廣西地區(qū)機(jī)制砂微觀形貌特性與性能研究

摘要：文章選擇了廣西4個(gè)產(chǎn)區(qū)典型的機(jī)制砂進(jìn)行研究，對(duì)0.15～4.75 mm顆粒形貌圖像進(jìn)行二值化處理，采用長(zhǎng)徑比和圓度系數(shù)作為整體形貌參數(shù)，認(rèn)為廣西地區(qū)機(jī)制砂長(zhǎng)徑比為1.113～1.939，圓度系數(shù)為1.069～1.722，不同產(chǎn)區(qū)機(jī)制砂之間長(zhǎng)徑比差值較大，而圓度系數(shù)差別不大；分析了壓碎值與形貌特征參數(shù)之間關(guān)系，認(rèn)為長(zhǎng)徑比值越小各粒徑組之間數(shù)值離散越小，抗壓碎能力越強(qiáng)，圓度系數(shù)適中的顆粒抗壓碎能力更強(qiáng)；從化學(xué)組分分析認(rèn)為，廣西地區(qū)硅質(zhì)機(jī)制砂石粉的亞甲藍(lán)值MB值比鈣質(zhì)機(jī)制砂亞甲藍(lán)值MB值大，從而影響新拌混凝土的流動(dòng)性及強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：機(jī)制砂；長(zhǎng)徑比；圓度系數(shù)；壓碎值；化學(xué)組分

中文分類(lèi)號(hào)：U416.1+1A120365

0引言

隨著我國(guó)基建行業(yè)的迅速發(fā)展，混凝土結(jié)構(gòu)被廣泛地使用在各種基礎(chǔ)設(shè)施中。細(xì)集料作為混凝土結(jié)構(gòu)中至關(guān)重要的組成部分，在混凝土中主要起到填充作用，并與水泥漿體一同裹附在粗集料的表面，對(duì)混凝土各項(xiàng)技術(shù)性能產(chǎn)生影響。目前機(jī)制砂作為傳統(tǒng)天然細(xì)集料的替代品大量地使用在混凝土的生產(chǎn)中［1］，由于不同區(qū)域環(huán)境以及制砂工藝和設(shè)備不同，機(jī)制砂顆粒的形貌特征差異比較大［2-4］。楊振國(guó)［5］研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于粒徑為4.75～2.36 mm的顆粒，機(jī)制砂長(zhǎng)寬比及圓度均較天然河砂大，其顆粒多呈現(xiàn)偏棱角的不規(guī)則狀；在0.4 μm光源下研究顯微表面粗糙度，部分機(jī)制砂顆粒的粗糙度低于河砂，在該尺度下機(jī)制砂的顆粒表面相對(duì)更為平整。尹亞柳［6］使用數(shù)字圖像法、細(xì)集料棱角性試驗(yàn)來(lái)表征砂的顆粒形貌，結(jié)果顯示流動(dòng)時(shí)間隨顆粒表面粗糙度增大而變長(zhǎng)；集料顆粒越接近球形，間隙率便會(huì)越小，機(jī)制砂級(jí)配特點(diǎn)為“兩頭多，中間少”，通過(guò)IPP軟件得出數(shù)據(jù)結(jié)果表明機(jī)制砂尖銳程度大于天然砂。劉戰(zhàn)鰲［7］利用多指標(biāo)表征機(jī)制砂中不同細(xì)粉的理化特性，結(jié)果表明不同細(xì)粉在細(xì)度、需水性、活性、礦物成分、吸附性上均有較大差異性，長(zhǎng)徑比和圓度系數(shù)的差異尤為顯著，但粗糙度的差異較小，制備方式對(duì)細(xì)粉特性的影響較大。黃澤軒［8］使用掃描電鏡對(duì)機(jī)制砂中0.6～1.18 mm、0.3～0.6 mm以及0.15～0.3 mm粒徑范圍進(jìn)行觀察，結(jié)果表明前兩粒級(jí)中皆存在粒形問(wèn)題，后一粒級(jí)中粒形較好；當(dāng)石灰?guī)r機(jī)制砂粒徑為0.3～0.6 mm時(shí)，其棱角性相對(duì)較弱，粒形較為規(guī)則。謝開(kāi)仲等［9］研究石粉含量對(duì)機(jī)制砂混凝土軸心抗壓強(qiáng)度、立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度等力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明該混凝土力學(xué)強(qiáng)度隨石粉摻量的增加先增后減，在石粉含量為3%時(shí)強(qiáng)度達(dá)到最大值；當(dāng)石粉＞3%時(shí)，混凝土的骨架作用、密實(shí)度以及對(duì)應(yīng)水泥砂漿強(qiáng)度皆會(huì)下降；當(dāng)石粉含量＜6%時(shí)，機(jī)制砂混凝土各項(xiàng)力學(xué)性能高于普通天然砂混凝土。因此，針對(duì)性研究特定區(qū)域機(jī)制砂的形貌特征及其對(duì)混凝土性能的影響［10-11］，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中改進(jìn)設(shè)備、更新工藝、提高效率具有較大的理論意義與應(yīng)用價(jià)值。

