王金鋒

(中國鐵建重工集團股份有限公司，湖南 長沙 410100)

0 引 言

隨著中國經(jīng)濟的高速發(fā)展，基建工程領(lǐng)域的砂石骨料需求逐年增加，同時天然河砂資源枯竭，機制砂已出現(xiàn)嚴(yán)重短缺和區(qū)域供需不平衡現(xiàn)象。一方面，機制砂因原料易得、經(jīng)濟效益高，在鐵路工程施工中已得到廣泛的應(yīng)用；另一方面，由于工藝選擇不當(dāng)，機制砂級配差、石粉含量高等問題亟待解決[1-2]。前人的研究大多集中于機制砂中的石粉對混凝土、砂漿性能的影響。研究表明，有些機制砂中的石粉對減水劑的大量吸附會導(dǎo)致混凝土流動性降低，坍落度損失大[3-4]，Pera等人研究表明，機制砂中的石粉取代一定比例的普通硅酸鹽水泥后，可以提升混凝土的強度[5]。岳海軍認(rèn)為石粉含量的增加，可以提高混凝土致密性，減少孔隙，增強抗氯離子滲透能力[6]。程偉峰認(rèn)為，采用外摻石粉會降低減水劑的減水及保坍性能，而采用內(nèi)摻法可以有效改善混凝土坍落度損失問題[7]。整體來看，石粉含量的增加會顯著影響混凝土的工作性能和力學(xué)性能。

然而，石粉含量作為評價機制砂質(zhì)量的一個重要指標(biāo)，仍缺乏影響其含量高低的機理研究。中國現(xiàn)行的《建設(shè)用砂》(GB/T 14684)中規(guī)定，機制砂中粒徑小于75 μm的顆粒為石粉，并且鐵路標(biāo)準(zhǔn)《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)》(TB 10424—2018)規(guī)定：當(dāng)機制砂亞甲藍(lán)值小于0.5時，C30以下標(biāo)號混凝土石粉含量不大于15%；當(dāng)機制砂亞甲藍(lán)值在0.5～1.4時，以下標(biāo)號混凝土石粉含量不大于10%，C30～C45混凝土石粉含量不大于7%，C50以上標(biāo)號混凝土石粉含量不大于5%；當(dāng)機制砂亞甲藍(lán)值不小于1.4時，以下標(biāo)號混凝土石粉含量不大于5%，C30～C45混凝土石粉含量不小于3%，C50以上標(biāo)號混凝土石粉含量不大于2%。機制砂的石粉中，既存在與母巖礦物化學(xué)成分一致的組分，也存在一部分黏土質(zhì)微粒，這部分黏泥土質(zhì)微粒主要來源于礦山剝離層和夾層中的泥質(zhì)和黏土質(zhì)礦物，它們的存在會導(dǎo)致機制砂亞甲藍(lán)值升高。

機制砂的生產(chǎn)工藝主要分為干法和濕法，兩者的區(qū)別主要在于除粉工藝的不同：濕法工藝采用洗砂除粉，此法需消耗大量的水資源，配備絮凝劑(PAM或PAC)以及后續(xù)的污水處理設(shè)備。干法制砂的除粉工藝采用各類選粉設(shè)備，包括離心式選粉機、旋風(fēng)式選粉機和O-sepa等新型高效選粉機，干法工藝應(yīng)用相對較晚，但具有工藝簡單、節(jié)約資源、清潔環(huán)保等優(yōu)點，近幾年得到快速發(fā)展。

在制砂過程中，制砂原料經(jīng)常含有一定量的水分，其水分主要包括結(jié)合水(受固體巖石表面力束縛，不能在自身重力作用下運動)、重力水(與固體表面間距離較大，可在自身重力作用下運動，空隙較大、水量較多)以及毛細(xì)水(存在于松散巖石間細(xì)小空隙通道中的水)。經(jīng)過機械破碎，巖石中的重力水與毛細(xì)水會釋放出來，由于破碎后的集料顆粒表面粗糙，使一些顆粒表面形成一層強結(jié)合水，強結(jié)合水層外還有可能形成一層弱結(jié)合水層。

