摘要：利用數(shù)字圖形處理技術(shù)、顯微鏡和掃描電鏡研究了細骨料海砂、河砂、機制砂和尾砂的顆粒形貌特征及顯微、微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，從各細骨料粒級0.16-5.00mm的圓度看，機制砂圓度最小，其次是尾砂，河砂和海砂圓度較大且差異小；各細骨料粒徑>1.25mm的顆粒圓度大于粒徑<1.25mm的顆粒圓度；海砂與天然河砂表面組織相近，顆粒圓滑，棱角少，表面較為平整，而機制砂和尾砂棱角大，表面粗糙。
關(guān)鍵詞：細骨料；顆粒粒形；顯微結(jié)構(gòu)；微觀結(jié)構(gòu)
0 引言
細骨料品質(zhì)對混凝土拌合物的工作性能及硬化混凝土的物理力學性能和耐久性能均具有重要影響
[1]。其中細骨料顆粒粒形及表面組織是影響混凝上拌合物需水量的重要因素。骨料顆粒為不規(guī)則形狀，目前描述顆粒形貌特征的主要方法之一為圓度。圓度指的是骨料顆粒的棱邊及隅角的相對尖銳程度。國內(nèi)外多采用數(shù)字圖形處理(Digital Image Process，DIP)技術(shù)對骨料粒形進行研究
[2-5]；表面組織指的是顆粒表面拋光或毛面、平滑或粗糙或粗糙度的差異。表面棱角多且凹凸不平的骨料，比表面積大，增加混凝土的用水量，加大混凝土之間的摩擦力，不利于混凝土拌合物的工作性。然而這些將加大混凝土混合物中顆粒間機械嚙合力，改善骨料表面與水泥凈漿之間的黏結(jié)，提高混凝土的強度。因此骨料粒形和表面組織對混凝土的工作性能和力學性能具有重要影響。
目前建筑行業(yè)的快速發(fā)展對砂、石等基材的需求量不斷加大，而沿海城市更是出現(xiàn)了河砂資源緊缺的局面
[6]，因此包括海砂、機制砂、尾礦砂等資源代替河砂應(yīng)用于混凝土行業(yè)中逐漸增多，國家亦制定出相應(yīng)的標準規(guī)范其應(yīng)用。但各種細骨料因來源不同，導致其顆粒形貌、顯微及微觀結(jié)構(gòu)各不相同，利用不同細骨料制備新拌和硬件化后的混凝土性能差異較大，而目前關(guān)于各種細骨料顆粒形貌特征、顯微及微觀方面的研究卻鮮有報道。通過研究各種細骨料顆粒形貌特征、顯微及微觀結(jié)構(gòu)并進行比較分析，研究細骨料顆粒粒形和表面組織對新拌膠砂的工作性能和力學性能的影響。
1 試驗方案
細骨料顆粒形貌分析采用珠海歐美克科技有限公司生產(chǎn)的顆粒圖像分析儀對海砂、河砂、機制砂和尾砂分粒級進行圓度分析。骨料樣品的顯微圖像經(jīng)過一組鏡片最終成像在攝像機的光耙上并轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號，該信號通過接口送入計算機，用軟件進行二值化、顆粒邊緣搜尋等處理，最后生成分析結(jié)果。
細骨料顯微結(jié)構(gòu)采用顯微鏡進行研究。將各細骨料用標準篩篩分成各粒級顆粒，挑出某一粒級具有代表性的顆粒放在顯微鏡上，通過調(diào)整顯微鏡的放大倍數(shù)、亮度、光欄等使顆粒形貌顯示最清晰，并保存拍攝到的圖像進行分析。
細骨料微觀結(jié)構(gòu)分析采用美國FEI公司生產(chǎn)的Quanta400環(huán)境型掃描電子顯微鏡。將細骨料洗凈、烘干并挑出具有代表性的顆粒，用兩面膠固定在樣品臺上，然后用真空噴濺儀在樣品表面噴金，將噴金好的樣品放入掃描電鏡中，抽真空后觀測。
