機制砂形貌特性的測試與分析

鐘國才 范志 李文科 鐘明云 嚴捍東

摘 要：選取花崗巖、石灰?guī)r、輝綠巖、玄武巖四種巖性機制砂為研究對象，采用Ipp6.0（Image-Pro Plus）軟件通過數(shù)字圖像處理方法、DN-10BZ專業(yè)顯微鏡、Bettersize2000型激光粒度分析儀、COXEM-0型臺式掃描電鏡，分別對四種機制砂中粒級為1.18～2.36? mm、2.36～4.75? mm進行了圓形度分析，1.18～0.6? mm、0.6～0.3? mm、0.3～0.15? mm進行了形貌分析，0.15～0.075? mm、<0.075? mm進行了細度測定，<0.15? mm顆粒進行了SEM形貌分析;采用WX-2000型細集料棱角性粗糙度測定儀對四種機制砂的棱角性進行了測試。通過測試與分析，可獲得特定制砂工藝參數(shù)下機制砂各粒級顆粒形貌特性的定性或定量參數(shù)，這對于機制砂加工工藝參數(shù)的優(yōu)化和混凝土配合比設計都具有重要的參考價值。

關鍵詞：機制砂;形貌特性;粒級;圓形度;棱角性

中圖分類號：TD985

文獻標識碼： A

由于天然砂資源的匱乏，在經濟利益的驅使下，我國很多地區(qū)都出現(xiàn)了濫采、濫挖的現(xiàn)象，過度、無序地開采已造成嚴重的安全和環(huán)保問題。因此，關于天然砂的應用國家和各地政府明確的作出了禁采或限采的規(guī)定，開發(fā)新砂源以滿足工程用砂需求已成為行業(yè)發(fā)展趨勢，采用機制砂替代天然砂作為混凝土細骨料已成為趨勢[1，2]。機制砂是母巖經機械破碎、篩分制成，粒徑小于4. 75? mm，但不包括軟質巖、風化巖等巖石顆粒[3]，機制砂作為混凝土細骨料，其形貌特性對混凝土的工作、力學性能等影響較大[4-7]。關于機制砂的形貌特性測試與分析，現(xiàn)目前比較常用的方法有：間隙率法、流動時間法[8-11]，膠砂流動度法[12]，這三種方法均能間接地表征機制砂整體形貌特性，不能直接得到機制砂各粒級顆粒形貌特性的定性或定量參數(shù);于是較多學者提出了數(shù)字圖像處理方法[6，13-16]，該方法雖能較為直接地得到機制砂各粒級顆粒形貌特性參數(shù)，但是因為1.18 mm以下的顆粒相對較細不便于測試操作，誤差較大;CEPURITIS等粒[17]研究發(fā)現(xiàn)，不同粒級機制砂形貌對混凝土影響程度不同，粒級在0.125 ～2.000 mm時機制砂的形貌對新拌混凝土的工作性能影響起主導作用。本文通過對機制砂各粒級顆粒進行分級，每級分別采用特定的測試與分析方式，可以較為全面掌握機制砂各粒級顆粒形貌特性的定性或定量參數(shù)，這對于機制砂加工工藝參數(shù)的優(yōu)化和混凝土配合比設計都具有重要的參考價值。

1 試驗原材料

以5～10? mm的碎石為原料，采用福建南方路面機械有限公司V7-10制砂機加工成機制砂，以花崗巖機制砂細度模數(shù)2.7為制砂機運行參數(shù)控制基準（該制砂機生產線上設計有分離石粉工藝），V7-10制砂機生產控制參數(shù)見表1?；◢弾r、石灰?guī)r、輝綠巖、玄武巖機制砂分別簡稱：HGY、SHY、HLY、XWY，機制砂級配見表2。

2 試驗儀器及方法

2.1 數(shù)字圖像處理方法

機制砂1.18～2.36? mm、2.36～4.75? mm粒級顆粒各隨機取50顆，采用Ipp6.0（Image￣Pro Plus）軟件，通過數(shù)字圖像處理方法對其圓形度進行測試與分析。

