編者按

利用緊密堆積理論優(yōu)化的配合比設(shè)計(jì)方法為當(dāng)下混凝土配合比設(shè)計(jì)的主流方法，但是其缺陷在于忽略了骨料粒形因素對(duì)骨料堆積性能帶來的影響?，F(xiàn)有的緊密堆積理論大多將骨料假設(shè)為球體，在骨料特征方面僅僅考慮了骨料粒徑這一因素；而球形骨料假設(shè)在當(dāng)下機(jī)制骨料大規(guī)模應(yīng)用的現(xiàn)狀中已不再適用。因此本文對(duì)現(xiàn)有的骨料粒形表征方法以及骨料粒形對(duì)骨料堆積性能的影響效果進(jìn)行了總結(jié)。

引言

骨料體積在混凝土拌合物總體積中的占比約為60%-80%，盡管如此，骨料在混凝土拌合物中起到的作用還是常常被忽略，很長一段時(shí)間以來，人們習(xí)慣于僅僅將骨料作為一種填充物來看待。然而，為了配制出性能令人滿意的混凝土，必須對(duì)其中的所有組分，包括骨料，進(jìn)行詳盡的研究。隨著研究的進(jìn)展，科研人員發(fā)現(xiàn)骨料在混凝土拌合物體系中起到的作用絕對(duì)不僅僅是單純的填料，事實(shí)上，骨料控制著混凝土的體積穩(wěn)定性，也可能會(huì)影響到與水分得失有關(guān)各種變形。此外，骨料對(duì)混凝土強(qiáng)度有重要影響，因?yàn)樗鼮榛炷敛牧咸峁┝藙偠龋瑥亩嵘嘶炷敛牧鲜艿酵饧虞d荷所時(shí)抵抗形變的能力。

骨料的特征在絕大多數(shù)工程領(lǐng)域中都扮演著非常重要的角色，且因其在混凝土中所占比例較大，若熟練掌握混凝土中使用的骨料形狀特征(如顆粒尺寸、形狀和表觀紋理)，并在使用前進(jìn)行很好地把控，不但可以增加工程產(chǎn)品的壽命，而且可以節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本。

目前的緊密堆積理論在骨料粒形上大多將顆粒骨料假設(shè)為球體，但是由于近年來大規(guī)模開采天然砂所帶來的一系列問題，機(jī)制砂作為天然砂的替代材料開始逐漸為人們所知曉，然而由于其本身的性質(zhì)及其制作工藝的影響，導(dǎo)致機(jī)制砂相較于天然砂存在較多的棱角^[1]。因此球形骨料假設(shè)已不再適用于機(jī)制骨料在實(shí)際工程中大規(guī)模使用的現(xiàn)狀；對(duì)骨料粒形表征方法以及骨料粒形對(duì)骨料堆積性能的影響效果的研究勢在必行。

本文結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)資料，對(duì)現(xiàn)有的骨料粒形表征方法以及骨料粒形對(duì)骨料堆積性能的影響效果進(jìn)行了總結(jié)。

1.骨料粒形的表征方法

在過去幾十年中，使用篩分儀器對(duì)骨料進(jìn)行篩分一直是用于測定骨料粒徑的主要方法，然而此種方法僅僅只能表征該批次骨料樣品的大致尺寸分布，不能精確反應(yīng)骨料的具體形狀，其篩分結(jié)果與骨料粒形僅有一定程度的關(guān)聯(lián)性。

基于此，如何科學(xué)準(zhǔn)確的表征骨料粒形成為了各國相關(guān)科研工作者共同關(guān)心的話題。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，圖像處理技術(shù)(DIP)手段成為了國內(nèi)外科研工作者獲取骨料粒形特征的主要手段^[2-7]。胡江萍^[8]使用DIP技術(shù)對(duì)碎石顆粒樣品的輪廓形狀信息進(jìn)行了采集，然后結(jié)合了傅里葉分析法和體視學(xué)理論對(duì)其進(jìn)行計(jì)算和分析。研究結(jié)果表明，利用這種方法可以采集到評(píng)價(jià)碎石顆粒形狀的一些參數(shù)，即形狀參數(shù)、縱橫比和粗糙度等。Mora等人^[9]利用DIP技術(shù)主要分析了混合料中含有的針片狀骨料顆粒，同時(shí)通過該技術(shù)采集顆粒樣品的二維圖像信息，分析并量化了樣品顆粒的三維形狀特性，結(jié)果表明，顆粒形狀通過數(shù)學(xué)圖像處理技術(shù)量化指標(biāo)與人工測試結(jié)果一致。

