机制砂粒形与级配特性及其评价标准探究
2016-09-22谢华兵韦江雄李方贤
谢华兵 韦江雄 李方贤
（华南理工大学 材料科学与工程学院）
机制砂粒形与级配特性及其评价标准探究
谢华兵韦江雄李方贤
（华南理工大学 材料科学与工程学院）
机制砂复杂的粒形和级配都会影响机制砂的推广应用，本研究通过对机制砂粒形和级配特性的研究，提出了机制砂粒形综合评价指标和不同等级机制砂级配，并通过砂浆试验结果表明，粒形综合指数越高的第一等级的机制砂制备的砂浆的工作性能和力学性能都相对更高。
机制砂；粒形；级配；评价标准
1 引言
在现今河砂资源短缺和河道保护的状况下，机制砂正在逐步取代河砂作为混凝土用细骨料。机制砂由机械破碎筛分而来，其多棱角的不规则粒形和不合理的级配限制了机制砂的应用和机制砂混凝土的推广。现今对机制砂粒形和级配方面的研究很多，但是缺乏对机制砂粒形和级配的评价指标。本文通过对机制砂粒形、级配特性及其对砂浆性能的影响，提出机制砂的粒形评价方法和级配评价标准，为机制砂的生产、应用和机制砂混凝土的推广提供理论指导。
2 试验方法与材料
2.1试验材料
本试验细骨料为石灰岩机制砂（Li m estone M anufacture Sand，LM S，梅州），花岗岩机制砂（Grani te M anufactured Sand，GM S，阳江），自然砂（Ri ver Sand， RS,西江）。试验用水泥为PⅡ42.5R水泥（广州珠江水泥厂，化学成分如表1所示），试验用水为广州市饮用水。
表1 PⅡ42.5R水泥的化学组成
2.2试验方法
2.2.1机制砂粒形表征
本文采用数字图像法（Di gi tal Im age Processi ng，DIP）和细集料的棱角性法来表征砂的粒形获取砂的粒形特征参数。细集料的棱角性法具体方法参照标准《公路工程集料试验规程》（J TGE 42-2005）。数字图像法首先将砂筛分成单粒级的颗粒，然后洗去表面的灰尘，烘干，再在体式镜下拍照。然后在用Im age-Pro Pl us（IPP）软件对图像进行处理，并获取颗粒图像的特征参数。主要粒形参数如表3所示。
表2 细骨料主要参数
表3 机制砂粒形参数及其说明
2.2.2砂堆积孔隙率测试及砂浆的工作性能、力学性能和干燥收缩测试
砂的堆积密度和空隙率参考标准建筑用砂（GB/T 14684-2011）进行测量。砂浆的工作性能测试参考标准《水泥胶砂流动度测试方法》（GB/T 2419-2005）。力学性能测试参照标准《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》（GB/T 17671-1999）。干燥收缩性能参照标准《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(J GJ/T 70-2009)。
3 结果与讨论
3.1机制砂的粒形表征和评价
表4为细骨料的主要粒形参数，从表中可以看出，在长宽高三维均匀性方面，河砂的均匀性稍优于石灰岩机制砂，而花岗岩机制砂最差。而在棱角性方面，也表现出相同的规律，主要原因在于河砂受长期河流作用，大部分棱角已经磨蚀，而石灰岩硬度较花岗岩小，因此在各个方向都比较均匀。
表4 细骨料主要粒形参数
从表4中可以看到表征细骨料粒形参数的指标很多，而各个指标之间的变化规律并非一致，并且不同的研究者选用不同参数来评价粒形的优劣，目前对颗粒粒形的评价还没有一个统一的综合评价指标。通过对颗粒粒形各个评价指标的深入分析，构建一个实用的粒形综合评价指标，可为评价细骨料的粒形优劣提供重要依据。
通过对各个粒形参数分析，如表5所示，对细骨料的各个参数指标权重划分。颗粒粒形的各个表征参数的数值口径不统一，必须将各参数数值进行归一化处理才能进行综合计算。将长宽比、内径比、纵横比、圆度、扁平比以球为参考，计算细骨料颗粒相对于球的相对长宽比、相对内径比、相对纵横比、圆度和相对扁平比。其中相对长宽比、相对内径比和相对纵横比为原始颗粒参数值的倒数，扁平比与0.67的比值为颗粒的相对扁平比，圆度本身的值就是相对于球的值，因此还是实测值。间隙率和流动时间以标准砂为参考，取标准砂的间隙率、流动时间和各细骨料的间隙率、流动时间的比值得到相对间隙率和相对流动时间。本研究所得到的石灰岩机制砂（LM S）、花岗岩机制砂（GM S）和河砂（RS）的各个粒形参数归一化后的数值如表6所示。
