摘 要

我国基础建设领域对于混凝土需求巨大，然而天然砂资源已经接近枯竭，对机制砂的研究将会成为我国未来建筑领域的重要命题之一。本文提出一种量化表征机制砂粒型的方法，帮助从业人员从数学层面构建对于不同批次机制砂粒型的认知。

使用目前已有的数字图像处理方法，高效获取大批量机制砂颗粒的各项粒型参数，建立了一套基于量化粒型参数的机制砂粒型认知方法。首先通过三维参数确定颗粒具体形状，之后依次通过纵横度Rd了解颗粒的外表轮廓，通过轮廓因子FF了解颗粒的棱角及磨圆度，通过分型维度Fd了解颗粒的粗糙度。通过使用这种方法，可以准确地帮助工程技术人员通过量化概念建立起对该批次机制砂粒型地认知。

使用灰色关联分析帮助建立了机制砂粒型参数与砂浆性能之间的联系，发现砂浆强度和流动性受分形维数Fd影响最大，砂浆的屈服应力受纵横度Rd影响最大，塑性粘度的主要影响因素是轮廓因子FF。使用该方法可以帮助从业人员通过关注对应粒型参数对相应砂浆性能做出初步估算。提出并建立了一种新型粒型参数概念，并建立起其与砂浆强度及流动性的线性对应关系。

关键词：机制砂；粒型参数；定量表征

Abstract

Nowadays, though huge demand for concrete in the field of infrastructure construction remains, the resource of natural sands has gradually exhausted. In this paper, a quantitative method for characterizing the manufactured sand is proposed to help practitioners to construct their cognition of different batches of mechanical sand grains from a mathematical perspective.

Based on the existing digital image processing methods, a set of recognition methods for manufactured sand based on quantized grain parameters was established to efficiently obtain various grain type parameters of manufactured sand in large quantities. First, the specific shape of the particles was determined by three-dimensional parameters; then, the external contour of the particles was understood by the aspect Rd; the edges and roundness of the particles were understood by the contour factor FF; and the roughness of the particles was understood by the parting dimension Fd. By using this method, we can accurately help engineers and technicians to establish the cognition of the batch mechanism of sand mold through quantitative concept.

It is found that the strength and fluidity of the mortar are most affected by the fractal dimension Fd, the yield stress of the mortar is most affected by the aspect Rd, and the main influencing factor of the plastic viscosity is the contour factor FF. Using this method can guarantee practitioners a preliminary estimation of the corresponding mortar performance by focusing on the corresponding grain size parameters. A new concept of granule parameter is proposed and established, and its linear correspondence with the strength and fluidity of mortar is established.

Key words： Manufactured sand; Particle morphology parameters; Quantitative characterization