圖1. DIP法采樣結(jié)果^[4]

DIP技術(shù)的一大缺陷在于僅能用于表征二維形狀，然而骨料毫無疑問是三維物體，基于此，Bangaru等人^[10]利用快速傅里葉變換將骨料的二維輪廓分解為若干不同頻率的正弦波。低、中、高頻波分別決定了骨料的形態(tài)、棱角和結(jié)構(gòu)；Zhou等人^[11]使用了激光掃描技術(shù)和空間隨機(jī)切割技術(shù)，建立了包含1568個(gè)二維顆粒的實(shí)際骨料數(shù)據(jù)庫；Huan^[12]等人、Sluys等人^[13]及Ali等人^[14]在他們的研究中同時(shí)使用了2D和3D圖像技術(shù)來表征不同粒徑骨料的粒形。Lin^[15]在使用上述技術(shù)表征粒形的同時(shí)研究了骨料堆積過程中的壁效應(yīng)。Mora和Kwan等人提出了獲取第三尺寸的理論，即假設(shè)骨料來自同一區(qū)域，同一來源，其顆粒的粒形特征相同^[16]，即可以對(duì)來自同一地區(qū)的骨料測定其平均厚度，來評(píng)估來自同一區(qū)域相同來源骨料的厚度。而Ren^[17]在他的研究中，采用了測量隨機(jī)顆粒截面的方法來減少三維固體顆粒評(píng)價(jià)中的主觀性和偏差性。

圖2. 激光掃描法建模結(jié)果^[11]

總體而言，現(xiàn)有的骨料粒形表征方法，無論是DIP法還是激光掃描建模法，都存在這不足。對(duì)DIP法而言，使用二維圖像分析三維物體的形貌本身就存在著一定的誤差。對(duì)于激光掃描建模法等從三維方向表征骨料粒形的方法，雖然精度有所提高，但是所建立的骨料庫素材存在數(shù)量上的不足。并且二者的共同點(diǎn)在于偏重于對(duì)單一骨料的粒形進(jìn)行精確表征，實(shí)用性存在不足，難以在實(shí)際應(yīng)用中大規(guī)模推廣。

2.骨料粒形對(duì)骨料堆積的影響效果

（1）緊密堆積理論模型

理想曲線法是一種使骨料體系達(dá)到緊密堆積狀態(tài)的方法，其原理在于通過設(shè)計(jì)出理想的顆粒粒度分布曲線，使得體系達(dá)到最緊密堆積狀態(tài)。如Fuller和Thompson 在1907年所提出的Fuller曲線^[18]，及Andreasen 和Andersen在1930年提出的A-A曲線^[19]。Fuller和Thompson于1907年首先提出了為混凝土骨料繪制理想粒度分布曲線的想法，支撐這種想法的概念在于減少骨料堆積中的間隙率，因?yàn)樵趩挝挥盟恳欢ǖ那闆r下，填料含量較高的混凝土拌合物需要更多的水作為顆粒之間的潤滑劑而存在。Fuller曲線適用于粒徑250μm最大骨料粒徑，因此可以看出該曲線并不適用于自密實(shí)混凝土(SCC)以及高強(qiáng)混凝土(HSC)?；诖耍珹-A曲線比Fuller曲線更加泛用；A-A曲線通過公式(1)推出。

                     （1）

其中，P(D)是可以通過孔徑為D的篩子的顆粒分?jǐn)?shù)，骨料的最大粒徑為Dmax，參數(shù)q取值范圍為0到1。根據(jù)Andreasen和Andersen的研究，在q值為0.37 將實(shí)現(xiàn)骨料的最緊密堆積，而在使用Fuller曲線時(shí)，將在q=0.5時(shí)達(dá)到最緊密堆積。

