关键词：细骨料；颗粒粒形；显微结构；微观结构

　　0 引言

　　细骨料品质对混凝土拌合物的工作性能及硬化混凝土的物理力学性能和耐久性能均具有重要影响^[1]。其中细骨料颗粒粒形及表面组织是影响混凝上拌合物需水量的重要因素。骨料颗粒为不规则形状，目前描述颗粒形貌特征的主要方法之一为圆度。圆度指的是骨料颗粒的棱边及隅角的相对尖锐程度。国内外多采用数字图形处理(Digital Image Process，DIP)技术对骨料粒形进行研究^[2-5]；表面组织指的是颗粒表面抛光或毛面、平滑或粗糙或粗糙度的差异。表面棱角多且凹凸不平的骨料，比表面积大，增加混凝土的用水量，加大混凝土之间的摩擦力，不利于混凝土拌合物的工作性。然而这些将加大混凝土混合物中颗粒间机械啮合力，改善骨料表面与水泥净浆之间的黏结，提高混凝土的强度。因此骨料粒形和表面组织对混凝土的工作性能和力学性能具有重要影响。

　　目前建筑行业的快速发展对砂、石等基材的需求量不断加大，而沿海城市更是出现了河砂资源紧缺的局面^[6]，因此包括海砂、机制砂、尾矿砂等资源代替河砂应用于混凝土行业中逐渐增多，国家亦制定出相应的标准规范其应用。但各种细骨料因来源不同，导致其颗粒形貌、显微及微观结构各不相同，利用不同细骨料制备新拌和硬件化后的混凝土性能差异较大，而目前关于各种细骨料颗粒形貌特征、显微及微观方面的研究却鲜有报道。通过研究各种细骨料颗粒形貌特征、显微及微观结构并进行比较分析，研究细骨料颗粒粒形和表面组织对新拌胶砂的工作性能和力学性能的影响。

　　1 试验方案

　　细骨料颗粒形貌分析采用珠海欧美克科技有限公司生产的颗粒图像分析仪对海砂、河砂、机制砂和尾砂分粒级进行圆度分析。骨料样品的显微图像经过一组镜片最终成像在摄像机的光耙上并转换成数字图像信号，该信号通过接口送入计算机，用软件进行二值化、颗粒边缘搜寻等处理，最后生成分析结果。

　　细骨料显微结构采用显微镜进行研究。将各细骨料用标准筛筛分成各粒级颗粒，挑出某一粒级具有代表性的颗粒放在显微镜上，通过调整显微镜的放大倍数、亮度、光栏等使颗粒形貌显示最清晰，并保存拍摄到的图像进行分析。

　　细骨料微观结构分析采用美国FEI公司生产的Quanta400环境型扫描电子显微镜。将细骨料洗净、烘干并挑出具有代表性的颗粒，用两面胶固定在样品台上，然后用真空喷溅仪在样品表面喷金，将喷金好的样品放入扫描电镜中，抽真空后观测。

　　细骨料胶砂性能试验。试验材料：①水泥：石井牌P·O42.5R级水泥；②砂子：ISO标准砂；珠江口海砂，细度模数2.60；广州北江河砂，细度模数2.71；茂名高岭土尾砂，细度模数2.80；③水：自来水；试验方法：按照GB／T 1767l一1999(水泥胶砂强度检验方法》进行水泥胶砂强度试验，标准砂分别用海砂、河砂、尾砂替代，分别测定7、28、56 d的抗折强度和抗压强度。

