機制砂粒形與級配特性及其評價標準探究

謝華兵　　韋江雄　　李方賢

（華南理工大學 材料科學與工程學院）

機制砂粒形與級配特性及其評價標準探究

謝華兵韋江雄李方賢

（華南理工大學 材料科學與工程學院）

機制砂復雜的粒形和級配都會影響機制砂的推廣應用，本研究通過對機制砂粒形和級配特性的研究，提出了機制砂粒形綜合評價指標和不同等級機制砂級配，并通過砂漿試驗結果表明，粒形綜合指數越高的第一等級的機制砂制備的砂漿的工作性能和力學性能都相對更高。

機制砂；粒形；級配；評價標準

1　引言

在現今河砂資源短缺和河道保護的狀況下，機制砂正在逐步取代河砂作為混凝土用細骨料。機制砂由機械破碎篩分而來，其多棱角的不規則粒形和不合理的級配限制了機制砂的應用和機制砂混凝土的推廣。現今對機制砂粒形和級配方面的研究很多，但是缺乏對機制砂粒形和級配的評價指標。本文通過對機制砂粒形、級配特性及其對砂漿性能的影響，提出機制砂的粒形評價方法和級配評價標準，為機制砂的生產、應用和機制砂混凝土的推廣提供理論指導。

2　試驗方法與材料

2.1試驗材料

本試驗細骨料為石灰巖機制砂（Li m estone M anufacture Sand，LM S，梅州），花崗巖機制砂（Grani te M anufactured Sand，GM S，陽江），自然砂（Ri ver Sand， RS,西江）。試驗用水泥為PⅡ42.5R水泥（廣州珠江水泥廠，化學成分如表1所示），試驗用水為廣州市飲用水。

表1　PⅡ42.5R水泥的化學組成

2.2試驗方法

2.2.1機制砂粒形表征

本文采用數字圖像法（Di gi tal Im age Processi ng，DIP）和細集料的棱角性法來表征砂的粒形獲取砂的粒形特征參數。細集料的棱角性法具體方法參照標準《公路工程集料試驗規程》（J TGE 42-2005）。數字圖像法首先將砂篩分成單粒級的顆粒，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）軟件對圖像進行處理，并獲取顆粒圖像的特征參數。主要粒形參數如表3所示。

表2　細骨料主要參數

表3　機制砂粒形參數及其說明

2.2.2砂堆積孔隙率測試及砂漿的工作性能、力學性能和干燥收縮測試

砂的堆積密度和空隙率參考標準建筑用砂（GB/T 14684-2011）進行測量。砂漿的工作性能測試參考標準《水泥膠砂流動度測試方法》（GB/T 2419-2005）。力學性能測試參照標準《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》（GB/T 17671-1999）。干燥收縮性能參照標準《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》(J GJ/T 70-2009)。

3　結果與討論

3.1機制砂的粒形表征和評價

表4為細骨料的主要粒形參數，從表中可以看出，在長寬高三維均勻性方面，河砂的均勻性稍優于石灰巖機制砂，而花崗巖機制砂最差。而在棱角性方面，也表現出相同的規律，主要原因在于河砂受長期河流作用，大部分棱角已經磨蝕，而石灰巖硬度較花崗巖小，因此在各個方向都比較均勻。

表4　細骨料主要粒形參數

從表4中可以看到表征細骨料粒形參數的指標很多，而各個指標之間的變化規律并非一致，并且不同的研究者選用不同參數來評價粒形的優劣，目前對顆粒粒形的評價還沒有一個統一的綜合評價指標。通過對顆粒粒形各個評價指標的深入分析，構建一個實用的粒形綜合評價指標，可為評價細骨料的粒形優劣提供重要依據。

通過對各個粒形參數分析，如表5所示，對細骨料的各個參數指標權重劃分。顆粒粒形的各個表征參數的數值口徑不統一，必須將各參數數值進行歸一化處理才能進行綜合計算。將長寬比、內徑比、縱橫比、圓度、扁平比以球為參考，計算細骨料顆粒相對于球的相對長寬比、相對內徑比、相對縱橫比、圓度和相對扁平比。其中相對長寬比、相對內徑比和相對縱橫比為原始顆粒參數值的倒數，扁平比與0.67的比值為顆粒的相對扁平比，圓度本身的值就是相對于球的值，因此還是實測值。間隙率和流動時間以標準砂為參考，取標準砂的間隙率、流動時間和各細骨料的間隙率、流動時間的比值得到相對間隙率和相對流動時間。本研究所得到的石灰巖機制砂（LM S）、花崗巖機制砂（GM S）和河砂（RS）的各個粒形參數歸一化后的數值如表6所示。

