机制砂形貌特性的测试与分析

钟国才 范志 李文科 钟明云 严捍东

摘 要：选取花岗岩、石灰岩、辉绿岩、玄武岩四种岩性机制砂为研究对象，采用Ipp6.0（Image-Pro Plus）软件通过数字图像处理方法、DN-10BZ专业显微镜、Bettersize2000型激光粒度分析仪、COXEM-0型台式扫描电镜，分别对四种机制砂中粒级为1.18～2.36  mm、2.36～4.75  mm进行了圆形度分析，1.18～0.6  mm、0.6～0.3  mm、0.3～0.15  mm进行了形貌分析，0.15～0.075  mm、<0.075  mm进行了细度测定，<0.15  mm颗粒进行了SEM形貌分析;采用WX-2000型细集料棱角性粗糙度测定仪对四种机制砂的棱角性进行了测试。通过测试与分析，可获得特定制砂工艺参数下机制砂各粒级颗粒形貌特性的定性或定量参数，这对于机制砂加工工艺参数的优化和混凝土配合比设计都具有重要的参考价值。

关键词：机制砂;形貌特性;粒级;圆形度;棱角性

中图分类号：TD985

文献标识码： A

由于天然砂资源的匮乏，在经济利益的驱使下，我国很多地区都出现了滥采、滥挖的现象，过度、无序地开采已造成严重的安全和环保问题。因此，关于天然砂的应用国家和各地政府明确的作出了禁采或限采的规定，开发新砂源以满足工程用砂需求已成为行业发展趋势，采用机制砂替代天然砂作为混凝土细骨料已成为趋势[1，2]。机制砂是母岩经机械破碎、筛分制成，粒径小于4. 75  mm，但不包括软质岩、风化岩等岩石颗粒[3]，机制砂作为混凝土细骨料，其形貌特性对混凝土的工作、力学性能等影响较大[4-7]。关于机制砂的形貌特性测试与分析，现目前比较常用的方法有：间隙率法、流动时间法[8-11]，胶砂流动度法[12]，这三种方法均能间接地表征机制砂整体形貌特性，不能直接得到机制砂各粒级颗粒形貌特性的定性或定量参数;于是较多学者提出了数字图像处理方法[6，13-16]，该方法虽能较为直接地得到机制砂各粒级颗粒形貌特性参数，但是因为1.18 mm以下的颗粒相对较细不便于测试操作，误差较大;CEPURITIS等粒[17]研究发现，不同粒级机制砂形貌对混凝土影响程度不同，粒级在0.125 ～2.000 mm时机制砂的形貌对新拌混凝土的工作性能影响起主导作用。本文通过对机制砂各粒级颗粒进行分级，每级分别采用特定的测试与分析方式，可以较为全面掌握机制砂各粒级颗粒形貌特性的定性或定量参数，这对于机制砂加工工艺参数的优化和混凝土配合比设计都具有重要的参考价值。

1 试验原材料

以5～10  mm的碎石为原料，采用福建南方路面机械有限公司V7-10制砂机加工成机制砂，以花岗岩机制砂细度模数2.7为制砂机运行参数控制基准（该制砂机生产线上设计有分离石粉工艺），V7-10制砂机生产控制参数见表1。花岗岩、石灰岩、辉绿岩、玄武岩机制砂分别简称：HGY、SHY、HLY、XWY，机制砂级配见表2。

2 试验仪器及方法

2.1 数字图像处理方法

机制砂1.18～2.36  mm、2.36～4.75  mm粒级颗粒各随机取50颗，采用Ipp6.0（Image￣Pro Plus）软件，通过数字图像处理方法对其圆形度进行测试与分析。

2.2 DN-10BZ专业显微镜

采用江南DN-10BZ专业显微镜对机制砂1.18～0.6  mm、0.6～0.3  mm、0.3～0.15  mm粒级颗粒放大40倍進行形貌分析。

2.3 激光粒度分析仪

采用丹东百特仪器有限公司生产的Bettersize2000型激光粒度分析仪对机制0.15～0.075  mm、<0.075  mm粒级颗粒进行细度测试。中值粒径D50（D50是指样品中累计粒度分布百分数达到50%时所对应颗粒的平均粒径），可以反映颗粒平均细度。

2.4 扫描电镜

采用韩国COXEM公式生产的COXEM-20型台式扫描电镜500倍下对机制砂<0.15  mm粒级颗粒进行形貌分析。

2.5 棱角性测试

参照《公路工程集料试验规程》（JTG E42-2005）中的T 0345-2005，采用天津建仪机械设备检测有限公司生产的WX-2000型细集料棱角性粗糙度测定仪对机制砂的棱角性进行测试[8]。

3 试验结果与讨论

3.1 数字图像处理测试与分析

机制砂中2.36～1.18  mm，2.36～4.75  mm粒级颗粒通过图像处理前后照片分别如图1-4所示，圆形度测试数据见表3。

圆形度大小在一定程度上反映机制砂的棱角性，颗粒圆形度越接近1表示接近圆的程度越大，形貌越规则，颗粒棱角越少;圆形度值越偏离1，偏离圆的程度越大，形貌越不规则，棱角越多。由表3可知，2.36～1.18  mm与2.36～4.75  mm粒级颗粒圆形度相比更接近于1，说明前者颗粒形貌较规则;2.36～4.75  mm粒级：HGY>HLY>SHY>XWY，2.36～1.18  mm粒级：HLY>HGY>SHY>XWY。说明在固定砂细度模数的加工工况下，因岩性差异将影响砂颗粒的形貌，SHY、XWY与HGY、HLY相比形貌相对较为规则，其中2.36～4.75  mm粒级颗粒形貌整体较差，这就要求机制砂生产企业应充分了解岩石的基本物理、化学与力学特性，以实时调整制砂机的运行参数。