　　2 试验结果分析

　　2.1 细骨料颗粒形貌特征分析

　　试验采用颗粒图像分析仪分别测定细骨料海砂、河砂、机制砂和尾砂各粒级的圆度，试验结果见表1和图1所示。

　　由表1和图l可以看出，从各细骨料粒级0.160——5.000 mm的圆度看，机制砂的圆度最小，其次是尾砂，河砂和海砂的差不多，这与各细骨料的来源有关。海砂和天然河砂是由岩石自然风化、水流搬运和分选、堆积形成的岩石颗粒。海砂和河砂都是经过长期流水冲洗，磨蚀掉表面突出的棱多，颗粒表面比较浑圆，圆度较大。机制砂是用岩石经除土开采、机械破碎、筛分制成的，颗粒形状粗糙尖锐、多棱角闭，并且机制砂颗粒内部微裂纹多、空隙率大，圆度较小，与天然河砂相比有较大差异。而高岭土尾砂是介于机制砂与天然河砂和海砂之间，更接近于天然砂的性质。高岭土尾砂是在高岭土矿经开采分选之后所收集的尾矿，未经过像天然砂那样经水的长期冲刷及像机制砂那样经机器的强制破碎而形成的，所以尾砂颗粒形状不像天然砂那样浑圆和机制砂那样粗糙尖锐多棱角。从细骨料的单粒级看，各细骨料之间存在较大的区别，即使同一细骨料，各粒级之间亦差异显著。各骨料粒径>1.250 mm的颗粒圆度大于粒径<1.250 mm的颗粒圆度，且这差异相当显著，尤其是尾砂差异更大，最大相差0.09，其他在0.03——0.05之间波动。粒径大于1.250 mm颗粒圆度由大到小大致顺序依次为尾砂>海砂>河砂>机制砂，粒径小于1.250 mm颗粒顺序为海砂>河砂>尾砂>机制砂。

　　2.2 细骨料显微结构分析

　　采用显微镜将细骨料颗粒级配合比较集中的三个公称粒径范围2.500——1.250mm、1.250——0.630mm、0.630——0.315mm的海砂、河砂、尾砂和机制砂颗粒分别放大4、10、40倍进行观察，显微图像如图2所示。

　　从图2公称粒径为2.500——1.250 mm的各骨料颗粒可以看出，此粒级河砂与海砂颗粒形貌相似，颗粒边缘都较为圆滑，但颗粒表面河砂不平整度大于海砂，且海砂表面存在有少量的溶蚀坑和溶蚀沟。机制砂棱角布满整个颗粒边缘，且尖锐，颗粒表面饱满度差，缺陷明显。尾砂颗粒边缘平滑，尖锐角少，棱角性小，与此粒级颗粒圆度较大相符，且存在有较多的孔洞及较多的薄弱部位。

　　从公称粒径为1.250——0.630 mm的各骨料颗粒放大4倍看到，此粒级颗粒海砂、河砂和尾砂颗粒形状差别不大，海砂颗粒表面光滑，尾砂较为粗糙，机制砂颗粒明显棱角增大，与此粒级颗粒圆度基本符合；从颗粒放大10、40倍看到，各种骨料颗粒差异较大，海砂颗粒表面相当光滑，但存在有少量被溶蚀的点坑和线坑。河砂表面平滑，突出部位明显，且有较多细小颗粒将从大颗粒表面分离出去。尾砂颗粒表面较为平整，且存有月形和波浪形纹理，纹理宽度较窄，且有少量附着物。机制砂颗粒表面存在各向的纹理，表面凹凸不平，显得相当粗糙，但表面物质均一，不存在有杂物或其他附着物，颗粒表面呈现出一定数量细小裂纹，可能是由于机器强制破碎而造成的。

　　从公称粒径为0.630——0.315 mm的各骨料颗粒放大10、40倍可以看到，此粒级海砂颗粒整体较为光滑，但表面存在有一定量的被溶蚀的痕迹，纹理明显，溶蚀沟和溶蚀坑较多。河砂颗粒圆滑，表面较为平整，但仍清晰可见极细小颗粒布满颗粒和有一定量的坑存在。尾砂颗粒棱角相当多，表面粗糙不规整，有明显被溶蚀过的痕迹，有少量附着物，且颗粒组成复杂，缺陷和裂纹明显，有不断向更细小颗粒发展的趋势，造成了此粒级颗粒圆度明显偏小。机制砂颗粒形状复杂，棱角多，破碎面明显且带有阶梯性状，破碎面上带有较多的撞击坑和裂缝，裂缝在沟上沿垂直沟方向出现，在破碎面上沿垂直于阶梯方向发展。

