粤西地区机制砂与河砂的微观对比研究

2020-10-30赵文坤张雨雷

工程质量 2020年4期

赵文坤，杨文，张雨雷

（1.中交第一航务工程局有限公司，天津 300461；2.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

天然砂资源是一种短期内不可再生的、分布极不均匀的地方性资源，受限于工程造价，也不适宜长距离运输。随着基本建设大兴发展和环境保护措施的日益严格，同时性能优良的天然砂越来越少，价格上涨的同时质量却逐步下降，混凝土用砂情况愈加紧张。细骨料是混凝土的重要组成部分之一，对混凝土的性能影响重大。随着混凝土技术的发展，现代混凝土对砂的技术要求越来越高，对骨料的要求越来越严。所以机制砂在工程中的地位越来越重要，将成为建设用砂的重要来源。相比于河砂，机制砂的不规则粒形和级配显著影响混凝土的性能。通过对机制砂的粒形和级配的优选来达到优化混凝土的配合比和性能，是当前研究机制砂应用于混凝土的一个热点。

天然砂不能满足工程实际需要已成为长期留存的难题。随着河砂的短缺，使用机制砂替代河砂作为混凝土细骨料是混凝土发展的一种趋势。母岩强度的高低对机制砂的性能影响较大，不同地区的岩石由于其成因不同，岩石特性存在一定差异，如贵州地区以石灰岩［1］为代表的沉积岩、宁波地区以凝灰岩［2］为代表的介于岩浆岩与沉积岩之间的火山碎屑岩。针对粤西地区盛产的花岗岩，结合实际工程需要，本文对花岗岩机制砂的微观特性进行粒形评价，结合机制砂混凝土对其性能与强度进行评定，可为机制砂的生产、应用以及机制砂混凝土的推广提供理论指导。

1 机制砂与河砂微观特性对比

目前针对机制砂的研究主要集中为宏观力学性能方面，对深入到微观结构层面的报道较为少见。本次研究机制砂与河砂微观特性的差异，主要从圆度系数与颗粒形貌的差异入手，进而分析其对混凝土力学性能的影响。

1.1 圆度系数

圆度系数（又称圆度）表示集料颗粒的棱边及隅角的相对尖锐程度，按照 H Waddell 等人的定义，圆度为颗粒各隅角及棱边平均曲率半径对于颗粒最大内接圆半径的比值［3-4］。本研究所用数字图像测量软件的函数与其略有差别，该函数计算方法是，颗粒图像中质心到轮廓线平均距离与质心到轮廓线最大距离的的比值，实际是棱角性指标，圆度统计示意以河砂 0.30 mm 筛上颗粒为例，如图 1 所示，通过预处理照片，利用数字图像处理软件进行测量。

图1 圆度统计示意图

限于文章篇幅，这里只给出 0.30 mm 河砂筛上颗粒统计的处理对比图，其余粒径的结果类似，对于圆度的统计通过计算机图像处理技术，对图片中的集料颗粒进行识别统计，对于圆度的计算通过式（1）确定：

如表 1 所示，机制砂与河砂各粒径范围圆度最大值相差不大，最小值在 0.60 mm 以上河砂带的圆度在 0.5 以上，0.60 mm 以下除 0.075 mm 粒径的较小外（可能存在针状、棒状的影响）圆度也在 0.3 以上，而机制砂各粒级的圆度最小值变化比较大没有明显规律性。通过图 2 可以分析出 0.15 级以上机制砂与河砂圆度最小值的对比，通过观察可以发现 0.30 级以上机制砂与河砂圆度最小值存在明显的差异，尤其是在 2.36 级通过关系进行换算在长度相同的情况下，宽度能相差6 倍左右，1.18 与 0.60 级的差别仅次于 2.36 级，宽度相差 2.5 倍左右。

表1 圆度统计表（最大值、最小值、中值，河砂与机制砂差值） mm

图2 机制砂与河砂圆度最小值比较

1.2 颗粒形貌

本次研究通过对河砂与机制砂分别进行水洗后筛分，将不同筛网筛余通过 Nikon SMZ800N 体式显微镜进行观察，研究颗粒形貌，长宽比，以及烘干及含水 1.5 % 状态下未筛分机制砂与河砂对比。

为了便于区分，现做出如下规定，分散的砂粒，垂直于桌面的最长边为高，向桌面投影（拍照的效果），投影面的最长边为长，垂直于长的最长边为宽，将长与宽的比值称为长宽比（有的人也称之为丰满度）。

