靳月清 劉巍 楊希濤

（1.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，蘭州 730000；2.中國(guó)中鐵科學(xué)研究院有限公司，成都 611731；3.蘭州市軌道交通有限公司，蘭州 730000）

近年來(lái)，各地區(qū)市政、建筑、公路、鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)快速推進(jìn)，加速了原材料的消耗。不僅混凝土所用天然砂的開(kāi)采質(zhì)量難以控制，同時(shí)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成較大的破壞。隨著環(huán)保形勢(shì)日趨嚴(yán)峻，機(jī)制砂的應(yīng)用必將成為混凝土細(xì)骨料應(yīng)用的主流，不僅節(jié)約建設(shè)成本，而且環(huán)保效益和社會(huì)效益顯著［1］，尤其以巖質(zhì)隧道棄渣為原材料加工后形成的人工機(jī)制砂混凝土的應(yīng)用越來(lái)越廣泛［2］。

細(xì)集料的顆粒形狀和表面紋理特征會(huì)影響混凝土性能，顆粒形狀是否良好也是評(píng)價(jià)機(jī)制砂品質(zhì)的重要指標(biāo)［3］。葉建雄等［4］通過(guò)分析不同機(jī)制砂顆粒形狀與水泥膠砂流動(dòng)度的相關(guān)性，提出了水泥混凝土機(jī)制砂顆粒形狀的表征方法。宋少民等［5］分析了機(jī)制砂片狀顆粒含量對(duì)水泥膠砂和混凝土性能的影響。李艷等［6］分析了石粉含量對(duì)機(jī)制砂顆粒形貌參數(shù)的影響。楊魯?shù)龋?］、王振等［8］對(duì)比研究了普通河砂混凝土與高石粉含量機(jī)制砂混凝土在力學(xué)性能和耐久性等方面的差異。張琨?。?］基于粒形系數(shù)研究了機(jī)制砂顆粒形狀對(duì)混凝土坍落度、強(qiáng)度等力學(xué)性能的影響。岳曉偉等［10］分析了機(jī)制砂級(jí)配變化和顆粒形狀對(duì)空隙率的影響，結(jié)果表明平衡粒形和級(jí)配的關(guān)系方能獲得較低的空隙率。

已有研究結(jié)果表明［9，11］，采用數(shù)字圖像分析軟件評(píng)價(jià)機(jī)制砂顆粒形狀難以反映針片狀顆粒的特征，采用流動(dòng)時(shí)間法、間隙率法表征機(jī)制砂顆粒形狀時(shí)存在試驗(yàn)誤差大、重復(fù)性差等缺陷，而采用比表面積法時(shí)則存在試驗(yàn)操作復(fù)雜且難以反映肉眼觀察不到的粒形特征。工程實(shí)踐表明，提高機(jī)制砂的顆粒球形度是混凝土用集料高品質(zhì)化的關(guān)鍵［11］。

鑒于此，本文基于機(jī)制砂顆粒粒形特征，從顆粒不同圓周方向的周長(zhǎng)比差異性角度，提出“球形度比”的概念，并嘗試采用“球形度比”來(lái)評(píng)價(jià)精品機(jī)制砂的粒形特征，以便為精品機(jī)制砂混凝土的各種性能研究奠定基礎(chǔ)，也為優(yōu)化生產(chǎn)工藝、提高精品機(jī)制砂生產(chǎn)效率提供指導(dǎo)。

1 精品機(jī)制砂的生產(chǎn)和質(zhì)量特點(diǎn)

相對(duì)于普通機(jī)制砂，本文所指精品機(jī)制砂的主要特點(diǎn)是：利用先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備，重點(diǎn)控制機(jī)制砂的粒形和石粉含量，制備出的機(jī)制砂粒形良好、級(jí)配合理、有效控制石粉含量，質(zhì)量穩(wěn)定。

1.1 精品機(jī)制砂生產(chǎn)設(shè)備及要求

先進(jìn)的機(jī)制砂生產(chǎn)設(shè)備應(yīng)該具有如下功能組件：

1）集成的料源除塵系統(tǒng)

主要是用于進(jìn)入破碎系統(tǒng)前，對(duì)原材料的土進(jìn)行過(guò)篩處理，從源頭上控制機(jī)制砂的含泥量。

2）原料存儲(chǔ)平臺(tái)和輸送系統(tǒng)

主要用于堆放過(guò)篩后的原材料，設(shè)置遮蓋或封閉式存儲(chǔ)車(chē)間，確保原材料的含水率達(dá)到要求及防止二次污染。通過(guò)設(shè)置存儲(chǔ)平臺(tái)下方的皮帶輸送系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)材料自動(dòng)輸入機(jī)制砂生產(chǎn)系統(tǒng)。

3）機(jī)制砂生產(chǎn)系統(tǒng)

機(jī)制砂生產(chǎn)系統(tǒng)包括破碎系統(tǒng)、整形系統(tǒng)、篩分系統(tǒng)和除塵系統(tǒng)，并設(shè)置石粉存儲(chǔ)罐，成品料皮帶輸送系統(tǒng)和自動(dòng)裝卸系統(tǒng)。