3.2 DN-10BZ專业显微镜对颗粒形貌的测试与分析

专业显微镜下对1.18～0.6  mm，0.6～0.3  mm，0.3～0.15  mm粒级颗粒形貌分别如图5-8所示。

由图5-8可知，四种机制砂1.18～0.6  mm粒级颗粒无明显棱角，形貌相对规则;HGY和SHY 0.6～0.3  mm粒级颗粒的形貌较为规则，其中HLY、XWY 0.6～0.3  mm粒级颗粒的相对不规则;0.3～0.15  mm粒级颗粒的形貌明显不规则，其中HLY、XWY棱角性明显多于HGY、SHY，且XWY棱角性最为突出。说明在以花岗岩机制砂细度模数2.7为制砂机运行参数基准下，0.15～0.6 mm粒级颗粒形貌整体较差，其中HLY、XWY形貌较HGY、SHY差，说明在固定砂细度模数的加工工况下，因岩性差异将影响砂颗粒的形貌，这就要求机制砂生产企业应充分了解岩石的基本物理、化学与力学特性，以实时调整制砂机的运行参数。

3.3 激光粒度仪对细度测试与分析

激光粒度仪对机制砂中粒径为0.15～0.075  mm、<0.075  mm颗粒细度测试结果如图9-12所示。从图9-12可以看出，机制砂中粒径为0.15～0.075  mm的颗粒D50值大小顺序为：HGY（74.21 mm）>XWY（72.89 mm）>HLY（47.85 mm）>SHY（27.60 mm），HGY与XWY D50值较大，相对较粗，SHY D50值较小，相对较细;粒径<0.075  mm的颗粒D50值大小顺序为：HGY（38.12 mm）>HLY（33.33 mm）>XWY（26.67 mm）>SHY（16.59 mm），HGY D50值较大，相对较粗，SHY D50值较小，相对较细。

3.4 扫描电子显微镜（SEM）对颗粒形貌测试与分析

机制砂中<0.15 mm粒级颗粒的扫描电镜形貌分析如图13所示。从图13可以看出，HGY颗粒较大呈块状，形状最不规则，多棱角;XWY颗粒较大，形状较为规则，棱角一般，颗粒呈松散堆积状态;SHY颗粒较小，无明显棱角，HLY呈片状，棱角较多，棱角多少顺序为：HGY>HLY>XWY>SHY。

3.5 棱角性测试

通过流动时间法对机制砂棱角性进行测试分析，流动时间是机制砂棱角性多少的直观反映，流动时间越短，砂在下落的过程中颗粒间摩擦阻力较小，说明机制砂棱角越少，反之，机制砂棱角越多。四种机制砂流动时间大小顺序为：XWY（15.94 s）>HLY（14.68 s）>SHY（13.12 s）>HGY（12.52 s），HGY流动时间最短，形貌较为规则，XWY流动时间最长，形貌较为不规则。

通过Ipp6.0（Image-Pro Plus）软件数字图像处理方法得到的数据表3并结合表2四种机制砂级配情况，考虑到2.36～1.18  mm与2.36～4.75  mm粒级含量差异，所以认为1.18～4.75  mm粒级棱角性多少顺序为：HLY>HGY>SHY>XWY;由图5-8观察可知，四种机制砂1.18～0.6  mm粒级颗粒无明显棱角，形貌相对规则，0.6～0.15mm粒级颗粒明显不规则，其中HLY、XWY棱角明显多于HGY、SHY，且XWY棱角性最为突出;由图9-12、图13可以看出，四种机制砂<0.15  mm粒级颗粒的D50值大小顺序为：HGY>XWY、HLY>SHY，棱角多少顺序为：HGY>HLY>XWY>SHY，表明<0.15粒级颗粒的粗细程度与其棱角多少基本呈正相关关系。根据流动时间法测试四种机制砂棱角性多少顺序：XWY>HLY>SHY>HGY，从表1.2四种机制砂级配情况可知，<0.15  mm粒级颗粒虽然表现出较强棱角性，但因其在机制砂中含量较少、细度相对较细，对机制砂整体棱角性影响不大;1.18～4.75  mm粒级颗粒虽然表现出较强棱角性，但颗粒相对较大，由此可知：0.3～0.6  mm两粒级颗粒在机制砂中起着搭配、桥接作用，表现出的明显不规则性，将影响机制砂整体形貌，对机制砂的整体棱角性起着决定性作用。

4 结论

（1）岩性对机制砂颗粒形貌有明显影响，机制砂加工时应充分认识到系统掌握岩性的重要性;

（2）岩性对1.18～4.75  mm、0.3～0.6  mm粒级颗粒形貌影响大、从而对新拌混凝土性能产生较大影响，其中0.3～0.6  mm粒级颗粒形貌对机制砂棱角性起着决定性作用;

（3）建议棱角性测试流动时间宜控制在12 s以内，2.36～4.75  mm粒级颗粒圆形度宜控制在1.2以内;

（4）当机制砂中粒级<0.15  mm含量较高、或是想通过粒级<0.15  mm石粉外掺来改善混凝土密实性、和易性时，商混企业需考虑到因岩性的不同、石粉细度的不一样来对外加剂掺量及配合比进行合理的调整。

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（責任编辑：于慧梅）