A-A曲線后來被Funk和Dinger修改，在模型中引入了混凝土拌合物中的最小顆粒尺寸(Dmin)^[20]。修正的A-A曲線可以基于公式（2）計(jì)算。

                   （2)   

其中q值大多通過經(jīng)驗(yàn)或者骨料類型/制造方式(人工骨料/天然骨料)的定性經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行確定，并無業(yè)內(nèi)公認(rèn)的確定q值的方法或標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

Dinger和Funk還對(duì)連續(xù)體系的顆粒堆積進(jìn)行了二維(圓環(huán))和三維(球體)的計(jì)算機(jī)模擬，提出在三維情況下，連續(xù)分布球體的分布模數(shù)(q)為0.37時(shí)，出現(xiàn)最緊密堆積。而在二維情況下，連續(xù)分布圓環(huán)在分布模數(shù)(q)為0.56時(shí)出現(xiàn)最緊密排列^[21,22]。

雖然理想粒度分布曲線相對(duì)簡單且實(shí)用，但它們沒有考慮顆粒之間的相互作用以及影響填料的其他因素，例如骨料顆粒的形狀以及表面紋理等。

（2）骨料粒形對(duì)堆積性能的影響

在骨料方面的研究成果表明，骨料的粒形對(duì)其堆積形式有較大的影響。Kusumawardani^[23]在他的研究中發(fā)現(xiàn)，骨料的粒形特征與骨料堆積結(jié)構(gòu)具有顯著相關(guān)性，其中形狀因子與骨料堆積參數(shù)具有二次相關(guān)性。但是可用于建模的數(shù)據(jù)有限，但無法很好地確定骨料的建議球形度和形狀系數(shù)范圍。在瀝青混合料方面，相關(guān)研究結(jié)果認(rèn)為，瀝青混合料中骨料的骨架結(jié)構(gòu)（即堆積方式）是決定瀝青混凝土載荷傳遞路徑的重要路徑，而骨料的骨架結(jié)構(gòu)主要受到骨料形態(tài)，級(jí)配和壓實(shí)方式的影響^[24-27]。

在Wang^[28]等人的研究中，對(duì)粗骨料表面進(jìn)行了拋光處理，以獲得不同表面形貌的粗骨料，并以圓形度的變化來表征拋光處理前后骨料粒形變化情況，兩種不同粒徑的粗骨料在經(jīng)研磨后，其圓形度均出現(xiàn)一定程度的下降，其中粒徑較小的骨料圓形度變化更加明顯；在隨后進(jìn)行的力學(xué)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果證實(shí)，未經(jīng)研磨的骨料所制成的瀝青混合物在短期和長期的力學(xué)性能表現(xiàn)優(yōu)于研磨之后的骨料，表明瀝青混合料的短期和長期力學(xué)性能受骨料接觸特性的顯著影響。

在骨料堆積體系中，骨料顆粒的形狀決定了骨架結(jié)構(gòu)的堆積， Hafiz^[29]等人制備了三種不同骨料形態(tài)和強(qiáng)度的瀝青混合料，并使用基于DIP的iPAS軟件(圖像處理分析系統(tǒng))來評(píng)估骨架結(jié)構(gòu)，包括骨料的接觸特性、取向和分布，發(fā)現(xiàn)了瀝青混合料的骨架穩(wěn)定性受到形狀參數(shù)的顯著影響，包括骨料棱角性?；◢弾r具有更棱角分明的形狀，并在骨料顆粒之間形成極好的互鎖，從而使瀝青混合料具有較好的力學(xué)性能。

總體而言，骨料粒形對(duì)骨料的堆積性能存在影響，這種影響目前通過混凝土和瀝青混合物的工作性和力學(xué)性能的差異予以呈現(xiàn)。但是骨料粒形對(duì)骨料堆積性能的影響規(guī)律尚需進(jìn)一步研究。

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