機(jī)制砂顆粒形狀評(píng)價(jià)方法的相關(guān)性

葉建雄，余林文，顏從進(jìn)，楊長輝

（重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶400045）

細(xì)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(jī)制砂由天然巖石經(jīng)機(jī)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(jī)制砂混凝土性能與天然砂混凝土存在較大差異。當(dāng)采用顆粒形狀差、棱角多的機(jī)制砂配制混凝土?xí)r，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(shí)，細(xì)集料的性質(zhì)（顆粒級(jí)配、顆粒形狀、表面粗糙度等）對(duì)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(dǎo)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(rèn)為細(xì)集料的顆粒形狀和表面紋理特征對(duì)新拌混凝土性能的影響相比對(duì)硬化后混凝土性能影響更大。

對(duì)細(xì)集料顆粒形狀評(píng)價(jià)方法的研究主要集中在瀝青混合料用細(xì)集料棱角性的評(píng)價(jià)，包括細(xì)集料流動(dòng)時(shí)間法［6－7］、未壓實(shí)間隙率法［8］、CCR 試驗(yàn)［7］和數(shù)字圖像處理方法［9］等。由于瀝青混合料對(duì)車轍穩(wěn)定性具有一定要求，因此要求細(xì)集料顆粒間的咬合以及集料與瀝青間的黏結(jié)作用較強(qiáng)［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(xì)集料應(yīng)與瀝青混合料用細(xì)集料顆粒形狀評(píng)價(jià)方法有所區(qū)別，確定一種適用于水泥混凝土用機(jī)制砂顆粒形狀的評(píng)價(jià)方法，對(duì)于控制機(jī)制砂生產(chǎn)質(zhì)量、保證機(jī)制砂混凝土性能具有重要意義［9］。

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

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥采用的重慶拉法基水泥廠生產(chǎn)的P.O 42.5級(jí)水泥，其標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為27.6%，28d水泥膠砂抗壓強(qiáng)度為54.0MPa。

采用的天然砂為岳陽中砂，編號(hào)為A，7種機(jī)制砂分別取自不同的機(jī)制砂生產(chǎn)廠家，依次編號(hào)為B～H。為了排除顆粒級(jí)配對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，將8種試驗(yàn)用砂參考《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 52－2006）規(guī)定的分區(qū)，按照相同的顆粒級(jí)配混合，細(xì)度模數(shù)為2.8和3.2，每種細(xì)度模數(shù)均包括2種級(jí)配，試驗(yàn)采用的級(jí)配如表1所示。

表1 試驗(yàn)用砂級(jí)配表

1.2 試驗(yàn)方法

機(jī)制砂的間隙率和流動(dòng)時(shí)間均參照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》JTJ 058－2000規(guī)定的方法進(jìn)行，試驗(yàn)均進(jìn)行3次，取3次平均值作為最終結(jié)果。需要說明的是試驗(yàn)流動(dòng)時(shí)間試驗(yàn)采用的裝置與間隙率裝置相同。水泥膠砂流動(dòng)度試驗(yàn)方法參考《水泥膠砂流動(dòng)度測定方法》（GB／T 2419－2005），分別用不同的砂代替標(biāo)準(zhǔn)砂進(jìn)行。

采用數(shù)字圖像處理方法測試機(jī)制砂棱角性時(shí)，由于機(jī)制砂中細(xì)小顆粒的圖像難以獲取、分析，因此試驗(yàn)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(shè)計(jì)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(gè)概念表征細(xì)集料的棱角性，其計(jì)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(jì)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(jié)果與討論

2.1 粒徑及顆粒級(jí)配對(duì)流動(dòng)時(shí)間的影響

將試驗(yàn)用的8種砂采用方孔篩篩分，分別測試單粒級(jí)的機(jī)制砂以及不同級(jí)配機(jī)制砂的流動(dòng)時(shí)間，試驗(yàn)結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 粒徑對(duì)流動(dòng)時(shí)間的影響

圖3 顆粒級(jí)配對(duì)流動(dòng)時(shí)間的影響

由圖2和圖3可以看出，試樣流動(dòng)時(shí)間隨機(jī)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(dòng)時(shí)間差別不大。一方面這可能是受機(jī)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(dòng)，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(qiáng)造成的；不同試樣的流動(dòng)時(shí)間隨顆粒粒徑的變化規(guī)律不一致，如顆粒粒徑大于0.30mm時(shí)，相同粒徑的A試樣與C試樣流動(dòng)時(shí)間差別不大，而0.15～0.30mm間的C試樣流動(dòng)時(shí)間明顯大于A集料；當(dāng)顆粒粒徑為0.30～0.60mm時(shí)，各試樣流動(dòng)時(shí)間無明顯區(qū)別；對(duì)于同一種集料，細(xì)度模數(shù)為3.2時(shí)試樣流動(dòng)時(shí)間明顯大于細(xì)度模數(shù)為2.8的試樣；而細(xì)度模數(shù)相同時(shí)，2種級(jí)配的試樣流動(dòng)時(shí)間相近。Topal等［7］認(rèn)為細(xì)集料的級(jí)配對(duì)流動(dòng)時(shí)間有一定的影響，但是他們的研究結(jié)果表明，當(dāng)細(xì)度模數(shù)更大時(shí)細(xì)集料的流動(dòng)時(shí)間相對(duì)更短。