結(jié)合國內(nèi)某高速鐵路灰?guī)r機制砂項目以及各項試驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在干法制砂過程中，原料過高的含水率(通常大于2%)會導(dǎo)致成品機制砂的石粉含量偏高。對于此類問題，國內(nèi)外的研究十分匱乏。因此，本文旨在研究制砂原料中的水影響機制砂石粉含量的機理，為提高干法制砂的除粉效率、提升機制砂的品質(zhì)提供新的思路，推進(jìn)干法制砂工藝在鐵路工程的進(jìn)一步應(yīng)用。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

本文選取的原料為泥晶灰?guī)r、微晶泥晶灰?guī)r，礦石中礦物成分主要為方解石(80%)以及少量白云石(10%)、泥質(zhì)黏土礦物(9%)和微量石英等。其主要物理性能指標(biāo)見表1，均滿足各項指標(biāo)要求。

表1 原料灰?guī)r的部分物料性能指標(biāo)

1.2 試驗設(shè)計

選取含水率不同的灰?guī)r原料并分別進(jìn)行編號，選擇干法制砂工藝，使用中國鐵建重工集團自主研發(fā)的制砂生產(chǎn)線。

首先對石灰?guī)r制砂原料的含水率進(jìn)行測定，結(jié)果見表2，然后根據(jù)含水率的不同確定不同的批次分別進(jìn)行試驗。礦石爆破毛料經(jīng)過粗、中碎以及振動篩分，得到小于10 mm連續(xù)級配制砂原料，通過制砂生產(chǎn)線得到成品機制砂及石粉，并分別收集編號。

表2 原料含水率、機制砂含粉率和亞甲藍(lán)值的測定結(jié)果

對收集的制砂原料以及成品機制砂分別采用水洗法及干篩法測定其中的石粉含量，結(jié)果見表2、圖1。水洗法需要在清水中淘洗樣品，以達(dá)到徹底洗去石粉的目的，其具體步驟參照《建設(shè)用砂》(GB/T 14684)中，此法計算出的結(jié)果接近真實的石粉含量；干篩法僅需烘干后直接過篩，然后計算0.075篩余即石粉含量，此法測得的石粉含量相對偏低。測定了成品機制砂的亞甲藍(lán)值，結(jié)果見表2、圖1(d)。

采集含水率為2%的成品機制砂和經(jīng)過選粉設(shè)備收集的石粉，對石粉進(jìn)行了X射線衍射分析(XRD)，以確定其礦物相及含量，結(jié)果見表3；使用干法激光粒度分析儀測定了石粉的粒徑分配情況，結(jié)果見表4；使用掃描電鏡(SEM)來確定機制砂中砂粒和石粉顆粒的微形態(tài)，結(jié)果見圖2。

表4 石粉激光粒度占比分析 %

圖2 石粉與砂粒電鏡掃描(SEM)結(jié)果

2 試驗結(jié)果與影響分析

圖1(a)的結(jié)果表明，原料的含水率越高，其石粉含量越高，而且采用水洗法測得的石粉含量明顯高于干篩法。這是由于水洗法中，經(jīng)過水流和人工的淘洗，大部分的石粉顆粒被分離出來，而干篩法獲得的大多是處于游離狀態(tài)的石粉顆粒，還有部分存在形式較為特殊的石粉沒有被分離出來。經(jīng)過估算，干篩法測得的石粉含量只有水洗法的65%～80%，而且圖1(b)同樣表明成品機制砂的干篩法石粉分離效率明顯低于水洗法。當(dāng)原料含水率小于2.5%時，原料含水率越高，成品機制砂中的石粉含量越高；當(dāng)含水率在2.5%～4.5%之間，機制砂的石粉含量保持在高位。水洗法測得的石粉含量更接近真實的機制砂石粉含量。圖1(c)表明，采用水洗法分別測定原料顆粒和成品機制砂中的石粉含量，其結(jié)果相差不大。這說明原料顆粒通過制砂主機以及選粉設(shè)備后，一些存在形式較為特殊的石粉微粒仍難以有效除去。圖1(d)中，隨著原料含水率的增加，成品機制砂的亞甲藍(lán)值也顯著升高。

