为研究机制砂颗粒形状对砂浆流变性能的影响，使用数字图像处理技术（DIP）对砂颗粒形状进行了定量表征，设计试验测量了砂浆流变曲线并计算了砂浆屈服应力与表观黏度。结果表明，机制砂的长宽比（E）、宽高比（F）比天然河砂分别大14%、18%，说明机制砂棒状和片状程度高于天然河砂；砂浆流变曲线反映出砂颗粒形状不规则会导致砂浆流动阻力增大，在高体积分数下更为显著；根据Chateau模型拟合40%体积分数机制砂砂浆屈服应力是天然河砂的1.5倍；砂浆表观黏度分析发现，机制砂砂浆表观黏度大于天然河砂，在低剪切速率下尤其明显。
砂是混凝土的重要原材料之一，约占混凝土总体积的30%，其品质与用量对新拌混凝土和硬化混凝土都有重要影响。目前，优质的天然河砂资源在我国已不能满足工程建设的需要，机制砂作为替代资源被广泛使用。因此，研究机制砂对混凝土性能的影响及调控成为机制砂资源应用的关键问题。
机制砂在混凝土中的应用已成为研究热点，针对机制砂的物理特性，主要聚焦在石粉、级配和颗粒形状对混凝土性能的影响。研究发现，石粉对混凝土工作性、力学性能和耐久性能都有影响。石粉含量对混凝土工作性影响存在临界掺量，适当的石粉掺量可以有效提高混凝土力学性能并改善其耐久性能。级配是机制砂品质指标之一，研究发现机制砂级配影响混凝土的工作性，经级配调整后的机制砂，可配制出工作性优于天然砂的混凝土。机制砂颗粒形状不规则这一结论被广泛认同，但是大多基于肉眼观察的感性判断，对其颗粒形状的量化表征不足。文献研究指出了机制砂颗粒形状对混凝土工作性和力学性能的多种影响，一般来说，机制砂颗粒形貌影响混凝土工作性。已有研究中仅是将颗粒形状作为解释混凝土性能变化的原因之一，通过试验直接证明砂颗粒形状对混凝土性能的影响。
本文通过数字图像处理（DIP）方法评价砂颗粒形状，设计以颗粒形状为单变量的单粒径砂浆流变试验，探究砂颗粒形状对砂浆流动阻力、屈服应力和表观黏度的影响，结合Chateau模型定量揭示砂颗粒形状对砂浆屈服应力的影响，定性比较砂颗粒形状对砂浆表观黏度的影响规律，以期为机制砂混凝土材料设计提供参考。
砂：一种天然河砂（RS）和三种机制砂（MS1、 MS2、MS3），本研究中为排除石粉和级配对砂浆流变性能的影响，筛分得到四种砂中1.18~2.36 mm粒径范围的单粒径砂进行流变试验，其外貌见图1。
使用DIP方法按图2所示对砂长（L）、宽（W）和厚（T）进行测量，并按公式（1）和（2）计算出砂长宽比（E）和宽高比（F）来描述砂颗粒形状。
式中：E描述颗粒针棒状程度；F描述颗粒扁平状程度。将轴径比定义为(E+F)以描述颗粒三维形状，轴径比越小，说明颗粒长宽比和宽高比之和越小，颗粒形状越规则。
使用BROOKFIELD公司生产的RST-SST型流变仪进行砂浆流变性能的测量，流变测试制度见图3。测试用砂浆配合比见表2。
基于DIP方法对本研究所用砂进888集团官网入口行颗粒形貌表征，结果见图4。以图4（a）为例，颗粒A的E为2.11，F为2.61；但是对砂这种颗粒形状不均一的颗粒材料而言，单个颗粒的形状不能代表其整体形状，即A颗粒不能代表RS的整体形状，否则会引起随机性误差，这一点从RS的轴径比标准差（E-SD和F-SD）也可以证明。因此，本研究中对每一类砂进行大样本的颗粒形状测量，选取其平均值作为砂整体形状表征的结果，如RS的E平均值（E-AVG）为1.24，F平均值（F-AVG）为1.25，如此评价砂颗粒形状的结果有统计意义。
从图4中可发现，RS的长宽比要小于MS2和MS3，与MS1几乎相等，这说明RS颗粒的最大轴径与中等轴径相差较小，即RS颗粒的棒状颗粒少，狭长度小，而MS颗粒大多数为狭长棒状，且MS3颗粒的狭长度最大为1.41，棒状程度最高；对比各类砂的F发现，RS的宽高比要小于各MS，这说明RS颗粒的中等轴径与最小轴径相差最小，即RS颗粒的片状颗粒最少，扁平度最小，而MS颗粒大多数呈现出偏平片状，且MS2的扁平度最大为1.47，片状程度最高。因此，相比于天然砂，机制砂通常形状不规则，其狭长度与扁平度较大，颗粒多为棒状、片状，这与已有研究结果基本一致。这是因为天然河砂颗粒长期受水流冲刷打磨，其颗粒边缘的尖锐突起被磨蚀，呈现出光滑的类似球体颗粒形状，而直接机械破碎制得的机制砂颗粒缺少这一长期的打磨整形过程，所以呈现为棒状与片状的不规则形状。