2.2 粒徑及顆粒級(jí)配對(duì)間隙率的影響

圖4 粒徑對(duì)間隙率的影響

圖5 顆粒級(jí)配對(duì)間隙率的影響

由圖4和圖5可以看出，各試樣的未壓實(shí)間隙率隨著機(jī)制砂顆粒粒徑的減小而增大，且顆粒粒徑不同時(shí)，不同試樣的未壓實(shí)間隙率變化規(guī)律基本一致；在試驗(yàn)條件下，同一試樣的未壓實(shí)間隙率隨細(xì)度模數(shù)增大而減??；當(dāng)細(xì)度模數(shù)均為2.8時(shí)，除試樣E和G以外，2個(gè)不同級(jí)配的試樣未壓實(shí)間隙率無明顯區(qū)別，而當(dāng)細(xì)度模數(shù)為3.2時(shí)，大部分試樣2個(gè)級(jí)配的未壓實(shí)間隙率有一定區(qū)別。從表1可以看出，相比細(xì)度模數(shù)為2.8的2個(gè)級(jí)配，細(xì)度模數(shù)為3.2時(shí)2個(gè)級(jí)配的差別更大，這也是造成模數(shù)為3.2時(shí)2個(gè)級(jí)配未壓實(shí)間隙率差別更大的主要原因。

2.3 數(shù)字圖像處理表征細(xì)集料棱角性

對(duì)8個(gè)不同砂樣中篩選粒徑范圍為2.36～4.75mm顆粒，進(jìn)行圖像量化處理，其量化指標(biāo)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(yàn)所考察的8種集料中僅大于機(jī)制砂E，這說明大部分機(jī)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(xì)集料的粗糙度和圓度線性相關(guān)系數(shù)為0.846 6，粗糙度和圓度具有良好的相關(guān)性。

圖7 粗糙度和圓度相關(guān)性

2.4 顆粒形狀評(píng)價(jià)指數(shù)與膠砂流動(dòng)度相關(guān)性研究

普通水泥混凝土與瀝青混合料對(duì)集料的要求不同，因此有必要研究細(xì)集料的間隙率、流動(dòng)時(shí)間以及粗糙度、圓度與水泥膠砂流動(dòng)度的相關(guān)性。圖8所示為不同細(xì)集料的水泥膠砂流動(dòng)度。由圖8可以看出，同一種細(xì)集料，細(xì)度模數(shù)為2.8時(shí)膠砂流動(dòng)度大于細(xì)度模數(shù)為3.2時(shí)；級(jí)配對(duì)不同試樣膠砂流動(dòng)度影響無一致規(guī)律，如細(xì)度模數(shù)為3.2時(shí)，試樣A、C、F、H 2種級(jí)配情況下膠砂流動(dòng)度幾乎相同，而級(jí)配對(duì)其余4個(gè)試樣膠砂流動(dòng)度影響較大，細(xì)度模數(shù)2.8時(shí)，D試樣2種級(jí)配下膠砂流動(dòng)度差別顯著。

圖8 不同細(xì)集料的水泥膠砂流動(dòng)度

對(duì)比圖8和圖3容易看出，對(duì)于同一種集料，流動(dòng)時(shí)間越短，其水泥膠砂流動(dòng)度越小，而對(duì)于同一級(jí)配不同種類的集料，水泥膠砂流動(dòng)度與流動(dòng)時(shí)間變化規(guī)律相反。由圖9（a）可以看出，8種集料在不同級(jí)配時(shí)水泥膠砂流動(dòng)度和流動(dòng)時(shí)間的線性相關(guān)系數(shù)為0.064 4，細(xì)集料的水泥膠砂流動(dòng)度與其流動(dòng)時(shí)間并不相關(guān)。

結(jié)合圖8和圖5可以看出，對(duì)于同一種集料，水泥膠砂流動(dòng)度基本都呈隨著間隙率增大而減小的趨勢；同一級(jí)配不同種類的集料，水泥膠砂流動(dòng)度變化規(guī)律與間隙率變化規(guī)律相反。圖9（b）所示為8種集料在不同級(jí)配時(shí)水泥膠砂流動(dòng)度與間隙率關(guān)系，圖中相關(guān)系數(shù)為0.719 3，水泥膠砂流動(dòng)度與間隙率具有良好的相關(guān)性。Chowdhury等［14］的研究表明，一些石灰石質(zhì)破碎的機(jī)制砂外觀較規(guī)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(xì)集料仍具有較大的內(nèi)摩擦力，這也可能是水泥膠砂流動(dòng)度與間隙率線性相關(guān)關(guān)系并不十分顯著的原因之一。

圖9 間隙率、流動(dòng)時(shí)間與膠砂流動(dòng)度的相關(guān)性

對(duì)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(jī)制砂B、C、D，而其膠砂流動(dòng)度大于3種機(jī)制砂；機(jī)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(dòng)度的大小順序?yàn)镚＞F＞H。這說明數(shù)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(dòng)度之間無必然聯(lián)系，數(shù)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(dòng)度的角度區(qū)分細(xì)集料的顆粒形狀。

3 結(jié)論

1）機(jī)制砂中的單級(jí)顆粒流動(dòng)時(shí)間隨著粒徑增大而延長，而未壓實(shí)間隙率隨粒徑增大而減?。煌环N機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)為3.2時(shí)，其流動(dòng)時(shí)間明顯大于細(xì)度模數(shù)為2.8時(shí)，未壓實(shí)間隙率小于細(xì)度模數(shù)為2.8時(shí)。

2）當(dāng)機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)相同時(shí)，機(jī)制砂流動(dòng)時(shí)間與其膠砂流動(dòng)度無相關(guān)性，而機(jī)制砂未壓實(shí)間隙率與水泥膠砂流動(dòng)的相關(guān)系數(shù)為0.719 3，相關(guān)性良好。

3）采用二維數(shù)字圖像處理方法分析細(xì)集料2.36～4.75mm級(jí)的形狀不能客觀反應(yīng)機(jī)制砂顆粒形狀特征。

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