1試驗(yàn)方案

1.1試驗(yàn)材料

本文采用廣西4個(gè)區(qū)域的機(jī)制砂作為試驗(yàn)組，編號(hào)為MS1～MS13，其中MS1～MS3為桂中區(qū)、MS4～MS5為桂東區(qū)、MS6～MS10為桂南區(qū)、MS11～MS13為桂西區(qū)，對(duì)其表觀密度、堆積密度、空隙率、石粉含量、泥塊含量、MB值、壓碎值及細(xì)度模數(shù)進(jìn)行測(cè)定［12］，檢測(cè)結(jié)果如圖1、圖2所示。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1廣西機(jī)制砂微觀特征形貌表征

采集粒徑范圍在1.18～2.36 mm、2.36～4.75 mm和＞4.75 mm的不同粒組二維數(shù)字顆粒形貌信息，步驟如下：（1）將機(jī)制砂放入100℃±5℃的烘箱中烘干2 h，待冷卻至常溫后，每組隨機(jī)選擇16顆，試驗(yàn)前先去除粉塵，在顆粒下端擺放直尺，拍攝過(guò)程中須有充足的光源以保證圖像的清晰度，如圖3（a）所示，然后進(jìn)行灰度處理，如圖3（b）所示，最后調(diào)整閾值，如圖3（c）所示；（2）將成像清晰的顆粒形貌圖導(dǎo)入Photoshop軟件，進(jìn)行二值化處理［13-15］；（3）將二值圖像導(dǎo)入分析軟件IPP 6.0中，校正量度標(biāo)尺后，測(cè)量顆粒長(zhǎng)度R1和寬度R2，并計(jì)算周長(zhǎng)和面積數(shù)據(jù)。

對(duì)于0.15～1.18 mm粒徑的顆粒形貌，采用Leica DM6B正置顯微鏡，應(yīng)用明場(chǎng)攝像觀測(cè)，物鏡放大倍數(shù)為2.5X，獲取不同粒級(jí)的顆粒數(shù)字影像，測(cè)試位置示意如圖4所示。再次應(yīng)用Photoshop軟件和IPP 6.0程序按上述方法步驟，計(jì)算得出長(zhǎng)徑比和圓度系數(shù)。圖5為部分0.15～1.18 mm機(jī)制砂放大形貌示意圖。

計(jì)算廣西地區(qū)機(jī)制砂MS1～MS13試驗(yàn)組長(zhǎng)徑比如式（1）所示，計(jì)算圓度系數(shù)如式（2）所示。長(zhǎng)徑比和圓度系數(shù)均為表征機(jī)制砂顆粒形貌特征的參數(shù)。式中R1為最長(zhǎng)徑，R2為與其相垂直的短徑。

長(zhǎng)徑比計(jì)算公式為：

長(zhǎng)徑比=R1R2（1）

圓度系數(shù)計(jì)算公式為：

圓度系數(shù)=周長(zhǎng)×周長(zhǎng)4π×面積（2）

1.2.2機(jī)制砂壓碎值測(cè)試

機(jī)制砂的壓碎值是評(píng)價(jià)其在特定荷載的作用下，抵抗被壓碎的能力。先將試樣烘干冷卻至室溫后篩分成2.36～4.75 mm、1.18～2.36 rnm、0.6～1.18 mm、0.3～0.6 mm共4個(gè)粒級(jí)，每個(gè)粒級(jí)按500 N/s勻速加載至25 kN，穩(wěn)壓5 s，按500 N/s卸荷。取出試樣，以該粒組的下限篩孔過(guò)篩，稱取試樣的篩余量和通過(guò)量，準(zhǔn)確至1 g。取最大單粒級(jí)壓碎指標(biāo)值作為該細(xì)集料的壓碎指標(biāo)值。