細骨料膠砂性能試驗。試驗材料：①水泥：石井牌P·O42.5R級水泥；②砂子：ISO標準砂；珠江口海砂，細度模數(shù)2.60；廣州北江河砂，細度模數(shù)2.71；茂名高嶺土尾砂，細度模數(shù)2.80；③水：自來水；試驗方法：按照GB／T 1767l一1999(水泥膠砂強度檢驗方法》進行水泥膠砂強度試驗，標準砂分別用海砂、河砂、尾砂替代，分別測定7、28、56 d的抗折強度和抗壓強度。
2 試驗結(jié)果分析
2.1 細骨料顆粒形貌特征分析
試驗采用顆粒圖像分析儀分別測定細骨料海砂、河砂、機制砂和尾砂各粒級的圓度，試驗結(jié)果見表1和圖1所示。
由表1和圖l可以看出，從各細骨料粒級0.160——5.000 mm的圓度看，機制砂的圓度最小，其次是尾砂，河砂和海砂的差不多，這與各細骨料的來源有關(guān)。海砂和天然河砂是由巖石自然風化、水流搬運和分選、堆積形成的巖石顆粒。海砂和河砂都是經(jīng)過長期流水沖洗，磨蝕掉表面突出的棱多，顆粒表面比較渾圓，圓度較大。機制砂是用巖石經(jīng)除土開采、機械破碎、篩分制成的，顆粒形狀粗糙尖銳、多棱角閉，并且機制砂顆粒內(nèi)部微裂紋多、空隙率大，圓度較小，與天然河砂相比有較大差異。而高嶺土尾砂是介于機制砂與天然河砂和海砂之間，更接近于天然砂的性質(zhì)。高嶺土尾砂是在高嶺土礦經(jīng)開采分選之后所收集的尾礦，未經(jīng)過像天然砂那樣經(jīng)水的長期沖刷及像機制砂那樣經(jīng)機器的強制破碎而形成的，所以尾砂顆粒形狀不像天然砂那樣渾圓和機制砂那樣粗糙尖銳多棱角。從細骨料的單粒級看，各細骨料之間存在較大的區(qū)別，即使同一細骨料，各粒級之間亦差異顯著。各骨料粒徑>1.250 mm的顆粒圓度大于粒徑<1.250 mm的顆粒圓度，且這差異相當顯著，尤其是尾砂差異更大，最大相差0.09，其他在0.03——0.05之間波動。粒徑大于1.250 mm顆粒圓度由大到小大致順序依次為尾砂>海砂>河砂>機制砂，粒徑小于1.250 mm顆粒順序為海砂>河砂>尾砂>機制砂。
2.2 細骨料顯微結(jié)構(gòu)分析
采用顯微鏡將細骨料顆粒級配合比較集中的三個公稱粒徑范圍2.500——1.250mm、1.250——0.630mm、0.630——0.315mm的海砂、河砂、尾砂和機制砂顆粒分別放大4、10、40倍進行觀察，顯微圖像如圖2所示。
從圖2公稱粒徑為2.500——1.250 mm的各骨料顆粒可以看出，此粒級河砂與海砂顆粒形貌相似，顆粒邊緣都較為圓滑，但顆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蝕坑和溶蝕溝。機制砂棱角布滿整個顆粒邊緣，且尖銳，顆粒表面飽滿度差，缺陷明顯。尾砂顆粒邊緣平滑，尖銳角少，棱角性小，與此粒級顆粒圓度較大相符，且存在有較多的孔洞及較多的薄弱部位。
從公稱粒徑為1.250——0.630 mm的各骨料顆粒放大4倍看到，此粒級顆粒海砂、河砂和尾砂顆粒形狀差別不大，海砂顆粒表面光滑，尾砂較為粗糙，機制砂顆粒明顯棱角增大，與此粒級顆粒圓度基本符合；從顆粒放大10、40倍看到，各種骨料顆粒差異較大，海砂顆粒表面相當光滑，但存在有少量被溶蝕的點坑和線坑。河砂表面平滑，突出部位明顯，且有較多細小顆粒將從大顆粒表面分離出去。尾砂顆粒表面較為平整，且存有月形和波浪形紋理，紋理寬度較窄，且有少量附著物。機制砂顆粒表面存在各向的紋理，表面凹凸不平，顯得相當粗糙，但表面物質(zhì)均一，不存在有雜物或其他附著物，顆粒表面呈現(xiàn)出一定數(shù)量細小裂紋，可能是由于機器強制破碎而造成的。