2.2 DN-10BZ專業(yè)顯微鏡

采用江南DN-10BZ專業(yè)顯微鏡對機制砂1.18～0.6? mm、0.6～0.3? mm、0.3～0.15? mm粒級顆粒放大40倍進行形貌分析。

2.3 激光粒度分析儀

采用丹東百特儀器有限公司生產的Bettersize2000型激光粒度分析儀對機制0.15～0.075? mm、<0.075? mm粒級顆粒進行細度測試。中值粒徑D50（D50是指樣品中累計粒度分布百分數(shù)達到50%時所對應顆粒的平均粒徑），可以反映顆粒平均細度。

2.4 掃描電鏡

采用韓國COXEM公式生產的COXEM-20型臺式掃描電鏡500倍下對機制砂<0.15? mm粒級顆粒進行形貌分析。

2.5 棱角性測試

參照《公路工程集料試驗規(guī)程》（JTG E42-2005）中的T 0345-2005，采用天津建儀機械設備檢測有限公司生產的WX-2000型細集料棱角性粗糙度測定儀對機制砂的棱角性進行測試[8]。

3 試驗結果與討論

3.1 數(shù)字圖像處理測試與分析

機制砂中2.36～1.18? mm，2.36～4.75? mm粒級顆粒通過圖像處理前后照片分別如圖1-4所示，圓形度測試數(shù)據(jù)見表3。

圓形度大小在一定程度上反映機制砂的棱角性，顆粒圓形度越接近1表示接近圓的程度越大，形貌越規(guī)則，顆粒棱角越少;圓形度值越偏離1，偏離圓的程度越大，形貌越不規(guī)則，棱角越多。由表3可知，2.36～1.18? mm與2.36～4.75? mm粒級顆粒圓形度相比更接近于1，說明前者顆粒形貌較規(guī)則;2.36～4.75? mm粒級：HGY>HLY>SHY>XWY，2.36～1.18? mm粒級：HLY>HGY>SHY>XWY。說明在固定砂細度模數(shù)的加工工況下，因巖性差異將影響砂顆粒的形貌，SHY、XWY與HGY、HLY相比形貌相對較為規(guī)則，其中2.36～4.75? mm粒級顆粒形貌整體較差，這就要求機制砂生產企業(yè)應充分了解巖石的基本物理、化學與力學特性，以實時調整制砂機的運行參數(shù)。

3.2 DN-10BZ專業(yè)顯微鏡對顆粒形貌的測試與分析

專業(yè)顯微鏡下對1.18～0.6? mm，0.6～0.3? mm，0.3～0.15 ?mm粒級顆粒形貌分別如圖5-8所示。

由圖5-8可知，四種機制砂1.18～0.6? mm粒級顆粒無明顯棱角，形貌相對規(guī)則;HGY和SHY 0.6～0.3? mm粒級顆粒的形貌較為規(guī)則，其中HLY、XWY 0.6～0.3? mm粒級顆粒的相對不規(guī)則;0.3～0.15? mm粒級顆粒的形貌明顯不規(guī)則，其中HLY、XWY棱角性明顯多于HGY、SHY，且XWY棱角性最為突出。說明在以花崗巖機制砂細度模數(shù)2.7為制砂機運行參數(shù)基準下，0.15～0.6 mm粒級顆粒形貌整體較差，其中HLY、XWY形貌較HGY、SHY差，說明在固定砂細度模數(shù)的加工工況下，因巖性差異將影響砂顆粒的形貌，這就要求機制砂生產企業(yè)應充分了解巖石的基本物理、化學與力學特性，以實時調整制砂機的運行參數(shù)。

3.3 激光粒度儀對細度測試與分析

激光粒度儀對機制砂中粒徑為0.15～0.075? mm、<0.075? mm顆粒細度測試結果如圖9-12所示。從圖9-12可以看出，機制砂中粒徑為0.15～0.075? mm的顆粒D50值大小順序為：HGY（74.21 mm）>XWY（72.89 mm）>HLY（47.85 mm）>SHY（27.60 mm），HGY與XWY D50值較大，相對較粗，SHY D50值較小，相對較細;粒徑<0.075? mm的顆粒D50值大小順序為：HGY（38.12 mm）>HLY（33.33 mm）>XWY（26.67 mm）>SHY（16.59 mm），HGY D50值較大，相對較粗，SHY D50值較小，相對較細。