1.2.3礦物化學(xué)組分分析

采用德國(guó)Bruker公司的D8 Advance型粉末X射線衍射儀對(duì)廣西地區(qū) MS1～MS13機(jī)制砂粉顆粒進(jìn)行化學(xué)組分分析。

2試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1機(jī)制砂形貌特征分析

將測(cè)試計(jì)算得到的機(jī)制砂MS1～MS13試驗(yàn)組在不同粒級(jí)范圍的長(zhǎng)徑比和圓度系數(shù)分別列入下頁(yè)圖6中。不同試驗(yàn)組及不同粒組的長(zhǎng)徑比和圓度系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差和極差如下頁(yè)圖7、圖8所示。從圖5中統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得出不同試驗(yàn)組和粒組之間形貌參數(shù)存在差異，總體上廣西地區(qū)機(jī)制砂長(zhǎng)徑比為1.113～1.939，圓度系數(shù)為1.069～1.722。不同種類(lèi)機(jī)制砂長(zhǎng)徑比之間有較大的差值，長(zhǎng)徑比數(shù)值總體集中在1.4～1.5；圓度系數(shù)相差不大，總體集中在1.2～1.3。大部分粒組中長(zhǎng)徑比的極差和標(biāo)準(zhǔn)差大于圓度系數(shù)的。在MS1～MS13試驗(yàn)組中，長(zhǎng)徑比最大的是桂南地區(qū)MS8中的1.18～2.36 mm粒組，其數(shù)值為1.939，長(zhǎng)徑比最小的是桂南地區(qū)MS10中的1.18～2.36 mm粒組，其長(zhǎng)徑比為1.113。圓度系數(shù)最大的是MS2中的2.36～4.75 mm粒組，其數(shù)值為1.722；圓度系數(shù)最小的是MS7中的0.15～0.3 mm粒組，其數(shù)值為1.069。試驗(yàn)組MS12各個(gè)粒徑之間長(zhǎng)徑比和圓度系數(shù)的極差及標(biāo)準(zhǔn)差最小，與同區(qū)域的顆粒相比其自然狀態(tài)下空隙率偏小。圓度系數(shù)與細(xì)度模數(shù)有一定關(guān)系，圓度系數(shù)越大顆粒偏粗，圓度系數(shù)越小總體偏細(xì)。

2.2形貌特征與壓碎值之間的關(guān)系

機(jī)制砂壓碎值是指在荷載作用下，抵抗被壓碎的能力，與粗集料的壓碎試驗(yàn)結(jié)果含義不同，細(xì)集料壓碎指標(biāo)越高，表示抗壓碎能力越強(qiáng)。長(zhǎng)徑比和圓度系數(shù)是表征機(jī)制砂顆粒微觀形狀的指標(biāo)，研究機(jī)制砂顆粒長(zhǎng)徑比與壓碎值的關(guān)系，能夠間接建立機(jī)制砂微觀指標(biāo)與宏觀力學(xué)性能的關(guān)系。選取13組試樣的壓碎值及對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)徑比和圓度系數(shù)，分析得出不同長(zhǎng)徑比和圓度系數(shù)對(duì)壓碎值的影響，如圖9、圖10所示。

細(xì)集料的壓碎值越大，壓碎后留在級(jí)配下限篩孔上的顆粒數(shù)量越多，集料的抗壓碎能力越強(qiáng)。分析13組試件，從圖9可知，壓碎值最大為24%，是桂南地區(qū)的MS10組機(jī)制砂，各粒組長(zhǎng)徑比的分布范圍在1.113～1.369，平均值為1.302，極差為0.256，標(biāo)準(zhǔn)差為0.096，總體上長(zhǎng)徑比值偏小，各粒組之間長(zhǎng)徑比的差別不大，標(biāo)準(zhǔn)差最大的是MS6組，為0.229?？傮w上來(lái)說(shuō)顆粒的長(zhǎng)徑比越大，越容易受力不均勻，從而影響機(jī)制砂的力學(xué)性質(zhì)，但是試驗(yàn)組MS12是個(gè)例外，其長(zhǎng)徑比的平均值為1.297，極差為0.145，標(biāo)準(zhǔn)差為0.062，壓碎值為15%，其原因在于試驗(yàn)組MS10和試驗(yàn)組MS12來(lái)自不同的產(chǎn)區(qū)，因此除了長(zhǎng)徑比以外，母巖組分的差別也是影響強(qiáng)度的因素之一。同樣，對(duì)于來(lái)自于桂西地區(qū)試驗(yàn)組MS11、MS12、MS13，試驗(yàn)組MS11主要礦物為石英，試驗(yàn)組MS12、MS13主要礦物為方解石，試驗(yàn)組MS11的壓碎值大于MS12、MS13組，試驗(yàn)組MS12壓碎值大于MS13，其原因在于機(jī)制砂強(qiáng)度首先受到礦物組成的影響，其次在一定范圍內(nèi)是顆粒形狀的影響。從圖10可以看出在圓度系數(shù)與壓碎值的關(guān)系中，圓度適中的顆粒有利于顆粒嵌擠作用的形成，圓度系數(shù)越小越接近光滑的球體，顆粒之間的摩擦力較小，圓度系數(shù)越大越接近針狀顆粒，導(dǎo)致強(qiáng)度下降，因此合適的圓度系數(shù)對(duì)顆粒的抗壓碎能力是有幫助的。