目录

摘要 I

Abstract II

目录 i

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究意义 3

1.2.1 国内研究现状 5

1.2.2 国外研究现状 6

1.3 研究概况 7

1.3.1 研究目标 7

1.3.2 研究内容 7

1.3.3 技术路线 7

第二章 实验材料与试验方法 9

2.1 原材料 9

2.1.1 水泥 9

2.1.2 机制砂 9

2.2 主要测试设备与方法 10

2.2.1 机制砂几何参数的获得 10

2.2.2 机制砂粒型参数的计算 13

2.2.3机制砂级配设计方法 15

2.2.4 水泥砂浆配制与成型方法 16

2.2.5 砂浆流动度测试方法 17

2.2.6 砂浆强度测试方法 17

2.2.7 砂浆流变性能测试 18

2.2.8 X射线衍射分析 19

2.2.9 灰色关联分析 19

第三章 机制砂粒型特性及其对水泥胶砂性能的影响 21

3.1 机制砂粒型参数分析 21

3.2 砂浆强度性能评价 24

3.2.1 砂浆抗折强度数据汇总 24

3.2.1 砂浆抗压强度数据汇总 25

3.2.3 砂浆抗压强度灰色关联分析 25

3.3 水泥胶砂流动性评价 28

3.4 水泥胶砂流变性能评价 30

第四章 粒型优化参数设计 32

第五章 结论与展望 34

5.1 结论 34

5.2 展望 34

致谢 36

参考文献 37

第一章 绪论

1.1 研究背景

混凝土被公认为是目前最常用的大宗建筑材料，在工用民用建筑及各项基础设施建设中必不可少。2018年，全国混凝土产量18亿立方米，同比增长12.4%，我国的混凝土使用量更是超过全球总用量的60%。同时，自2016年以来，混凝土价格持续上涨，但总体而言，混凝土价格涨跌的主要影响因素并不是需求的涨落，而是原材料价格的起伏。砂是水泥混凝土不可或缺的原料，约占材料体积的40%。近十年来，混凝土用砂的需求量一直居高不下，平均每年以不低于10%的速度增长，价格也是一路攀升。

河砂是混凝土生产过程中使用量最大也是最常用的细骨料，但在对河砂的不断开采的过程中出现了一系列的环境问题和许多经济问题。河砂是不可再生资源，存在着资源枯竭的危机。随着我国基础设施建设的日益发展，不少地区的河砂资源已近枯竭，不仅导致河砂价格暴涨甚至一度断供，也引发了一系列严重的环境问题。在长江中下游流域，河砂被过度开采，导致长江及支流河床整体下切，流域内各大湖泊水位下降。这一结果更是引发了河岸的稳定性下降，防洪及堤防工程毁坏，桥梁及沿岸建筑的安全受到威胁等问题。同时，河流生态和水源状态也会受到很大影响。这引发的一系列环境问题导致了许多地区和国家出台政策禁止河砂的使用。另一方面，基于当前河砂开采和使用的特点，混凝土企业使用河砂时往往需要进行跨地区甚至跨国运输，其在支付高额的运输费用时，也需要时间成本，造成企业运行层面的不便。因此，无论从环境保护方面还是使用成本方面来考虑，寻求河砂的替代物，已经成为了行业创新的新方向和必然。

机制砂可以在混凝土生产过程中用作细骨料，具有较强的环境效益，被视为河砂的可能替代物。机制砂是由机械破碎、筛分制成的，粒径＜4.75mm的岩石颗粒，可根据需求在各地工厂中通过破碎石料的方法生产。因此，相较于一次性开采的河砂，机制砂可以依靠采石业进行生产，不仅不会遭遇资源短缺的问题，在使用过程中对环境的影响也更小。同时，在许多大型建筑工程的土方工程及隧道工程中会产生大量的工程废石，如果在现场建设机制砂生产线，即可就地生产机制砂，将工业废物循环利用，达到充分利用资源的目的，具有很强的环境效益。我国的三峡大坝工程便大规模使用了机制砂来作为混凝土的细骨料，其二期、三期工程更是全部使用人工集料，使用总量达到3443.8万立方米。除此之外，机制砂的价格更低廉，不需要跨地域运输，整体使用成本也更低。目前，随着天然砂资源的枯竭以及运输成本的增加，机制砂已经出现在混凝土的细集料中，并开始应用到实际工程中^[1]。

鉴于实际应用情况，在国外，机制砂的研究及应用均起步较早，并且很早就开始了大规模应用。到20世纪末，在美国、日本、英国等发达国家的新建工程中，机制砂混凝土已经开始大批量使用，日本的机制砂混凝土使用率甚至一度高达50%。我国部分地区最早从上世纪六十年代便开始研究与规范机制砂及机制砂混凝土的使用。1973年，国家建委制定实施了《机制砂混凝土技术规程》。1978年，贵州省制定了《山砂混凝土技术规定》，之后，云南省也出台了涉及机制砂的地方标准规范《云南人工砂技术标准及应用规程》。20世纪九十年代以来，我国北京、天津、上海、湖北等省市相继建成了大量的机制砂生产线，同时，以机制砂代替天然砂配制的混凝土的研究也开始大量进行。机制砂混凝土开始出现在市面上并逐渐应用于各项交通及建筑工程。2001年2月1日，国家标准《建筑用砂》发布实施，其首次把机制砂纳入国家标准，并对机制砂的相关内容和使用规范做了定义，明确了机制砂用于配置各级混凝土的质量标准^[2]。

