料，細度模數為3.2時試樣流動時間明顯大于細度模數為2.8的試樣；而細度模數相同時，2種級配的試樣流動時間相近。Topal等［7］認為細集料的級配對流動時間有一定的影響，但是他們的研究結果表明，當細度模數更大時細集料的流動時間相對更短。

2.2 粒徑及顆粒級配對間隙率的影響

圖4 粒徑對間隙率的影響

圖5 顆粒級配對間隙率的影響

由圖4和圖5可以看出，各試樣的未壓實間隙率隨著機制砂顆粒粒徑的減小而增大，且顆粒粒徑不同時，不同試樣的未壓實間隙率變化規律基本一致；在試驗條件下，同一試樣的未壓實間隙率隨細度模數增大而減小；當細度模數均為2.8時，除試樣E和G以外，2個不同級配的試樣未壓實間隙率無明顯區別，而當細度模數為3.2時，大部分試樣2個級配的未壓實間隙率有一定區別。從表1可以看出，相比細度模數為2.8的2個級配，細度模數為3.2時2個級配的差別更大，這也是造成模數為3.2時2個級配未壓實間隙率差別更大的主要原因。

2.3 數字圖像處理表征細集料棱角性

對8個不同砂樣中篩選粒徑范圍為2.36～4.75mm顆粒，進行圖像量化處理，其量化指標圓度（F）與集料粗糙度（R）如圖6所示。

圖6 各集料圓度和粗糙度

由圖6可以看出，天然砂A的圓度F和粗糙度R均較小，在試驗所考察的8種集料中僅大于機制砂E，這說明大部分機制砂的顆粒形狀投影比天然砂更接近于圓形。由圖7可以看出，8種細集料的粗糙度和圓度線性相關系數為0.846 6，粗糙度和圓度具有良好的相關性。

圖7 粗糙度和圓度相關性

2.4 顆粒形狀評價指數與膠砂流動度相關性研究

普通水泥混凝土與瀝青混合料對集料的要求不同，因此有必要研究細集料的間隙率、流動時間以及粗糙度、圓度與水泥膠砂流動度的相關性。圖8所示為不同細集料的水泥膠砂流動度。由圖8可以看出，同一種細集料，細度模數為2.8時膠砂流動度大于細度模數為3.2時；級配對不同試樣膠砂流動度影響無一致規律，如細度模數為3.2時，試樣A、C、F、H 2種級配情況下膠砂流動度幾乎相同，而級配對其余4個試樣膠砂流動度影響較大，細度模數2.8時，D試樣2種級配下膠砂流動度差別顯著。

圖8 不同細集料的水泥膠砂流動度

對比圖8和圖3容易看出，對于同一種集料，流動時間越短，其水泥膠砂流動度越小，而對于同一級配不同種類的集料，水泥膠砂流動度與流動時間變化規律相反。由圖9（a）可以看出，8種集料在不同級配時水泥膠砂流動度和流動時間的線性相關系數為0.064 4，細集料的水泥膠砂流動度與其流動時間并不相關。

結合圖8和圖5可以看出，對于同一種集料，水泥膠砂流動度基本都呈隨著間隙率增大而減小的趨勢；同一級配不同種類的集料，水泥膠砂流動度變化規律與間隙率變化規律相反。圖9（b）所示為8種集料在不同級配時水泥膠砂流動度與間隙率關系，圖中相關系數為0.719 3，水泥膠砂流動度與間隙率具有良好的相關性。Chowdhury等［14］的研究表明，一些石灰石質破碎的機制砂外觀較規則，接近于正方體狀，因此其測試出的間隙率雖小，但是這種細集料仍具有較大的內摩擦力，這也可能是水泥膠砂流動度與間隙率線性相關關系并不十分顯著的原因之一。

圖9 間隙率、流動時間與膠砂流動度的相關性

對比圖6和圖8可以看出，天然砂A的圓度和粗糙度雖小于機制砂B、C、D，而其膠砂流動度大于3種機制砂；機制砂F、G及H的圓度依次為F＞G＞H，三者的粗糙度大小幾乎一致，而其膠砂流動度的大小順序為G＞F＞H。這說明數字圖像處理方法所得的圓度、粗糙度和集料的水泥膠砂流動度之間無必然聯系，數字圖像處理方法獲得的圓度和粗糙度僅能表征集料某一截面的形狀，能夠在一定程度上反映集料的間隙率［15］，而不能反映其整體形狀以及顆粒表面的紋理特征，因此難以從水泥膠砂流動度的角度區分細集料的顆粒形狀。

3 結論

1）機制砂中的單級顆粒流動時間隨著粒徑增大而延長，而未壓實間隙率隨粒徑增大而減小；同一種機制砂，細度模數為3.2時，其流動時間明顯大于細度模數為2.8時，未壓實間隙率小于細度模數為2.8時。

2）當機制砂的細度模數相同時，機制砂流動時間與其膠砂流動度無相關性，而機制砂未壓實間隙率與水泥膠砂流動的相關系數為0.719 3，相關性良好。

3）采用二維數字圖像處理方法分析細集料2.36～4.75mm級的形狀不能客觀反應機制砂顆粒形狀特征。

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