选取砂体积分数为10%、20%和35%的砂浆流变曲线），对砂浆剪切应力进行分析。图5（a）为10%体积分数砂浆的流变曲线时，同比净浆cp（体积分数为0）剪切应力大于RS。文献中也发现了类似的结论：当体积分数小于15%时，0~0.315 mm颗粒的砂浆屈服应力小于净浆。这是因为砂浆中砂颗粒的存在会打破水泥浆体的絮凝结构，降低水泥颗粒之间的相互作用力，从而降低砂浆剪切应力，当砂体积分数在10%以下时，这种因砂颗粒打破絮凝结构造成的剪切应力下降效应大于净浆与砂颗粒相互作用造成的剪切应力上升效应。当砂体积分数大于10%时，这种因砂颗粒打破絮凝结构造成的剪切应力下降效应小于因砂颗粒存在使净浆的增稠效应，则砂浆剪切应力大于净浆，如图5（b）、图5（c）所示。综合上述试验结果与文献资料，可以解释试验中的低体积分数、低剪切速率下砂浆剪切应力小于净浆的现象：低体积分数、低剪切速率下，砂浆中砂颗粒的存在使得水泥絮凝结构破坏，造成剪切应力下降的效应占主导地位，从而出现砂浆剪切应力小于净浆的现象；高体积分数时，砂颗粒之间的相互作用（摩擦、碰撞）使砂浆在剪切运动时阻力增大，此时这种因颗粒间相互作用造成砂浆剪切应力增大的效应占主导地位，从而使砂浆剪切应力大于净浆；对于高剪切速率，水泥净浆的絮凝结构已经被快速剪切运动所破坏，此时砂颗粒就不会再破坏其絮凝结构导致剪切应力下降，同时砂颗粒摩擦与碰撞产生的阻力依然在砂浆中存在，从而出现高剪切速率下任何体积分数的砂浆剪切应力都大于净浆的现象。
本研究中砂体积分数大于10%的砂浆流变曲线%体积分数砂浆作为中等体积分数和大体积分数砂浆的代表进行分析。由图5可以发现，在同一剪切速率下，砂浆剪切应力都大于净浆，这进一步验证了上面的讨论；除MS1砂浆外，砂浆剪切应力随颗粒形貌不规则化而增大，即RSMS2MS3。于是可以总结得到，砂颗粒形状越规则，剪切应力越小，也就是说砂浆的流动阻力随砂颗粒形状的规则化而减小。对于MS1轴径比与其剪切应力不一致的情况，笔者认为出现这一现象的原因是MS1颗粒尺寸略小，不能直接与RS、MS2和MS3比较剪切应力。通过Retsch Technology公司生产的CAMSIZER X2颗粒尺寸测量设备对颗粒尺寸进行测量，发现MS1的颗粒宽度（xc）为1.41 mm，而RS、MS2和MS3的xc分别为1.51 mm、1.51 mm和1.53 mm，筛孔尺寸范围为1.18~2.36 mm，不能区分出MS1尺寸较小。有研究[29]发现砂尺寸越小，砂浆流动阻力越大。对于混凝土而言，可以得到推论：砂颗粒形貌不规则，会导致混凝土流动阻力增大，工作性下降，这与已有研究[18]结果基本一致：机制砂不规则的颗粒形状，造成混凝土坍落度下降，工作性劣化。
砂浆屈服应力及其Chatuae模型拟合结果见图6，可以发现当砂体积分数为15%时，各组砂浆屈服应力几乎相同，不受砂颗粒形状的影响；当体积分数达到20%时，颗粒形状不规则会增大砂浆屈服应力，这与已有研究结果基本一致，且这种增大效应随砂体积分数的增大而愈加显著。为合理地分析结果，本研究中使用Chateau模型对砂浆屈服应力进行分析，模型拟合结果如图6中实线所示。由图可以发现，在同一体积分数下，MS3砂浆的屈服应力明显大于MS2和RS砂浆，这说明颗粒形状不规则的砂，会导致砂浆屈服应力提高。同时可以发现，当砂体积分数为15%时，MS3砂浆的屈服应力比MS2和RS砂浆略大，当砂体积分数为40%时，MS3砂浆屈服应力约是RS砂浆的1.5倍，这说明砂颗粒形状对屈服应力的影响效应随着体积分数的增大而增大。Chateau模型定量刻画了砂颗粒形状对砂浆屈服应力的影响，将颗粒形貌对砂浆屈服应力的影响从定性描述推进到定量描述，为机制砂混凝土配合比设计提供有效依据。
砂浆表观黏度分析如图7所示。由图7可以发现，砂浆表观黏度随剪切速率的增大而减小，这是因为高剪切速率下，水泥絮凝结构被打破，水泥颗粒之间相互作用力减弱，从而使得砂浆表观黏度减小。从图7（a）可发现，当砂浆体积分数为10%时，在10 s-1剪切速率以下，出现净浆（cp）表观黏度大于RS的现象，原因与2.2节中剪切应力现象相同；从图7（b）、图7（c）可以发现，当砂浆体积分数为20%和35%时，在同一剪切速率下，砂浆剪切应力都大于净浆，这进一步验证了2.2节的论述；同时可以发现，砂浆表观黏度随颗粒形貌不规则化而增大，即RSMS2MS3，且砂颗粒形状对砂浆表观黏度的影响效应在低剪切速率下更加显著。于是可以总结得到，砂浆表观黏度受砂颗粒形状的影响，颗粒形状不规则会导致其表观黏度增大，使得流动时阻力增大，即表现出浆体黏稠度高，流动速率慢的特点。
（1）DIP方法测量出机制砂轴径比大于天然砂，机制砂棒状程度和片状程度都高于天然河砂。
（2）砂浆流变试验发现，形状不规则的机制砂会增大砂浆流动阻力，且这种效应在高体积分数下更加显著；根据HB模型计算和Chateau模型拟合，发现颗粒形貌不规则会导致砂浆屈服应力增大；40%体积分数砂浆中，颗粒形状会导致砂浆屈服应力增大50%。
（3）砂浆表观黏度度分析发现，砂颗粒形状不规则会导致砂浆表观黏度度增大，且这种效应在低剪切速率下更加明显。