近年来，推广机制砂混凝土在工程中的应用已经成为了大势所趋，然而在这一过程中仍然有许多问题需要解决。

1.2 研究意义

我国已逐步将机制砂的应用方法和相关规范列入我国相关行业标准，但对机制砂的研究不及对以河砂为代表的天然砂研究的深入和系统，在机制砂的运用过程中，仍有许多问题需要解决。《建筑用砂》(GB/T14684-2011)中虽然规定了机制砂的定义，但是并没有明确规定细骨料的粒径等形貌形状，仅仅通过测试砂的细度模数、含泥量、压碎指标、表观密度、筛余量等无法反映骨料颗粒的形貌，智能大致确定骨料的级配和粗细程度。同时，机制砂的粒型较为不规则，粗糙度较大且表面形貌较为复杂，其所配置的混凝土要比天然砂混凝土的和异性差一些，流动性和坍落度也有一定程度上的差别。硬化后的机制砂混凝土的机制砂-凝胶界面机械咬合程度强度高。^[3]这导致许多天然砂混凝土方面的标准和使用方法无法运用到机制砂中，研究人员需要针对机制砂研究新型的使用方法。

机制砂是通过制砂机等加工设备或工艺经粉碎、筛分等环节生产的，其颗粒种片状及棱角较多，而且矿石不同部位的风化程度不同。因此，机制砂岩相种类繁多，各不相同，且颗粒级配偏近I区、中间粒径颗粒较少同时颗粒孔隙率大、形状不圆滑、石粉或者泥粉含量较高等特点，在实际施工中，若是使用天然级配，则会出现减水剂用量大、新拌混凝土较难施工、硬化混凝土强度较低等工程缺陷。行业内对机制砂的关键性能指标没有充分的了解，导致产品质量差，工程应用效果不好。^[4]因此，机制砂在使用时必须重新筛分并调整级配，然而这一过程并没有标准可依，很多情况下需要现场实验，这也给机制砂混凝土的使用增加了许多困难。

同时，工程技术人员往往对于机制砂混凝土存在认识上的不足。目前我国的机制砂生产基本也处于小规模零星生产的阶段，生产技术水平不高，产品总体质量良莠不齐。而更关键的问题则是，相比于河砂完备的级配及应用方案，机制砂在混凝土中的应用没有一个统一的标准可依。^[5]虽然有许多机制砂混凝土在工程上的施工案例，但都没有系统化、理论化的解决方案，导致实际工程上使用机制砂时出现配置方法混乱，没有标准可依的局面。在配置机制砂混凝土的过程中，往往需要许多现场实验来确定合理的使用方案。由于机制砂的生产原料的不同、生产方式的不同、生产设备的不同，成品机制砂也不尽相同。若是使用了不同批次、不同来源的机制砂，那就得针对每一批次机制砂重新做实验，并调整级配和石粉掺量，十分不便。因此，为了良好而合理地运用机制砂，制定统一的机制砂的使用标准十分必要。

在混凝土设计中，细骨料的粒型对于砂浆及混凝土本身的性质都有着很大的影响^[6]。使用不同粒型的细骨料会很大程度上影响所配置成的砂浆的流变性能和强度性能，从而进一步影响机制砂混凝土整体的强度和耐用性^[7]。在实际生产中，为了配置强度合适、性能良好的混凝土，往往需要根据不同粒型的细骨料选择不同的级配方案，目前，在机制砂混凝土领域，缺乏将机制砂的粒型与级配方案相联系的研究^[8]，在生产中，也缺乏能够依据的标准与规范。同时，在实际生产过程中，工程人员对于机制砂粒型的判断往往基于自身经验，缺乏统一的标准，不同人员对于机制砂品质的把控标准不同，对于机制砂混凝土的级配方法的选择也不同，导致产品质量良莠不齐，引发工程上的一系列问题。为了解决这些问题，将工程技术人员对机制砂经验化的判断转变成量化的参数被认为是十分必要的。

在现有的颗粒表征体系下，颗粒的主要特征是粒度(用于粒度测量)和颗粒形状(形貌)。粉体的工艺性能(容重、流动性、比表面积等)及其潜在的应用领域取决于这些特性。^[9]粒型参数是反映颗粒形状的重要量化指标，通过定义和计算特定参数值的大小，来直观地用数据表现颗粒的圆度、长宽比等特性，其包含了平面参数、三维参数以及体参数等众多概念。一般来说，在试图用量化的数据表示具有一定数量的一批颗粒的粒型时，有两种常用的粒型参数的分类来描述定义粒子的外部形态：1. 形状参数；2. 球度与圆度。