表5 粒形各评价参数的权重划分
表6 细骨料粒形参数的归一化
根据各粒形表征参数权重和归一化后的数值，可以计算得到一个比较全面反映颗粒粒形特征的综合指数，其计算公式如下：
粒形综合指数=∑(粒形表征参数×权重)(式1)
根据前面分析得到的权重和归一化后的数据，由式1可以计算得到河砂、石灰岩机制砂和花岗岩机制砂的粒形综合指数如表7所示。从表7中可以看出，将各个粒形参数按不同权重累加之后得到粒形综合指数。其中河砂的粒形最好，粒形综合指数为0.80，其次是石灰岩机制砂为0.76，而花岗岩机制砂为0.68，粒形最差。
表7 机制砂粒形综合评价指标
3.2机制砂粒形与砂浆性能
图1为细度模数分别为2.2和2.5的细骨料的堆积空隙率，a为松散堆积空隙率，b为紧密堆积空隙率。两个细度模数下细骨料的堆积空隙率的变化规律一致，说明粒形对堆积空隙率的影响不随细度模数的变化而变化。相同细度模数细骨料的堆积空隙率，粒形综合指数最小的花岗岩机制砂高于河砂，长宽比最小、粒形综合指数较好的石灰岩机制砂最小。以河砂为参考，在细度模数为2.5时，石灰岩机制砂的松散堆积和紧密堆积空隙率分别低河砂1.26%和3.36%，而花岗岩机制砂的松散堆积和紧密堆积空隙率分别高河砂 2.40%和0.13%。
图1 不同细骨料连续级配堆积空隙率
如图2所示，在三个水灰比下，石灰岩机制砂制备的砂浆的流动度都高于花岗岩机制砂制备的砂浆。石灰岩机制砂粒形综合指数较大，颗粒更加均匀饱和，其堆积空隙率更小，故而砂浆的流动度也相对更好。说明机制砂的粒形综合指数越大，砂浆的工作性能相对越好。
图2 不同粒形机制砂砂浆流动度
如图3和图4所示，相比于较为光滑圆润的河砂，机制砂粗糙多棱角的表面与基体的结合更加紧密，且颗粒之间存在机械咬合作用，故而机制砂制备的砂浆28天抗折、抗压强度均高于河砂，特别是抗折强度要高出河砂制备的砂浆10%～50%。而对于不同粒形的机制砂，粒形综合指数更高的石灰岩机制砂砂浆的28天抗折强度要高于花岗岩机制砂，细度模数为2.2和2.5的抗折强度分别提高了28%和6%，抗压强度分别提高了13%和3%。石灰岩机制砂的粒形综合指数更高，颗粒堆积空隙率更小，砂浆的工作性能更好，砂浆内部缺陷相对更少，故而其抗折、抗压强度也相对更高。
图3 不同细骨料砂浆28天抗折强度
图4 不同细骨料砂浆28天抗压强度
图5 不同细骨料砂浆干燥收缩
图5为细骨料细度模数为2.5不同细骨料制备的砂浆的干燥收缩。从图中可以看到，随龄期的增长，砂浆干燥收缩增大，在前20天，砂浆的干燥收缩速度较快，而后期速度逐渐变慢。这一是因为水泥水化产生的体积收缩，二是随着水化的进行，基体越来越致密，毛细孔中的水也越来越少，能够逸失的水分也越来越小。相同级配下，花岗岩机制砂制备的砂浆的收缩值要小于石灰岩机制砂和河砂，石灰岩机制砂制备的砂浆的干燥收缩稍高于河砂。
3.3机制砂级配设计与评价
将细骨料筛分成 1.25～5m m、0.63～1.25m m、0.315～0.63m m和0.08～0.315m m四个区间，其中将1.25～5m m中1.25～5m m与2.5～5m m颗粒含量比例设定为 3：1，而0.08～0.315m m中0.16～0.315m m与0.08～0.16m m颗粒含量比例设定为2:1。将各个区间颗粒含量细化，设定质量分数分别为10%、20%、30%、40%，进行排列组合得到44组级配。
以泰波级配作为机制砂级配的评价标准，研究表明泰波指数为0.45时堆积密度最大，即堆积空隙率最小。因为泰波级配理论最细的颗粒粒径为0m m，机制砂排除石粉颗粒的颗粒粒径范围为0.08～5m m，且本文级配设计时不包括石粉颗粒，故而本文四区间级配与泰波级配做比较时，级配最小区间0.08～0.315m m颗粒含量和泰波级配小于0.315m m颗粒含量相对应。
式中：Ux表示筛析通过量（%），x为筛孔尺寸，D为体系中最大颗粒尺寸，当n=0.5为富勒级配公式。