　　2.3 细骨料微观结构分析

　　将细骨料海砂、河砂、尾砂和机制砂分别放大250、1000、5000倍进行观测。各骨料颗粒微观结构形貌如图3所示。

　　从图3各骨料放大250倍看，海砂和河砂表面相当光滑，但海砂表面存在有溶蚀坑；尾砂颗粒形貌与河砂和海砂差异相当明显。尾砂显得粗糙，表面平整光滑程度明显差于天然砂，机制砂表面比尾砂更为粗糙，且颗粒破裂面相当明显，破裂角尖锐。

　　从各骨料放大1000倍看，海砂颗粒表面相当光滑，只在过渡处显得粗糙；河砂颗粒表面较为平整，尾砂颗粒表面似鳞片状，且分布均匀；机制砂颗粒表面粗糙，呈岛状结构，且棱角显得尖锐。

　　从各骨料放大5000倍看，海砂和天然河砂颗粒形貌相似，表面都较为平整；尾砂颗粒表面似鳞片状且带有一定量的层状结构；机制砂颗粒表面凹凸不平，棱角尖锐且存在较多的孔隙。

　　2.4 细骨料胶砂性能试验分析

　　试验测定了用标准砂、海砂、河砂和尾砂制备胶砂的7、28、60 d的抗折强度和抗压强度，试验结果如表2、图4所示。

　　从表2可以看出用海砂替代标准砂制备的水泥胶砂流动度比用河砂小但比用尾砂大，这与前面的圆度系数大小顺序一致，用尾砂制备胶砂的流动度较小主要是由于尾砂棱角性较多，表面积大，吸收了更多的水分，导致胶凝材料由于水分的缺少而显得黏稠，流动性减小，而且由于棱角较多，加大了颗粒之间的摩擦，降低了彼此之间的滑动能力，最终导致尾砂胶砂流动性不如天然河砂和海砂。这与砂的圆度大小有直接的关系，圆度越大，棱角越少，流动性越好。

　　从图4强度曲线图可以看出，海砂制备胶砂抗折强度比河砂和尾砂小，主要是由于海砂颗粒浑圆，与水泥浆黏结力较小，抗折强度较差。而用尾砂制备胶砂的28 d抗折强度最高，主要是由于尾砂表面组织粗糙，与水泥浆黏结较好，使抗折强度增加。海砂和河砂制备胶砂的抗压强度相差不大。

　　3 结论

　　(1)从细骨料粒级0.160——5.000 mm的颗粒圆度比较，机制砂圆度最小，其次是尾砂，河砂和海砂圆度较大且差异小。

　　(2)各细骨料粒径>1.250 mm的颗粒圆度大于粒径<1.250 mm的颗粒圆度，其中尾砂不同粒径圆度差异最大。

　　(3)海砂与天然河砂表面组织相近，表现出颗粒圆滑，棱角少，表面较为平整的特征，但海砂表面带有少量的溶蚀沟和溶蚀坑，而机制砂和尾砂棱角大，表面粗糙，有利于提高胶砂抗折强度。

　　参考文献：

　　[1]徐定华，冯文元．混凝土材料实用指南[M]．北京：中国建材工业出版社，2005：26—27，244—256．

　　[2]MORA C F，KWAN A K H，CHAN H C..Particle size distribution analysis of coarse aggregate using digital image processing[J]．Cement and concrete Research，1998，28(6)：921—930．

　　[3]KWAN A K H，MORA C F，CHAN H C．Particle shape analysis of coarse aggregate using digital image processing[J]．Cement and concrete Research，1999，29(9)：1403—1410．

　　[4]MORA C F，KWAN A K H．Sphericity，shape factor，and convexity measurement of coarse aggregate for concrete using digital image processing[J]．Cement and concrete Research，2000，30(3)：351-358．

　　[5]蔡基伟．石粉对机制砂混凝土性能的影响及机理研究[D]．武汉：武汉理工大学，2006：32—37．

　　[6]洪乃丰．震后反思“海砂屋”[J]．腐蚀与防护，2008，29(7)：426—428．

　　作者：温喜廉^1、2，欧阳东¹，李建友²
(1．暨南大学力学与土木工程系，广东广州 510632；2．广州市住宅建设发展有限公司，广东广州 510075)

编辑：金哲