第2章 机制砂的性能

2.1 形貌特征

如前所述，机制砂（machine-madesand）是由机械破碎、筛分制成的，粒径小于

4.75mm（公称粒径小于5.00mm）的岩石颗粒。天然砂（naturalsand）是由自然条件作

用形成的，粒径小于4.75mm（公称粒径小于5.00mm）的岩石颗粒。由于形成方式不同，相对于天然砂来说，机制砂具有其自身的特点，如外形富有棱角、表面粗糙、界面新鲜、质地坚硬、不含泥或含泥量很小但石粉含量较大等。

机制砂的颗粒形貌特征（particlefeatureofmachine-madesand）包括粒形和表面粗

糙程度。粒形（particleshape）对砂的堆积密度有着显著影响，一般来说，颗粒越接近球形，或者球形颗粒含量越多，堆积密度越大。表面粗糙程度（surfaceroughness）越高，颗粒与硬化水泥石的机械啮合力就越大。

《公路工程骨料试验规程》（JTJ058—2000、JTGE42—2005）规定了两种细骨料棱角性（FineAggregateAngularity，FAA）试验方法^[1，2]：①标准的流动时间法，通过测

定一定体积的细骨料全部通过标准漏斗所需要的流动时间，来评定细骨料颗粒的表面构造和粗糙度；流动时间越长，意味着颗粒表面构造越粗糙；②简便的间隙率法，通过测定一

定量的细骨料通过标准漏斗、装入标准容器中的间隙率，来评定细骨料颗粒的棱角性；间隙率越大，意味着细骨料有较大的内摩擦角，球形颗粒少，颗粒的表面构造粗糙。

研究表明^[3，4]，机制砂的粒形可以用棱角性指数、长宽比和丰满比等3个参数表征。砂颗粒的二维投影面积和凸起边界连线后的面积如图2.1所示，棱角性

指数（angularityindex）为颗粒图像中各突出点到该

图2.1 砂颗粒投影面积和凸起面积

颗粒图像中心距离的平均值与颗粒最大内切圆半径的比值，是对颗粒凸起棱角尖锐程度的度量；圆的棱角性指数为1.0，非圆形颗粒的棱角性指数大于1.0；

Fig.2.1 Projectiveandconvex

areasofsandparticle

棱角性指数越大，表明颗粒越不规则。长宽比（length-to-widthratio）为颗粒图像最大长度与最大宽度的比值，是对颗粒针棒状程度的度量；长宽比越大，说明颗粒的针棒状特征越明显。丰满比（fullnessratio）为颗粒投影面积与凸起面积比值的平方根，是对颗粒外形圆滑程度的度量，其对立面表征的是颗粒轮廓凹入程度，颗粒的丰满比越小，说明颗粒表面凹入越多，凹入和开口空隙的体积越大，颗粒间的机械啮合力就越大。

制砂工艺设备对机制砂的粒形影响显著（表2.1）。当机制砂母岩为石灰岩时，采用颚式、圆锥式、棒磨式破碎设备，可依次使机制砂的棱角性指数和长宽比减小，丰满比增大，流动时间缩短，从而使机制砂颗粒的粒形趋于球形且表面粗糙度降低。锤击式破碎花岗岩生产的机制砂，其粒形较为方正，可能主要受岩石的脆性影响。可以明显看出，天然砂的粒形指标更接近于球形，因其圆润而表面光滑，流动时间也最短。

表2.1

机制砂和天然砂的形貌特征参数测试结果

Table2.1 Testresultsofparticlefeatureparametersofmachine-madesandandnaturalsand

当机制砂经过除粉并按2区中值（见表2.2）调整级配以后，砂样的形貌特征参数（棱角性指数、长宽比和丰满比）与砂的空隙率有很强的相关性，且棱角性指数与空隙率和粗糙度值更是高度相关。而当采用原状砂作为对比时，其相关系数就相差很大，且规律性不明显。因此，空隙率和粗糙度不能完全反映机制砂的粒形，需要考虑机制砂中石粉与级配的影响，但可以考虑采用调整级配的机制砂或单粒径的机制砂来评价机制砂的粒形。