3.4 掃描電子顯微鏡（SEM）對顆粒形貌測試與分析

機制砂中<0.15 mm粒級顆粒的掃描電鏡形貌分析如圖13所示。從圖13可以看出，HGY顆粒較大呈塊狀，形狀最不規(guī)則，多棱角;XWY顆粒較大，形狀較為規(guī)則，棱角一般，顆粒呈松散堆積狀態(tài);SHY顆粒較小，無明顯棱角，HLY呈片狀，棱角較多，棱角多少順序為：HGY>HLY>XWY>SHY。

3.5 棱角性測試

通過流動時間法對機制砂棱角性進行測試分析，流動時間是機制砂棱角性多少的直觀反映，流動時間越短，砂在下落的過程中顆粒間摩擦阻力較小，說明機制砂棱角越少，反之，機制砂棱角越多。四種機制砂流動時間大小順序為：XWY（15.94 s）>HLY（14.68 s）>SHY（13.12 s）>HGY（12.52 s），HGY流動時間最短，形貌較為規(guī)則，XWY流動時間最長，形貌較為不規(guī)則。

通過Ipp6.0（Image-Pro Plus）軟件數(shù)字圖像處理方法得到的數(shù)據(jù)表3并結合表2四種機制砂級配情況，考慮到2.36～1.18? mm與2.36～4.75? mm粒級含量差異，所以認為1.18～4.75? mm粒級棱角性多少順序為：HLY>HGY>SHY>XWY;由圖5-8觀察可知，四種機制砂1.18～0.6? mm粒級顆粒無明顯棱角，形貌相對規(guī)則，0.6～0.15mm粒級顆粒明顯不規(guī)則，其中HLY、XWY棱角明顯多于HGY、SHY，且XWY棱角性最為突出;由圖9-12、圖13可以看出，四種機制砂<0.15? mm粒級顆粒的D50值大小順序為：HGY>XWY、HLY>SHY，棱角多少順序為：HGY>HLY>XWY>SHY，表明<0.15粒級顆粒的粗細程度與其棱角多少基本呈正相關關系。根據(jù)流動時間法測試四種機制砂棱角性多少順序：XWY>HLY>SHY>HGY，從表1.2四種機制砂級配情況可知，<0.15? mm粒級顆粒雖然表現(xiàn)出較強棱角性，但因其在機制砂中含量較少、細度相對較細，對機制砂整體棱角性影響不大;1.18～4.75? mm粒級顆粒雖然表現(xiàn)出較強棱角性，但顆粒相對較大，由此可知：0.3～0.6? mm兩粒級顆粒在機制砂中起著搭配、橋接作用，表現(xiàn)出的明顯不規(guī)則性，將影響機制砂整體形貌，對機制砂的整體棱角性起著決定性作用。

4 結論

（1）巖性對機制砂顆粒形貌有明顯影響，機制砂加工時應充分認識到系統(tǒng)掌握巖性的重要性;

（2）巖性對1.18～4.75? mm、0.3～0.6? mm粒級顆粒形貌影響大、從而對新拌混凝土性能產生較大影響，其中0.3～0.6? mm粒級顆粒形貌對機制砂棱角性起著決定性作用;

（3）建議棱角性測試流動時間宜控制在12 s以內，2.36～4.75? mm粒級顆粒圓形度宜控制在1.2以內;

（4）當機制砂中粒級<0.15? mm含量較高、或是想通過粒級<0.15? mm石粉外摻來改善混凝土密實性、和易性時，商混企業(yè)需考慮到因巖性的不同、石粉細度的不一樣來對外加劑摻量及配合比進行合理的調整。

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（責任編輯：于慧梅）