4）計(jì)算機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)

整套生產(chǎn)系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)化控制，通過(guò)計(jì)算機(jī)操作控制上料、生產(chǎn)、裝卸等工藝流程，通過(guò)自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)制砂生產(chǎn)工藝參數(shù)的設(shè)置及調(diào)整。

1.2 機(jī)制砂生產(chǎn)工藝

應(yīng)用計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化控制技術(shù)，對(duì)原材料選擇、主要生產(chǎn)工藝、粒形控制等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行控制，通過(guò)對(duì)生產(chǎn)出的機(jī)制砂進(jìn)行篩分、石粉含量試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)出全套的機(jī)制砂生產(chǎn)工藝。

1）原材料。各種材質(zhì)的石材破碎成粒徑不大于13 mm的小顆粒，且嚴(yán)格控制其含水率不大于2.0%。

2）除塵。原材料除塵，震動(dòng)過(guò)篩，篩除原材料中的泥土。

3）存儲(chǔ)。過(guò)篩后的原材料存儲(chǔ)至封閉的原材料存儲(chǔ)平臺(tái)，待破碎。

4）輸送。采用皮帶輸送系統(tǒng)自動(dòng)上料。

5）破碎。材料進(jìn)入破碎系統(tǒng)后，材料破碎至粒徑4.74 mm以下的細(xì)小顆粒。

6）整形。破碎后的細(xì)小顆粒進(jìn)入整形系統(tǒng)，通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)細(xì)顆粒整形。

7）篩分。篩除大粒徑顆粒，循環(huán)進(jìn)入破碎系統(tǒng)。

8）除塵。將多余的粉塵通過(guò)負(fù)壓的方式集中收集，進(jìn)入專(zhuān)門(mén)的石粉存儲(chǔ)罐，集中存放。

9）輸送。成品砂通過(guò)皮帶輸送系統(tǒng)進(jìn)入成品存儲(chǔ)區(qū)。

10）成品存儲(chǔ)。產(chǎn)品集中存放。

1.3 精品機(jī)制砂質(zhì)量特點(diǎn)

采用先進(jìn)設(shè)備和科學(xué)工藝生產(chǎn)的精品機(jī)制砂與傳統(tǒng)機(jī)制砂相比較，有以下3個(gè)方面的質(zhì)量特點(diǎn)：

1）粒形良好

通過(guò)增加整形裝置，對(duì)破碎后的機(jī)制砂進(jìn)行整形處理，使得機(jī)制砂的粒形圓潤(rùn)，消除針片狀顆粒形態(tài)，粒形變得良好。為保證粒形質(zhì)量，提出機(jī)制砂的粒形控制指標(biāo)——球形度比。

2）有效控制石粉含量

生產(chǎn)過(guò)程中安裝除塵裝置，并且從原材料開(kāi)始就控制泥土含量，保證了石粉的質(zhì)量。對(duì)整形后的機(jī)制砂進(jìn)行除塵處理，通過(guò)負(fù)壓倒吸原理把多余的石粉吸附在一個(gè)儲(chǔ)存罐里，按照目標(biāo)值控制石粉含量。

3）有效控制細(xì)度模數(shù)

生產(chǎn)設(shè)備安裝自動(dòng)化生產(chǎn)控制程序，在生產(chǎn)系統(tǒng)中設(shè)置目標(biāo)細(xì)度模數(shù)，通過(guò)調(diào)整生產(chǎn)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)想要達(dá)到的細(xì)度模數(shù)。

要使機(jī)制砂滿(mǎn)足配置高性能混凝土的要求，必須提高普通機(jī)制砂的某些物理指標(biāo)，其中粒形和石粉含量是2個(gè)需要解決的指標(biāo)。石粉含量通過(guò)加裝除塵設(shè)備已經(jīng)完善，其檢測(cè)方法也較為成熟。然而對(duì)于粒形控制達(dá)到什么程度，采用什么方法進(jìn)行粒形檢測(cè)就是亟待研究的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2 精品機(jī)制砂粒形評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.1 定義

1）等效投影圓面積直徑：當(dāng)一個(gè)顆粒的投影面積同另外一個(gè)圓的投影面積相等時(shí)，把該圓的直徑稱(chēng)為該顆粒的等效投影圓面積直徑。

2）球形度［11］（S）：該顆粒的等效投影圓周長(zhǎng)與顆粒投影圖像的實(shí)際周長(zhǎng)之比。

3）球形度比0.8（Sr0.8）：球形度不小于 0.8 的顆粒數(shù)占檢測(cè)試樣總顆粒數(shù)的百分比。

4）球形度比0.7（Sr0.7）：球形度不小于 0.7 的顆粒數(shù)占檢測(cè)試樣總顆粒數(shù)的百分比。

2.2 球形度比的檢測(cè)方法

2.2.1 檢測(cè)儀器或設(shè)備

本試驗(yàn)用方法需要的儀器設(shè)備有：①鼓風(fēng)干燥箱，能使溫度控制在（105±5）℃；②天平，稱(chēng)質(zhì)量1 000 g，感量 1 g；③方孔篩，規(guī)格為 0.15，0.30，0.60，1.18，2.36，4.75，9.50 mm 的篩各1 只，并附有篩底和篩蓋；④搖篩機(jī)；⑤粒形檢測(cè)儀。

