粵西地區(qū)機(jī)制砂與河砂的微觀對(duì)比研究

趙文坤，楊 文，張雨雷

（1.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

天然砂資源是一種短期內(nèi)不可再生的、分布極不均勻的地方性資源，受限于工程造價(jià)，也不適宜長(zhǎng)距離運(yùn)輸。隨著基本建設(shè)大興發(fā)展和環(huán)境保護(hù)措施的日益嚴(yán)格，同時(shí)性能優(yōu)良的天然砂越來(lái)越少，價(jià)格上漲的同時(shí)質(zhì)量卻逐步下降，混凝土用砂情況愈加緊張。細(xì)骨料是混凝土的重要組成部分之一，對(duì)混凝土的性能影響重大。隨著混凝土技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代混凝土對(duì)砂的技術(shù)要求越來(lái)越高，對(duì)骨料的要求越來(lái)越嚴(yán)。所以機(jī)制砂在工程中的地位越來(lái)越重要，將成為建設(shè)用砂的重要來(lái)源。相比于河砂，機(jī)制砂的不規(guī)則粒形和級(jí)配顯著影響混凝土的性能。通過對(duì)機(jī)制砂的粒形和級(jí)配的優(yōu)選來(lái)達(dá)到優(yōu)化混凝土的配合比和性能，是當(dāng)前研究機(jī)制砂應(yīng)用于混凝土的一個(gè)熱點(diǎn)。

天然砂不能滿足工程實(shí)際需要已成為長(zhǎng)期留存的難題。隨著河砂的短缺，使用機(jī)制砂替代河砂作為混凝土細(xì)骨料是混凝土發(fā)展的一種趨勢(shì)。母巖強(qiáng)度的高低對(duì)機(jī)制砂的性能影響較大，不同地區(qū)的巖石由于其成因不同，巖石特性存在一定差異，如貴州地區(qū)以石灰?guī)r［1］為代表的沉積巖、寧波地區(qū)以凝灰?guī)r［2］為代表的介于巖漿巖與沉積巖之間的火山碎屑巖。針對(duì)粵西地區(qū)盛產(chǎn)的花崗巖，結(jié)合實(shí)際工程需要，本文對(duì)花崗巖機(jī)制砂的微觀特性進(jìn)行粒形評(píng)價(jià)，結(jié)合機(jī)制砂混凝土對(duì)其性能與強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)定，可為機(jī)制砂的生產(chǎn)、應(yīng)用以及機(jī)制砂混凝土的推廣提供理論指導(dǎo)。

1 機(jī)制砂與河砂微觀特性對(duì)比

目前針對(duì)機(jī)制砂的研究主要集中為宏觀力學(xué)性能方面，對(duì)深入到微觀結(jié)構(gòu)層面的報(bào)道較為少見。本次研究機(jī)制砂與河砂微觀特性的差異，主要從圓度系數(shù)與顆粒形貌的差異入手，進(jìn)而分析其對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響。

1.1 圓度系數(shù)

圓度系數(shù)（又稱圓度）表示集料顆粒的棱邊及隅角的相對(duì)尖銳程度，按照 H Waddell 等人的定義，圓度為顆粒各隅角及棱邊平均曲率半徑對(duì)于顆粒最大內(nèi)接圓半徑的比值［3-4］。本研究所用數(shù)字圖像測(cè)量軟件的函數(shù)與其略有差別，該函數(shù)計(jì)算方法是，顆粒圖像中質(zhì)心到輪廓線平均距離與質(zhì)心到輪廓線最大距離的的比值，實(shí)際是棱角性指標(biāo)，圓度統(tǒng)計(jì)示意以河砂 0.30 mm 篩上顆粒為例，如圖 1 所示，通過預(yù)處理照片，利用數(shù)字圖像處理軟件進(jìn)行測(cè)量。

圖1 圓度統(tǒng)計(jì)示意圖

限于文章篇幅，這里只給出 0.30 mm 河砂篩上顆粒統(tǒng)計(jì)的處理對(duì)比圖，其余粒徑的結(jié)果類似，對(duì)于圓度的統(tǒng)計(jì)通過計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)，對(duì)圖片中的集料顆粒進(jìn)行識(shí)別統(tǒng)計(jì)，對(duì)于圓度的計(jì)算通過式（1）確定：

如表 1 所示，機(jī)制砂與河砂各粒徑范圍圓度最大值相差不大，最小值在 0.60 mm 以上河砂帶的圓度在 0.5 以上，0.60 mm 以下除 0.075 mm 粒徑的較小外（可能存在針狀、棒狀的影響）圓度也在 0.3 以上，而機(jī)制砂各粒級(jí)的圓度最小值變化比較大沒有明顯規(guī)律性。通過圖 2 可以分析出 0.15 級(jí)以上機(jī)制砂與河砂圓度最小值的對(duì)比，通過觀察可以發(fā)現(xiàn) 0.30 級(jí)以上機(jī)制砂與河砂圓度最小值存在明顯的差異，尤其是在 2.36 級(jí)通過關(guān)系進(jìn)行換算在長(zhǎng)度相同的情況下，寬度能相差6 倍左右，1.18 與 0.60 級(jí)的差別僅次于 2.36 級(jí)，寬度相差 2.5 倍左右。