形状参数是由Wentworth在1922年提出并定义的。通过测量粒子的长度、宽度及厚度（高度）以最终得到便于使用与理解的形状参数。^[10]其中，在一个颗粒中，长度(L)是最长的维度，宽度(I)是垂直于L的最长维度，厚度(S)是垂直于L和I的最长维度。Zingg则在1935年提出将其两两相比的值用于实际测定，他分别定义了 (1)扁平度p (Flatness Ratio)，为颗粒厚度(S)与宽度(I)之比，也可以理解为最短维度与中间维度之比；(2)伸长率q (Elongation ratio)，为颗粒的宽度(I)与长度(L)之比。将这两种比值置于二元图上表示，并以0.66的比率值来区分不同的区域，可以最终得到四个形状类别：圆盘、立方、片、直杆。在此基础上，形状因子(F)也发展而来，其定义是颗粒伸长率q与扁平度p的比值，当形状因子F等于1时，则为圆形或立方形状的粒子。小于1，粒子就会变得细长。叶片状材料的形状因子大于1。

图1.1 形状因子

球形度是衡量物体形状接近数学上完美球体的程度的度量，指的是颗粒的形状与球体相似的程度。而在实际工程测算中，由于测试方法及测试规模的需要，往往选取颗粒在二维平面上的投影形状来表示颗粒与球体的相似度^[11]。1927年，Cox发明了一种从粒子的投射轮廓来估算粒子球度的方式，即通过测算颗粒在二维平面上投影的圆度来表示。通过把粒子的图像面积和一个拥有相同周长的圆的面积相比，得到圆度数值。圆度值越接近1表示颗粒投影越接近圆形，颗粒棱角越圆滑，而圆度值越大，则颗粒棱角越多越尖锐。同时，也有其他许多不同的方法来量化地表现颗粒与球体的相似程度，如使用颗粒投影最大内切圆和最小外切圆半径之比来表示圆度的内切圆度，然而，在计算具有一定数量的颗粒总体时，考虑到测定方式和时间，往往采用颗粒在二维平面的投影形状来估算球形度^[12]。

通过引入粒型参数的概念，可以将不同批次机制砂的粒型定量化，并将其数据与所配置砂浆的各项性能相联系，发现其间的对应关系。因此，如何高效而快速地获取不同批次机制砂的粒型参数便是十分重要的。目前，获取粒型参数的主要方法是图像识别法，即获得每一个颗粒在不同平面投影的照片，并对其进行处理，以得到每一个颗粒的粒型参数。在获得了这一系列的粒型参数后，经过统计学处理，便可以得到这一批次机制砂的整体粒型参数。

本文研究针对不同批次机制砂的整体粒型的测试方法，选择适合机制砂混凝土生产特点的合理定量表征方法，研究机制砂粒型参数与其性能参数的量化数学联系。基于已有的数字图像处理工具，运用不同统计学分析方法及不同的数学分析模型，系统地研究机制砂粒型参数的定量表征及其与所配置的砂浆及混凝土强度的数学关系，分析国内外现行机制砂粒型的评析方法，并最终提出合理的机制砂定量表征方法与相关评价标准及在工业生产领域的适用范围。

综上所述，通过制定统一的测试方法以确定颗粒的粒型参数，协助制定行业内判断机制砂粒型的量化标准，从而按选取的粒型参数对不同批次的机制砂进行统一分类、统一使用是十分必要的。在此基础上，寻找一个或多个粒型参数与砂浆及机制砂混凝土性能的联系，可以帮助制定行业内对于使用机制砂配置指定强度混凝土的相关规范和方法，并最终达到制定系统化的机制砂混凝土的行业规范，从而达到推广机制砂混凝土的目的。这对于解决天然砂资源短缺，缓解天然砂开采带来的一系列经济环境问题具有一定参考作用，对于提倡机制砂混凝土行业数字化、标准化的发展，提高我国新材料的研发应用能力，解决我国资源问题，支持基础及民用建筑行业的发展，响应国家对环境保护、发展循环经济的号召有深远的意义。