表5　粒形各評價參數的權重劃分

表6　細骨料粒形參數的歸一化

根據各粒形表征參數權重和歸一化后的數值，可以計算得到一個比較全面反映顆粒粒形特征的綜合指數，其計算公式如下：

粒形綜合指數=∑(粒形表征參數×權重)(式1)

根據前面分析得到的權重和歸一化后的數據，由式1可以計算得到河砂、石灰巖機制砂和花崗巖機制砂的粒形綜合指數如表7所示。從表7中可以看出，將各個粒形參數按不同權重累加之后得到粒形綜合指數。其中河砂的粒形最好，粒形綜合指數為0.80，其次是石灰巖機制砂為0.76，而花崗巖機制砂為0.68，粒形最差。

表7　機制砂粒形綜合評價指標

3.2機制砂粒形與砂漿性能

圖1為細度模數分別為2.2和2.5的細骨料的堆積空隙率，a為松散堆積空隙率，b為緊密堆積空隙率。兩個細度模數下細骨料的堆積空隙率的變化規律一致，說明粒形對堆積空隙率的影響不隨細度模數的變化而變化。相同細度模數細骨料的堆積空隙率，粒形綜合指數最小的花崗巖機制砂高于河砂，長寬比最小、粒形綜合指數較好的石灰巖機制砂最小。以河砂為參考，在細度模數為2.5時，石灰巖機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　不同細骨料連續級配堆積空隙率

如圖2所示，在三個水灰比下，石灰巖機制砂制備的砂漿的流動度都高于花崗巖機制砂制備的砂漿。石灰巖機制砂粒形綜合指數較大，顆粒更加均勻飽和，其堆積空隙率更小，故而砂漿的流動度也相對更好。說明機制砂的粒形綜合指數越大，砂漿的工作性能相對越好。

圖2　不同粒形機制砂砂漿流動度

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

圖3　不同細骨料砂漿28天抗折強度

圖4　不同細骨料砂漿28天抗壓強度

圖5　不同細骨料砂漿干燥收縮

圖5為細骨料細度模數為2.5不同細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，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。這一是因為水泥水化產生的體積收縮，二是隨著水化的進行，基體越來越致密，毛細孔中的水也越來越少，能夠逸失的水分也越來越小。相同級配下，花崗巖機制砂制備的砂漿的收縮值要小于石灰巖機制砂和河砂，石灰巖機制砂制備的砂漿的干燥收縮稍高于河砂。

3.3機制砂級配設計與評價

將細骨料篩分成 1.25～5m m、0.63～1.25m m、0.315～0.63m m和0.08～0.315m m四個區間，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顆粒含量比例設定為2:1。將各個區間顆粒含量細化，設定質量分數分別為10%、20%、30%、40%，進行排列組合得到44組級配。

以泰波級配作為機制砂級配的評價標準，研究表明泰波指數為0.45時堆積密度最大，即堆積空隙率最小。因為泰波級配理論最細的顆粒粒徑為0m m，機制砂排除石粉顆粒的顆粒粒徑范圍為0.08～5m m，且本文級配設計時不包括石粉顆粒，故而本文四區間級配與泰波級配做比較時，級配最小區間0.08～0.315m m顆粒含量和泰波級配小于0.315m m顆粒含量相對應。

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n=0.5為富勒級配公式。

將設計機制砂的級配與泰波級配進行比較，計算二者之間累計分布偏差的平方和，如式（3）所示，根據R2值的大小來評價機制砂的級配與理想級配的偏差，R2值越小說明越接近理想泰波級配（n=0.45）。

R2=∑(φi-ωi)2（式3）

式(3)中R2表示實際級配與富勒級配的偏差值，φi為機制砂對應i篩孔尺寸顆粒對應的累計分布，百分比表示；ωi為對應i篩孔尺寸對應泰波級配的累計分布，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　機制砂堆積空隙率