從公稱粒徑為0.630——0.315 mm的各骨料顆粒放大10、40倍可以看到，此粒級海砂顆粒整體較為光滑，但表面存在有一定量的被溶蝕的痕跡，紋理明顯，溶蝕溝和溶蝕坑較多。河砂顆粒圓滑，表面較為平整，但仍清晰可見極細小顆粒布滿顆粒和有一定量的坑存在。尾砂顆粒棱角相當多，表面粗糙不規(guī)整，有明顯被溶蝕過的痕跡，有少量附著物，且顆粒組成復雜，缺陷和裂紋明顯，有不斷向更細小顆粒發(fā)展的趨勢，造成了此粒級顆粒圓度明顯偏小。機制砂顆粒形狀復雜，棱角多，破碎面明顯且?guī)в须A梯性狀，破碎面上帶有較多的撞擊坑和裂縫，裂縫在溝上沿垂直溝方向出現(xiàn)，在破碎面上沿垂直于階梯方向發(fā)展。
2.3 細骨料微觀結(jié)構(gòu)分析
將細骨料海砂、河砂、尾砂和機制砂分別放大250、1000、5000倍進行觀測。各骨料顆粒微觀結(jié)構(gòu)形貌如圖3所示。
從圖3各骨料放大250倍看，海砂和河砂表面相當光滑，但海砂表面存在有溶蝕坑；尾砂顆粒形貌與河砂和海砂差異相當明顯。尾砂顯得粗糙，表面平整光滑程度明顯差于天然砂，機制砂表面比尾砂更為粗糙，且顆粒破裂面相當明顯，破裂角尖銳。
從各骨料放大1000倍看，海砂顆粒表面相當光滑，只在過渡處顯得粗糙；河砂顆粒表面較為平整，尾砂顆粒表面似鱗片狀，且分布均勻；機制砂顆粒表面粗糙，呈島狀結(jié)構(gòu)，且棱角顯得尖銳。
從各骨料放大5000倍看，海砂和天然河砂顆粒形貌相似，表面都較為平整；尾砂顆粒表面似鱗片狀且?guī)в幸欢康膶訝罱Y(jié)構(gòu)；機制砂顆粒表面凹凸不平，棱角尖銳且存在較多的孔隙。
2.4 細骨料膠砂性能試驗分析
試驗測定了用標準砂、海砂、河砂和尾砂制備膠砂的7、28、60 d的抗折強度和抗壓強度，試驗結(jié)果如表2、圖4所示。
從表2可以看出用海砂替代標準砂制備的水泥膠砂流動度比用河砂小但比用尾砂大，這與前面的圓度系數(shù)大小順序一致，用尾砂制備膠砂的流動度較小主要是由于尾砂棱角性較多，表面積大，吸收了更多的水分，導致膠凝材料由于水分的缺少而顯得黏稠，流動性減小，而且由于棱角較多，加大了顆粒之間的摩擦，降低了彼此之間的滑動能力，最終導致尾砂膠砂流動性不如天然河砂和海砂。這與砂的圓度大小有直接的關(guān)系，圓度越大，棱角越少，流動性越好。
從圖4強度曲線圖可以看出，海砂制備膠砂抗折強度比河砂和尾砂小，主要是由于海砂顆粒渾圓，與水泥漿黏結(jié)力較小，抗折強度較差。而用尾砂制備膠砂的28 d抗折強度最高，主要是由于尾砂表面組織粗糙，與水泥漿黏結(jié)較好，使抗折強度增加。海砂和河砂制備膠砂的抗壓強度相差不大。
3 結(jié)論
(1)從細骨料粒級0.160——5.000 mm的顆粒圓度比較，機制砂圓度最小，其次是尾砂，河砂和海砂圓度較大且差異小。
(2)各細骨料粒徑>1.250 mm的顆粒圓度大于粒徑<1.250 mm的顆粒圓度，其中尾砂不同粒徑圓度差異最大。
(3)海砂與天然河砂表面組織相近，表現(xiàn)出顆粒圓滑，棱角少，表面較為平整的特征，但海砂表面帶有少量的溶蝕溝和溶蝕坑，而機制砂和尾砂棱角大，表面粗糙，有利于提高膠砂抗折強度。
參考文獻：
[1]徐定華，馮文元．混凝土材料實用指南[M]．北京：中國建材工業(yè)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]蔡基偉．石粉對機制砂混凝土性能的影響及機理研究[D]．武漢：武漢理工大學，2006：32—37．
[6]洪乃豐．震后反思“海砂屋”[J]．腐蝕與防護，2008，29(7)：426—428．
作者：溫喜廉1、2，歐陽東1，李建友2
(1．暨南大學力學與土木工程系，廣東廣州 510632；2．廣州市住宅建設(shè)發(fā)展有限公司，廣東廣州 510075)
編輯：金哲