1.2.1 国内研究现状

国内的研究主要集中在机制砂混凝土的设计方面。沈卫国^[13]指出在微观尺度上，由于机制砂表面主要由非常光滑的新破碎晶体制成，其表面粗糙度低于河砂。李北星^[14]报道了混凝土的强度与细骨料颗粒的表面形态显著相关。王钰杰^[15]等人报道河砂颗粒形状接近球形，当混凝土用相同量的水泥制备时，机制砂混凝土需水量较高，空气含量较低，强度高于河砂混凝土。廖太昌^[16]提出用机制砂、特细砂优化组合成级配良好的中砂配制泵送混凝土，解决了单独用机制砂配制低标号泵送混凝土结构内实外不美的缺陷。肖保怀^[17]利用矿渣微粉和机制砂共同配制C50-C80的高性能混凝土，其中对其配制配合比方法做了研究，另外通过用20%、40%的机制砂代替部分河砂配制混凝土，发现其抗压强度、劈裂抗拉强度和断裂能均比河砂混凝土的要高。董瑞^[18]等通过DS-5M图像分析系统，并且利用图像处理软件，从宏观及微观的角度对石灰石性机制砂及其石粉的基本特性进行了研究，实验结果表明，机制砂的圆度系数在1.2-1.6之间，表面的线、面粗糙度比天然砂的要高；曾晓辉^[19]等使用相机拍摄，运用体式显微镜及DIP技术发现机制砂的圆度和轴向系数的分布满足正态分布。

1.2.2 国外研究现状

国外近年来对机制砂的研究主要针对机制砂粒形特性方面。MuratOzen^[20]从三维的试验角度，试图建立颗粒特性参数与筛孔尺寸之间的关系，他指出，在选用标准筛孔尺寸的情况下，等效椭圆长轴表征机制砂粒形的效果是最好的，在选用对角线尺寸的情况下，最大粒径表征机制砂粒形的效果最好。Barret等^[21]人研究了圆球度、形状因子描述颗粒的形状的可行性，发现当机制砂粒在三个轴向的尺寸非常接近时，可被看做近似球体。Kwan^[22]指出，由于粒形的轮廓不同，筛分法只能湖量出集料单个方向的长度，集料整体尺寸还有一定误差。Khatib^[23]发现对于集料的形貌特征，采用圆度、分形维数和粗糙度等是效果较好的表征参数，目前针对砂的粗细及级配采用的筛分方法只能对骨料的一个方向进行测量，由于机制砂形状不规则，所测量的尺寸会出现较大的偏差：Altuhafi^]等^[24提出了一种新的方法，通过这种新方法获取机制砂粒二值图像，并将这些图像进行处理，随后用于多种不同机制砂的粒形参数数据采集；Gktepe等^[25]对不同种砂样的圆度、球度和分形维数进行测量试验，得出了形貌特征和相对密实度的关系。Cepuntis等^[26]在试验中发现，0.125mm-2.000mm粒级机制砂的形貌对拌和混凝土的工作性能和力学性能起主导作用；Graham等研究发现，使用圆度、粗糙度、轴向系数等参数来描述骨料能够有效地对粗骨料进行性状综述；Fernlund^[27]运用3D图像分析方法对粗骨料的长轴、中轴和短轴的轴向长度进行分析，相比传统的测试方法更加精确；James^[28]等选用6种不同粒径的砂样，测试了相应砂样的分形维数，试验结果表明砂样的分形维数均在1.038至1.051之间，且随着砂粒轮廓越来越复杂，分形维数也越来越高。

同时，也有许多研究报道了机制砂的粒型对于混凝土级配中各项参数的影响。Dilek^[29]报道，机制砂的颗粒角度和砂级的细度影响了砂浆的需水量。Coo和Pheeraphan^[30]指出，随着砂含量的增加，预埋骨料混凝土的机械强度也增加，而粗骨料级配对预埋骨料混凝土的机械强度没有显着影响。Celik^[31]研究发现，在不改变粗骨料和细骨料比例的情况下，随着石粉含量的增加，骨料的比表面积将增加，混凝土的需水量将增加。