對收集的石粉樣品進(jìn)行激光粒度分析，得到不同區(qū)間的粒徑占比(表4)，樣品中粒徑大于75 μm的顆粒含量為15.82%。這是由于：選粉設(shè)備的風(fēng)速過大，吹走了部分粒徑略大于75 μm 的細(xì)砂粒；而大于75 μm的石粉團塊，由于質(zhì)量大，較難被吹走，這也是成品機制砂含粉率高的原因之一。

X射線衍射分析(表3)表明，石粉中主要的礦物相為方解石、白云石、絹云母以及石英。方解石、白云石和石英是原巖石灰?guī)r的主要礦物組成，而絹云母的存在表明石粉中存在一定含量的泥質(zhì)成分。

通過電鏡掃描(SEM)的試驗結(jié)果可知，石粉微粒粒徑大小不一，從2～75 μm不等，粒徑稍大的石粉表面仍附著有小于1 μm的微粉，見圖2(a)。砂粒表面凸凹不平處的石粉聚集量明顯多于的光滑處。根據(jù)上述結(jié)果，提出了石粉的幾種主要存在形式，如圖3所示。

圖3 機制砂中石粉的存在形式

(1)游離粉(圖3(a))。此種狀態(tài)下，石粉微粒不相互黏結(jié)且不吸附于砂粒表面，可以在風(fēng)力和重力的作用下自由運動。

(2)團塊粉(圖3(b))。石粉微粒緊緊的團聚在一起形成了較大粒徑的石粉團塊，微粒間相互黏著、聚合。此種形態(tài)的石粉聚合體，由于團塊的粒徑和質(zhì)量較大，通過傳統(tǒng)選粉設(shè)備很難去除。

(3)附著粉(圖3(c))。在較大粒徑的砂粒表面，附著有石粉微粒。當(dāng)砂粒的表面較為光滑時，石粉微粒在機械作用力下易于除去，而當(dāng)砂粒表面凹凸不平時，石粉微粒與砂粒緊緊地相互黏著，一般的機械方法難以分離。

(4)縫隙粉(圖3(d))。砂粒表面常存在一些天然的或由于機械破碎作用產(chǎn)生的幾十微米到上百微米寬的縫隙。這些縫隙常常充填有大量的石粉顆粒。這是一種最緊密的石粉黏著方式。

3 機理研究

根據(jù)上述試驗結(jié)果與分析可以得出結(jié)論：制砂原料含水率的增加會導(dǎo)致機制砂中的石粉含量增大。對造成這一影響的機理進(jìn)行研究將有助于提升干法制砂工藝的除粉效率。

首先，干法制砂的除粉原理是利用各類選粉設(shè)備(包括離心式、旋風(fēng)式等)，通過機械及風(fēng)力除粉。其工作原理如下：將物料從選粉機上部喂料口垂直加入，物料顆粒落入旋轉(zhuǎn)的撒料盤上，在離心力的作用下粒徑不同的顆粒會分散甩出，隨后在上升風(fēng)力的作用下，粒徑和質(zhì)量較小的顆粒上升，通過分級圈進(jìn)行分級。石粉微粒(粒徑小于75 μm)會通過分級圈經(jīng)過旋風(fēng)筒等落入集灰斗內(nèi)；而粒徑和質(zhì)量較大的顆粒會在重力作用向下落入粗砂管內(nèi)排除[8]。根據(jù)前文的試驗結(jié)果(圖1)以及干法制砂除粉原理可知，利用撒料盤產(chǎn)生的離心力以及氣流的上升力對石粉團塊、附著粉以及縫隙粉進(jìn)行除粉，效果較差。提升撒料盤的轉(zhuǎn)速以及風(fēng)力的強度(風(fēng)速)可以在一定程度上提升除粉效率，但是超過某一限定值時，會造成粒徑大于75 μm的細(xì)砂粒損失，破壞成品機制砂的級配。因此需要厘清機制砂中的石粉相互黏著、團聚的基本原理以及原料中的水分在其中所起的重要作用。