2.3化學(xué)組分分析

機(jī)制砂MS1～MS13試樣X(jué)RD圖譜分析結(jié)果如圖11所示。

由圖11可知，試驗(yàn)組MS1、MS5、MS8、MS10、MS11通過(guò)XRD譜圖分析得出其主要礦物為石英、方解石及少量雜質(zhì)；試驗(yàn)組MS5含微量元素；試驗(yàn)組MS2、MS3、MS4、MS6、MS7、MS9、MS12、MS13通過(guò)XRD譜圖分析得出主要礦物為方解石，還有少量白云石和長(zhǎng)石；試驗(yàn)組MS4的主要成分中CaO和MgO含量較高，亞甲藍(lán)值MB偏小，壓碎值偏小；試驗(yàn)組MS10屬于硅質(zhì)機(jī)制砂，相較于其余地區(qū)所產(chǎn)硅質(zhì)機(jī)制砂SiO2較多，表現(xiàn)在亞甲藍(lán)值MB偏大，壓碎值偏大。由此可見(jiàn)，硅質(zhì)機(jī)制砂石粉的亞甲藍(lán)值MB比河卵石和鈣質(zhì)機(jī)制砂石粉的亞甲藍(lán)值MB大，其原因在于亞甲藍(lán)值MB與機(jī)制砂中細(xì)粉礦物成分緊密聯(lián)系，膨脹性黏土礦物對(duì)亞甲藍(lán)試劑吸附力強(qiáng)，膨脹性黏土主要為蒙脫土（含Al2O3、MgO和SiO2）和高嶺土（2SiO2·Al2O3·2H2O）等，所以亞甲藍(lán)值MB大小與機(jī)制砂石粉中的SiO2和Al2O3含量有關(guān)［16］。

3結(jié)語(yǔ)

（1）長(zhǎng)徑比和圓度系數(shù)是直觀評(píng)價(jià)機(jī)制砂外觀形貌主要參數(shù)。廣西地區(qū)機(jī)制砂中0.15～4.75 mm粒徑長(zhǎng)徑比為1.113～1.939，不同產(chǎn)區(qū)機(jī)制砂之間差異較大，總體上介于1.4～1.5；圓度系數(shù)為1.069～1.722，不同產(chǎn)區(qū)機(jī)制砂之間差異不大，總體上介于1.2～1.3。

（2）長(zhǎng)徑比值越小，各粒徑組之間標(biāo)準(zhǔn)差越小，顆粒越有利于承受集中荷載，表現(xiàn)出抗壓碎能力越強(qiáng)。圓度適中的顆粒越有利于嵌擠作用的形成，顆粒的抗壓碎能力也越強(qiáng)。壓碎值的大小除了受到顆粒形貌特征的影響以外，母巖組分也是影響因素之一，以石英為主的機(jī)制砂抗壓碎值能力大于以方解石為主的機(jī)制砂。

（3）廣西地區(qū)硅質(zhì)機(jī)制砂石粉的MB值比河卵石和鈣質(zhì)機(jī)制砂石粉的MB值大，硅質(zhì)石粉吸附性要比鈣質(zhì)石粉強(qiáng)得多，使聚羧酸系減水劑性能受到影響，導(dǎo)致石粉含量較高的機(jī)制砂混凝土較為黏稠，從而影響新拌混凝土的流動(dòng)性及強(qiáng)度。

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基金項(xiàng)目：廣西重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“環(huán)境安全型赤泥基復(fù)合穩(wěn)定路用材料研發(fā)與工程”（編號(hào)：桂科AB23026080）

作者簡(jiǎn)介：歸翀（1971—），碩士，高級(jí)工程師，主要從事公路工程、工程管理工作。