表1 圓度統(tǒng)計(jì)表 （最大值、最小值、中值，河砂與機(jī)制砂差值） mm

圖2 機(jī)制砂與河砂圓度最小值比較

1.2 顆粒形貌

本次研究通過對(duì)河砂與機(jī)制砂分別進(jìn)行水洗后篩分，將不同篩網(wǎng)篩余通過 Nikon SMZ800N 體式顯微鏡進(jìn)行觀察，研究顆粒形貌，長(zhǎng)寬比，以及烘干及含水 1.5 % 狀態(tài)下未篩分機(jī)制砂與河砂對(duì)比。

為了便于區(qū)分，現(xiàn)做出如下規(guī)定，分散的砂粒，垂直于桌面的最長(zhǎng)邊為高，向桌面投影（拍照的效果），投影面的最長(zhǎng)邊為長(zhǎng)，垂直于長(zhǎng)的最長(zhǎng)邊為寬，將長(zhǎng)與寬的比值稱為長(zhǎng)寬比（有的人也稱之為豐滿度）。

每一檔取 20 個(gè)數(shù)據(jù)，依據(jù)統(tǒng)計(jì)原理直接選取平均值會(huì)因異常數(shù)據(jù)引起波動(dòng)過大，造成數(shù)據(jù)失真，通過中位數(shù)的方式確定數(shù)據(jù)更加合理。砂粒的幾何尺寸是恒定的，所以重心是不變的。依據(jù)能量最低原理，分散、無(wú)堆疊的砂粒，能量為了保持平衡會(huì)自動(dòng)降低，自然變化進(jìn)行的方向都是使能量降低。為保持勢(shì)能最低，在分散的過程中，其高是小于寬的，此時(shí)是能量最低的狀態(tài)是比較穩(wěn)定的。

表2 河砂與機(jī)制砂長(zhǎng)、寬及長(zhǎng)寬比

如表 2 所示通過長(zhǎng)寬比可以明顯看出河砂的長(zhǎng)寬比隨著粒徑降低而逐漸增大的，機(jī)制砂的變化不明顯。

其中 2.36、0.6、0.075、底這 4 檔機(jī)制砂與河砂長(zhǎng)寬比變異系數(shù)＞ 1.4，而 1.18、0.3、0.15 這 3 檔的變異系數(shù)＜ 0.6。通過變異系數(shù)可以判斷，除 0.6 檔外中間幾檔機(jī)制砂與河砂的差異較小。

通過對(duì)機(jī)制砂與河砂的照片綜合分析，如圖 3 所示，河砂顆粒表現(xiàn)為塊狀節(jié)理，而機(jī)制砂破碎后的顆粒呈破碎質(zhì)感，表現(xiàn)為軋制創(chuàng)傷，在 0.075 檔以上都可以觀察到，同時(shí)機(jī)制砂棱角更加分明，通過表 1 中的數(shù)據(jù)觀察到河砂在 0.3 mm 檔以上長(zhǎng)寬比＜1.5，而 0.3 mm 檔以下的逐漸增加甚至超過了 2，通過中位數(shù)本身就減少了異常長(zhǎng)寬比出現(xiàn)的可能性，這種現(xiàn)象結(jié)合各檔觀測(cè)照片可以解釋為在 0.3 mm 以上的顆粒比較圓滑，而 0.3 mm 以下的顆粒棱角性更加顯著，筆者認(rèn)為這也是有些學(xué)者認(rèn)為 0.3 mm 以上的顆粒是混凝土中起主要作用的原因。機(jī)制砂的長(zhǎng)寬比雖然從數(shù)值上觀察比較穩(wěn)定，但是結(jié)合實(shí)際情況通過照片可以看出這是由于機(jī)制砂每檔中顆粒分布比較離散，導(dǎo)致通過中位數(shù)來(lái)反映顆粒形貌有一定的局限性。

圖3 河砂與機(jī)制砂 0.30 mm 篩余顆粒微觀對(duì)比圖

如圖 4 所示，通過對(duì)未水洗未篩分的機(jī)制砂與河砂烘干之后的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)制砂中有更多的微細(xì)顆粒石粉，河砂中也有一定量的微細(xì)顆粒，但是相對(duì)含量較少，這些微細(xì)顆粒比較均勻地分布在較大顆粒的表面，但是隨著含量的增加就會(huì)出現(xiàn)大量的微細(xì)顆粒與大顆粒的分離。