每一档取 20 个数据，依据统计原理直接选取平均值会因异常数据引起波动过大，造成数据失真，通过中位数的方式确定数据更加合理。砂粒的几何尺寸是恒定的，所以重心是不变的。依据能量最低原理，分散、无堆叠的砂粒，能量为了保持平衡会自动降低，自然变化进行的方向都是使能量降低。为保持势能最低，在分散的过程中，其高是小于宽的，此时是能量最低的状态是比较稳定的。

表2 河砂与机制砂长、宽及长宽比

如表 2 所示通过长宽比可以明显看出河砂的长宽比随着粒径降低而逐渐增大的，机制砂的变化不明显。

其中 2.36、0.6、0.075、底这 4 档机制砂与河砂长宽比变异系数＞ 1.4，而 1.18、0.3、0.15 这 3 档的变异系数＜ 0.6。通过变异系数可以判断，除 0.6 档外中间几档机制砂与河砂的差异较小。

通过对机制砂与河砂的照片综合分析，如图 3 所示，河砂颗粒表现为块状节理，而机制砂破碎后的颗粒呈破碎质感，表现为轧制创伤，在 0.075 档以上都可以观察到，同时机制砂棱角更加分明，通过表 1 中的数据观察到河砂在 0.3 mm 档以上长宽比＜1.5，而 0.3 mm 档以下的逐渐增加甚至超过了 2，通过中位数本身就减少了异常长宽比出现的可能性，这种现象结合各档观测照片可以解释为在 0.3 mm 以上的颗粒比较圆滑，而 0.3 mm 以下的颗粒棱角性更加显著，笔者认为这也是有些学者认为 0.3 mm 以上的颗粒是混凝土中起主要作用的原因。机制砂的长宽比虽然从数值上观察比较稳定，但是结合实际情况通过照片可以看出这是由于机制砂每档中颗粒分布比较离散，导致通过中位数来反映颗粒形貌有一定的局限性。

图3 河砂与机制砂 0.30 mm 筛余颗粒微观对比图

如图 4 所示，通过对未水洗未筛分的机制砂与河砂烘干之后的对比可以发现，机制砂中有更多的微细颗粒石粉，河砂中也有一定量的微细颗粒，但是相对含量较少，这些微细颗粒比较均匀地分布在较大颗粒的表面，但是随着含量的增加就会出现大量的微细颗粒与大颗粒的分离。

图4 烘干未筛分微观对比图

通过图 5 可以观察到，在机制砂稍湿的状态下，在表面张力的作用下，大小颗粒是相互吸附在一起的，通过在机制砂生产过程中添加一定量的水有助于保持机制砂级配避免因重力作用产生离析造成级配变差，甚至超出规范的要求，但是含水率也会在机制砂生产过程中降低机械的磨损，以及影响机制砂的级配。为了降低机制砂含粉量，一般通过水洗法、风选法，限于环保及实际条件，石岭采石场采用风选法。但由于生产机制砂过程中水的引入，造成石粉去除困难，风速较低时，石粉含量较高，风速较高时，石粉含量降低，但风速的提高也会引起机制砂 0.6 mm 档以下颗粒含量的降低，造成机制砂级配变差，为保证级配、石粉含量达标适当的含水率、风选风速就显得非常重要了。

图5 含水率 1.5 % 未筛分机制砂微观图

2 力学性能

在微观对比研究的基础上，采用同一批次的机制砂与河砂，来研究这些微观上的区别可能会给混凝土力学性能带来哪些差异。为花岗岩机制砂的使用提供参考经验。

下面简要介绍本次混凝土试验所用材料的情况。

1）水泥。P•O 42.5 水泥。

2）粗集料。使用石岭采石场 5～16 m m（含泥量0.4 %）、16～31.5 mm（含泥量 0.3 %）碎石，掺配比例为 50 %∶50 %［5］。

3）减水剂。使用 KTPCA 聚羧酸系高性能减水剂，减水率为 27 %。

4）细集料。石岭采石场机制砂，细度模数 3.1～2.8，MB 值为 0.6。青平砂场河砂，细度模数 2.7～2.4，含泥量 2.0 %。

如表 3 所示，在同一强度等级，相同水灰比的条件下，混凝土的坍落度机制砂明显小于河砂，但力学性能指标优于或接近于河砂混凝土。混凝土坍落度的差别主要是机制砂本身棱角性更加显著，这样就增大了机制砂的比表面积，导致机制砂表面附着更多的水，坍落度减小，变相增加混凝土的需水量。同时机制砂每档颗粒离散程度更大，这样在搅拌充分的情况下，可以使混凝土孔隙减少更加致密，而那些被机制砂吸附的水，在之后水泥水化反应中提供充足的水，进而水泥的水化更为充分，生成更多的水化硅酸钙，从而提高了混凝土的强度。