另外，機械破碎產(chǎn)生的砂粒表面較為粗糙(圖2)，由于固體顆粒表面的范德華力和庫侖力，小于75 μm的石粉顆粒會發(fā)生團聚或吸附于砂粒凹凸不平的表面上。范德華力是存在于中性分子或原子之間的一種弱堿性的電性吸引力；庫侖力存在于帶電荷的分子之間，例如在機械破碎過程中，巖石顆粒表面會分布有斷裂的化學(xué)鍵(例如Si—O鍵)，而且粒度越小，表面帶電荷越明顯。這2種顆粒間的作用力會促使砂子和石粉相互黏著和團聚，而制砂過程中水分的存在會極大地增強這2種效應(yīng)。

(1)黏著效應(yīng)。根據(jù)摩擦起源學(xué)說，黏著效應(yīng)、犁削作用以及塑性變形效應(yīng)是摩擦力存在的主要原因。黏著效應(yīng)是由于分子的活動性和分子間的作用力使固體黏附在一起并產(chǎn)生滑動阻力。固體微粒表面的強結(jié)合水會促進(jìn)顆粒間的相互吸附。當(dāng)水分蒸發(fā)時，顆粒間的距離縮小，分子間的相互作用力進(jìn)一步增大，而且粗糙的固體表面也增強了顆粒間的相互吸附。

(2)團聚效應(yīng)。顆粒的團聚效應(yīng)分為軟團聚和硬團聚2種：前者主要受分子間范德華力和庫侖力的作用，可以通過機械或化學(xué)的方法輕易破除；而后者除上述兩種作用力外，還存在液相橋力(液體的表面張力和毛細(xì)力的外在體現(xiàn))和表層黏附力的影響，一般硬團聚很難破除[9]。在制砂過程中，細(xì)小的微粒會相互團聚，粒徑較大的砂礫也常被細(xì)小的微粒包裹，而水分的存在使得顆粒間存在硬團聚效應(yīng)[10-11](圖4)。另有研究表明，顆粒的粒徑越小，越容易發(fā)生團聚，且團聚塊體的硬度和穩(wěn)定性越強。

圖4 顆粒間的硬團聚效應(yīng)

其次，黏土礦物具有膨脹效應(yīng)。黏土礦物是一類層狀硅酸鹽，主要包括蒙脫石、高嶺石、伊利石等。其膨脹效應(yīng)是指黏土礦物晶體間的陽離子被置換，表面形成水化膜，使得晶格間的距離增大[12]，其外在表現(xiàn)就是體積的膨脹。蒙脫石的吸水性最強，膨脹率最高，充分吸水后體積會增大數(shù)倍甚至數(shù)十倍。制砂過程中，由于外部以及巖石自身含有一定程度的黏土礦物，所以當(dāng)砂粒、石粉顆粒以及黏土礦物相互團聚在一起的時候，黏土礦物遇水發(fā)生膨脹，填充顆粒間的空隙，降低集料的孔隙度形成集合體(圖5)。由于黏土礦物本身的吸附性；且陽離子交換能力很強，水分蒸發(fā)后，集合體的硬度和穩(wěn)定性都極大地增強。這些聚合在一起的黏土礦物、水分、砂粒、石粉集合體具有較大的質(zhì)量，風(fēng)力選粉機較難有效地去除；同時，較多的黏土礦物混入機制砂石粉中，使機制砂石粉中黏土礦物成分占比升高，而與母巖巖性同質(zhì)的石粉成分降低，導(dǎo)致石粉含量雖不超標(biāo)，但測定的亞甲藍(lán)值卻顯著升高。