将设计机制砂的级配与泰波级配进行比较，计算二者之间累计分布偏差的平方和，如式（3）所示，根据R2值的大小来评价机制砂的级配与理想级配的偏差，R2值越小说明越接近理想泰波级配（n=0.45）。
R2=∑(φi-ωi)2（式3）
式(3)中R2表示实际级配与富勒级配的偏差值，φi为机制砂对应i筛孔尺寸颗粒对应的累计分布，百分比表示；ωi为对应i筛孔尺寸对应泰波级配的累计分布，百分比表示。i取值为 0.08m m、0.16m m、0.315m m、0.63m m、1.25m m、2.5m m、5m m。
图6 机制砂堆积空隙率
图7 机制砂堆积空隙率
如图6所示，机制砂的堆积空隙率随着与泰波级配的偏差值的R2增大而增大，泰波级配曲线基于颗粒堆积达到最大密度，即堆积空隙率达到最小，而机制砂本身就是不同尺寸颗粒的集合体，故而其级配越接近泰波级配，其堆积空隙率也相对越小。从偏差值R2对堆积空隙率影响的散点图分布规律分析，可以将偏差值R2划分为5个区间：R2≤300×10-4、300×10-4
5个区间的机制砂的堆积空隙率平均值如图7所示，从图7中可以看出，将颗粒级配分成五个区间后，随着与泰波级配累积偏差的增大，机制砂的堆积空隙率呈现增大的趋势，且机制砂的松散堆积空隙率和紧密堆积空隙率表现出相同的规律。
根据5个区间偏差值与机制砂堆积空隙率大小的关系，将机制砂分成5个等级，其对应的颗粒分布如表8所示。级配等级越大，表明堆积空隙率越大，级配越差。
3.4机制砂级配与砂浆性能
从图8中可以看出，随着机制砂级配与泰波级配偏差值的增大，砂浆流动度呈现下降的趋势。当R2≤300× 10-4和300
图8 不同级配机制砂砂浆流动度
机制砂制备的砂浆的抗折强度和抗压强度随级配变化而变化，从图9和图10可以看出，随着机制砂级配与泰波级配的偏差值R2的增大，砂浆的28天抗折强度和抗压强度呈现一定的下降趋势。从前面试验结果可知，机制砂级配越接近泰波级配，其堆积空隙率越小，砂浆工作性能也更好。紧密的骨架结构和良好的工作性能，使得对应的砂浆的抗压强度也相对更高。总体上而言，随着机制砂级配与泰波级配（n=0.45）的偏差值的增大，机制砂砂浆的力学性能呈现一定的下降趋势。并且当R2≤300×10-4时，砂浆的力学性能较优。
图9 不同级配机制砂砂浆28天抗折强度
图10 不同级配机制砂砂浆28天抗压强度
图11 不同级配砂浆干燥收缩
表8 不同等级机制砂级配颗粒分布
从图11中可以看出，不同级配机制砂砂浆的干燥收缩随R2的增大呈现一定的减小趋势，但减小的幅度很小，砂浆干缩值在1280～1310×10-6之间，基本上处于同一水平。总的而言，级配与砂浆干燥收缩的关系不明显。
4 结论
⑴通过数字图像法获取了机制砂的粒形参数，将细骨料二维和三维方向上的粒形参数按不同权重组合，建立了颗粒粒形综合指数公式：粒形综合指数=∑(粒形表征参数×权重)，粒形综合指数越高，细骨料粒形越好，本研究所用石灰岩机制砂、花岗岩机制砂和河砂粒形综合指数分别为0.76、0.68和0.80。河砂、粒形最好，石灰岩其次，花岗岩机制砂最差。
⑵机制砂的粒形综合指数越高，堆积空隙率越小。相同配合比下，粒形综合指数更高的石灰岩机制砂砂浆的流动度和抗折、抗压强度较花岗岩机制砂砂浆相对更高，干燥收缩更大。
⑶设计了四区间级配，并以与泰波级配的偏差值R2作为级配评价指标。总体上机制砂的堆积空隙率随偏差值R2的增大而增大。从偏差值R2对堆积空隙率影响的散点图分布规律分析，可以将偏差值R2划分为5个区间：R2≤300×10-4、300×10-4
⑷机制砂级配越接近泰波级配（n=0.45），机制砂砂浆的流动度和抗压强度相对越高，当R2≤300×10-4时，砂浆的工作性能和力学性能较好，级配与砂浆的干缩性能关系不明显。●
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谢华兵，男，华南理工大学材料科学与工程学院硕士研究生
韦江雄，男，华南理工大学材料科学与工程学院教授，博士生导师，研究方向水泥基复合材料
李方贤，男，华南理工大学材料科学与工程学院副研究员，研究方向水泥基复合材料