圖4 烘干未篩分微觀對(duì)比圖

通過圖 5 可以觀察到，在機(jī)制砂稍濕的狀態(tài)下，在表面張力的作用下，大小顆粒是相互吸附在一起的，通過在機(jī)制砂生產(chǎn)過程中添加一定量的水有助于保持機(jī)制砂級(jí)配避免因重力作用產(chǎn)生離析造成級(jí)配變差，甚至超出規(guī)范的要求，但是含水率也會(huì)在機(jī)制砂生產(chǎn)過程中降低機(jī)械的磨損，以及影響機(jī)制砂的級(jí)配。為了降低機(jī)制砂含粉量，一般通過水洗法、風(fēng)選法，限于環(huán)保及實(shí)際條件，石嶺采石場(chǎng)采用風(fēng)選法。但由于生產(chǎn)機(jī)制砂過程中水的引入，造成石粉去除困難，風(fēng)速較低時(shí)，石粉含量較高，風(fēng)速較高時(shí)，石粉含量降低，但風(fēng)速的提高也會(huì)引起機(jī)制砂 0.6 mm 檔以下顆粒含量的降低，造成機(jī)制砂級(jí)配變差，為保證級(jí)配、石粉含量達(dá)標(biāo)適當(dāng)?shù)暮?、風(fēng)選風(fēng)速就顯得非常重要了。

圖5 含水率 1.5 % 未篩分機(jī)制砂微觀圖

2 力學(xué)性能

在微觀對(duì)比研究的基礎(chǔ)上，采用同一批次的機(jī)制砂與河砂，來(lái)研究這些微觀上的區(qū)別可能會(huì)給混凝土力學(xué)性能帶來(lái)哪些差異。為花崗巖機(jī)制砂的使用提供參考經(jīng)驗(yàn)。

下面簡(jiǎn)要介紹本次混凝土試驗(yàn)所用材料的情況。

1）水泥。P?O 42.5 水泥。

2）粗集料。使用石嶺采石場(chǎng) 5～16 m m（含泥量0.4 %）、16～31.5 mm（含泥量 0.3 %）碎石，摻配比例為 50 %∶50 %［5］。

3）減水劑。使用 KTPCA 聚羧酸系高性能減水劑，減水率為 27 %。

4）細(xì)集料。石嶺采石場(chǎng)機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù) 3.1～2.8，MB 值為 0.6。青平砂場(chǎng)河砂，細(xì)度模數(shù) 2.7～2.4，含泥量 2.0 %。

如表 3 所示，在同一強(qiáng)度等級(jí)，相同水灰比的條件下，混凝土的坍落度機(jī)制砂明顯小于河砂，但力學(xué)性能指標(biāo)優(yōu)于或接近于河砂混凝土。混凝土坍落度的差別主要是機(jī)制砂本身棱角性更加顯著，這樣就增大了機(jī)制砂的比表面積，導(dǎo)致機(jī)制砂表面附著更多的水，坍落度減小，變相增加混凝土的需水量。同時(shí)機(jī)制砂每檔顆粒離散程度更大，這樣在攪拌充分的情況下，可以使混凝土孔隙減少更加致密，而那些被機(jī)制砂吸附的水，在之后水泥水化反應(yīng)中提供充足的水，進(jìn)而水泥的水化更為充分，生成更多的水化硅酸鈣，從而提高了混凝土的強(qiáng)度。

3 結(jié)論

本次試驗(yàn)通過 Nikon SMZ800N 體式顯微鏡，結(jié)合計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)研究石嶺采石場(chǎng)機(jī)制砂與青平砂場(chǎng)河砂的微觀結(jié)構(gòu)的差異，進(jìn)而分析其對(duì)混凝土性能及強(qiáng)度的影響，研究成果如下。

1）從顆粒形貌來(lái)看，無(wú)論河砂還是機(jī)制砂在 0.3 mm 檔以下的顆粒都有較為明顯的長(zhǎng)寬差異，棱角性明顯。機(jī)制砂在上面幾檔中長(zhǎng)寬的差異性比河砂突出，從長(zhǎng)寬比看機(jī)制砂的變異系數(shù)較小，這是由于機(jī)制砂顆粒的尺寸更加離散造成的。

2）機(jī)制砂與河砂各粒徑范圍圓度最大值相差不大，而機(jī)制砂各粒級(jí)的圓度最小值變化比較大。其中 2.36 級(jí)影響最大，其次是 1.18 級(jí)和 0.60 級(jí)。

表3 機(jī)制砂與河砂力學(xué)性能對(duì)比

3）稍濕狀態(tài)下的機(jī)制砂級(jí)配比較均勻，不易產(chǎn)生離析，石粉含量過高會(huì)產(chǎn)生扒底現(xiàn)象，機(jī)制砂含水率與風(fēng)選石粉含量的風(fēng)機(jī)速度是一個(gè)值得研究的方向。

4）機(jī)制砂由于離散性、棱角性較為突出，相同配合比下相對(duì)于河砂工作性能差（坍落度 0.5～2.5 cm），含氣量低（1.1 %～1.6 %），28 d 強(qiáng)度高（4.9～7.5 MPa）。