圖7　機制砂堆積空隙率

如圖6所示，機制砂的堆積空隙率隨著與泰波級配的偏差值的R2增大而增大，泰波級配曲線基于顆粒堆積達到最大密度，即堆積空隙率達到最小，而機制砂本身就是不同尺寸顆粒的集合體，故而其級配越接近泰波級配，其堆積空隙率也相對越小。從偏差值R2對堆積空隙率影響的散點圖分布規律分析，可以將偏差值R2劃分為5個區間：R2≤300×10-4、300×10-41500×10-4。

5個區間的機制砂的堆積空隙率平均值如圖7所示，從圖7中可以看出，將顆粒級配分成五個區間后，隨著與泰波級配累積偏差的增大，機制砂的堆積空隙率呈現增大的趨勢，且機制砂的松散堆積空隙率和緊密堆積空隙率表現出相同的規律。

根據5個區間偏差值與機制砂堆積空隙率大小的關系，將機制砂分成5個等級，其對應的顆粒分布如表8所示。級配等級越大，表明堆積空隙率越大，級配越差。

3.4機制砂級配與砂漿性能

從圖8中可以看出，隨著機制砂級配與泰波級配偏差值的增大，砂漿流動度呈現下降的趨勢。當R2≤300× 10-4和3001000×10-4時，砂漿基本上處于無法流動的狀態。

圖8　不同級配機制砂砂漿流動度

機制砂制備的砂漿的抗折強度和抗壓強度隨級配變化而變化，從圖9和圖10可以看出，隨著機制砂級配與泰波級配的偏差值R2的增大，砂漿的28天抗折強度和抗壓強度呈現一定的下降趨勢。從前面試驗結果可知，機制砂級配越接近泰波級配，其堆積空隙率越小，砂漿工作性能也更好。緊密的骨架結構和良好的工作性能，使得對應的砂漿的抗壓強度也相對更高。總體上而言，隨著機制砂級配與泰波級配（n=0.45）的偏差值的增大，機制砂砂漿的力學性能呈現一定的下降趨勢。并且當R2≤300×10-4時，砂漿的力學性能較優。

圖9　不同級配機制砂砂漿28天抗折強度

圖10　不同級配機制砂砂漿28天抗壓強度

圖11　不同級配砂漿干燥收縮

表8　不同等級機制砂級配顆粒分布

從圖11中可以看出，不同級配機制砂砂漿的干燥收縮隨R2的增大呈現一定的減小趨勢，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，級配與砂漿干燥收縮的關系不明顯。

4　結論

⑴通過數字圖像法獲取了機制砂的粒形參數，將細骨料二維和三維方向上的粒形參數按不同權重組合，建立了顆粒粒形綜合指數公式：粒形綜合指數=∑(粒形表征參數×權重)，粒形綜合指數越高，細骨料粒形越好，本研究所用石灰巖機制砂、花崗巖機制砂和河砂粒形綜合指數分別為0.76、0.68和0.80。河砂、粒形最好，石灰巖其次，花崗巖機制砂最差。

⑵機制砂的粒形綜合指數越高，堆積空隙率越小。相同配合比下，粒形綜合指數更高的石灰巖機制砂砂漿的流動度和抗折、抗壓強度較花崗巖機制砂砂漿相對更高，干燥收縮更大。

⑶設計了四區間級配，并以與泰波級配的偏差值R2作為級配評價指標。總體上機制砂的堆積空隙率隨偏差值R2的增大而增大。從偏差值R2對堆積空隙率影響的散點圖分布規律分析，可以將偏差值R2劃分為5個區間：R2≤300×10-4、300×10-41500×10-4，分別對應機制砂一級、二級、三級、四級和五級這5個級配等級；等級越大，表明堆積空隙率越大，級配越差。

⑷機制砂級配越接近泰波級配（n=0.45），機制砂砂漿的流動度和抗壓強度相對越高，當R2≤300×10-4時，砂漿的工作性能和力學性能較好，級配與砂漿的干縮性能關系不明顯。●

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

[2]朱俊利，郎學剛，賈希娥.機制砂生產現狀與發展[J].礦冶，2001(04):38-42.

[3]莊良松.河道采砂危害及其控制對策的探討[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.機制砂特性對混凝土性能的影響及機理研究[D].武漢理工大學,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-集料界面區結構與性能[J].重慶建筑大學學報.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，華南理工大學材料科學與工程學院碩士研究生

韋江雄，男，華南理工大學材料科學與工程學院教授，博士生導師，研究方向水泥基復合材料

李方賢，男，華南理工大學材料科學與工程學院副研究員，研究方向水泥基復合材料