2.2.2 試驗(yàn)步驟

1）按GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》［12］中7.3條的規(guī)定進(jìn)行顆粒級(jí)配試驗(yàn)，各級(jí)篩余顆粒備用。

2）分別稱(chēng)量0.6，1.18，2.36，4.75 mm 篩余質(zhì)量，精確至1 g，分別將各粒級(jí)試樣放置于粒形檢測(cè)儀進(jìn)料口，均勻下料，使粒徑均勻的顆粒均勻的進(jìn)入成像室。

3）計(jì)算機(jī)通過(guò)軟件采集圖像數(shù)據(jù)，待試樣完全通過(guò)成像室后，采用分析軟件對(duì)粒形結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算。

2.2.3 試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算

1）球形度的計(jì)算結(jié)果精確至0.1，計(jì)算式為

式中：PEQPC為顆粒的等效投影圓周長(zhǎng)，見(jiàn)圖1；Preal為顆粒投影圖像的實(shí)際周長(zhǎng)，見(jiàn)圖2；A為投影面積。

圖1 顆粒的等效投影圓周長(zhǎng)和直徑

圖2 顆粒投影圖像的實(shí)際周長(zhǎng)

S結(jié)果處于0～1 之間，數(shù)值越小代表顆粒形狀越不規(guī)則，數(shù)值越大代表著顆粒形狀越圓潤(rùn)。

2）球形度比Sr0.8，Sr0.7的計(jì)算結(jié)果精確至0.1%，計(jì)算式分別為

式中：N0.8為試樣中球形度不小于0.8的顆粒數(shù)；N0.7為試樣中球形度不小于0.7 的顆粒數(shù)；N為試樣總顆粒數(shù)。

3）Sr0.8和Sr0.7分別取兩次試驗(yàn)結(jié)果的算數(shù)平均值，精確至1%。

4）單次試驗(yàn)、單個(gè)砂樣的Sr0.8和Sr0.7分別取各粒級(jí)總和的平均值，精確至1%（當(dāng)某個(gè)粒級(jí)上的篩余量為0時(shí)，該粒級(jí)的Sr0.8及Sr0.7均按100%計(jì)）。

2.3 球形度比試驗(yàn)

選擇不同地區(qū)及工藝生產(chǎn)的機(jī)制砂按上述方法進(jìn)行球形度比試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行編號(hào)，其中1#，3#，6#，8#樣為普通機(jī)制砂（PTS），2#，4#樣為精品機(jī)制砂（JPS），5#，7#樣為生產(chǎn)碎石產(chǎn)生的石粉（SF）。具體試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可見(jiàn)，無(wú)論是精品機(jī)制砂，還是普通機(jī)制砂或者石粉，球形度比0.5、球形度比0.6 均能達(dá)到98%以上；球形度比0.7 及以上，開(kāi)始有了較為明顯的變化。綜合比較球形度比0.8 及球形度比0.7 這2 個(gè)技術(shù)指標(biāo)的數(shù)據(jù)，參照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)機(jī)制砂的球形度比進(jìn)行類(lèi)別劃分，具體見(jiàn)表2。

表1 機(jī)制砂試樣的球形度比試驗(yàn)結(jié)果 %

表2 不同類(lèi)別機(jī)制砂的球形度比技術(shù)指標(biāo)要求 %

結(jié)合規(guī)范中混凝土用砂質(zhì)量要求［12］，建議精品機(jī)制砂的粒形采用Sr0.8和Sr0.72 個(gè)技術(shù)指標(biāo)同時(shí)控制，1類(lèi)砂和2類(lèi)砂均可用于混凝土，3類(lèi)砂僅用于砂漿。

3 結(jié)論

本文系統(tǒng)地研究了機(jī)制砂生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)工藝和質(zhì)量控制指標(biāo)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，得到如下主要結(jié)論：

1）精品機(jī)制砂生產(chǎn)工藝中的關(guān)鍵設(shè)備主要包括除塵設(shè)備和整形設(shè)備。

2）精品機(jī)制砂的質(zhì)量特征主要包括粒形良好、有效控制石粉含量和細(xì)度模數(shù)等。

3）精品機(jī)制砂的粒形宜采用球形度比0.8及球形度比0.7 這2 個(gè)技術(shù)指標(biāo)同時(shí)控制，1 類(lèi)砂和2 類(lèi)砂均可用于混凝土，3類(lèi)砂僅用于砂漿。

4）采用球形度比表征精品機(jī)制砂的粒形特征是比較合理的，健全了精品機(jī)制砂的技術(shù)評(píng)價(jià)體系和檢測(cè)方法，為推廣精品機(jī)制砂的規(guī)?；a(chǎn)和應(yīng)用具有借鑒作用。