圖5 黏土礦物吸水后的膨脹效應(yīng)

除了上述物理變化，在機制砂的制作過程中還可能存在化學(xué)效應(yīng)。試驗研究表明，巖石以一定速度相互撞擊時，部分動能會轉(zhuǎn)化成熱能，同時顆粒間的相互摩擦生熱，從而導(dǎo)致巖石顆粒撞擊表面的瞬時溫度顯著升高[13-14]。機制砂主機采用離心加速的方法，使得顆粒的線速度達(dá)到50～70 m·s-1，高速的撞擊和摩擦?xí)?dǎo)致砂粒、石粉、黏土礦物顆粒表面的瞬時溫度升高，在水分的介入下可能發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致石粉間、砂粒與石粉間相互黏結(jié)的現(xiàn)象，具體的化學(xué)效應(yīng)還需要進(jìn)一步研究。

根據(jù)前文所述的試驗與機理研究結(jié)果，為了使得機制砂中的石粉含量滿足《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)》(TB 10424—2018)的要求，可從以下角度思考解決方案。

(1)泥質(zhì)、黏土質(zhì)礦物的粒徑與石粉相近，但吸水性、黏聚性、吸附性和膨脹率更高；因此在設(shè)計機制砂流程時，應(yīng)根據(jù)實際情況設(shè)計專業(yè)除泥除粉工藝；在存放、運輸過程中，盡量避免外來泥土的混入。

(2)水分可以促進(jìn)和增強石粉顆粒和砂粒間的黏著、團聚效用，因此應(yīng)盡量選擇含水率較低的原料，同時應(yīng)有防水、防雨措施。

(3)顆粒間的相互黏結(jié)作用中，范德華力起到了較為關(guān)鍵的作用，而加熱升溫可以在一定程度上破壞分子間的范德華力，因此在選粉機的外壁可以利用系統(tǒng)產(chǎn)生的余熱促進(jìn)水分蒸發(fā)，減弱顆粒間的黏著和團聚效應(yīng)。

4 結(jié) 語

(1)制砂原料的含水率越高，機制砂的含粉越高。可采用機械和風(fēng)選相結(jié)合的方式降低含粉率，但需要專業(yè)設(shè)計和實踐驗證，否則易導(dǎo)致成品砂的細(xì)度模數(shù)變大，級配變差；當(dāng)原料含水率超過2.5%時，建議采用濕法或余熱烘干工藝。

(2)巖石的破碎過程中，顆粒間存在的范德華力和庫侖力會促使機制砂和石粉之間發(fā)生黏著和團聚效應(yīng)。水分的存在會使得顆粒間還具有液相橋力，尤其是黏土質(zhì)微粒的吸水、膨脹將進(jìn)一步增強上述效應(yīng)，在這種情況下“控水”就更具有現(xiàn)實意義。

(3)在采礦、碎礦及制砂工藝中應(yīng)盡量設(shè)計“除泥降水”工藝，同時根據(jù)實際情況在“破前篩后”階段增加“除泥降水”工藝，可有效地降低成品機制砂中的石粉及泥粉含量。

(4)研究原料含水率對機制砂石粉含量影響的機理，科學(xué)合理地指導(dǎo)干法制砂工藝技術(shù)升級，生產(chǎn)出滿足鐵路混凝土設(shè)計和施工規(guī)范要求的機制砂產(chǎn)品，對工程質(zhì)量、結(jié)構(gòu)壽命、施工進(jìn)度、工程造價均有重要意義。