水對機制砂石粉含量的影響及機理研究

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

隨著中國經濟的高速發展，基建工程領域的砂石骨料需求逐年增加，同時天然河砂資源枯竭，機制砂已出現嚴重短缺和區域供需不平衡現象。一方面，機制砂因原料易得、經濟效益高，在鐵路工程施工中已得到廣泛的應用；另一方面，由于工藝選擇不當，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性能。

然而，石粉含量作為評價機制砂質量的一個重要指標，仍缺乏影響其含量高低的機理研究。中國現行的《建設用砂》(GB/T 14684)中規定，機制砂中粒徑小于75 μm的顆粒為石粉，并且鐵路標準《鐵路混凝土工程施工質量驗收標準》(TB 10424—2018)規定：當機制砂亞甲藍值小于0.5時，C30以下標號混凝土石粉含量不大于15%；當機制砂亞甲藍值在0.5～1.4時，以下標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以上標號混凝土石粉含量不大于5%；當機制砂亞甲藍值不小于1.4時，以下標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成分一致的組分，也存在一部分黏土質微粒，這部分黏泥土質微粒主要來源于礦山剝離層和夾層中的泥質和黏土質礦物，它們的存在會導致機制砂亞甲藍值升高。

機制砂的生產工藝主要分為干法和濕法，兩者的區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)以及后續的污水處理設備。干法制砂的除粉工藝采用各類選粉設備，包括離心式選粉機、旋風式選粉機和O-sepa等新型高效選粉機，干法工藝應用相對較晚，但具有工藝簡單、節約資源、清潔環保等優點，近幾年得到快速發展。

在制砂過程中，制砂原料經常含有一定量的水分，其水分主要包括結合水(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)以及毛細水(存在于松散巖石間細小空隙通道中的水)。經過機械破碎，巖石中的重力水與毛細水會釋放出來，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合水，強結合水層外還有可能形成一層弱結合水層。

結合國內某高速鐵路灰巖機制砂項目以及各項試驗數據，發現在干法制砂過程中，原料過高的含水率(通常大于2%)會導致成品機制砂的石粉含量偏高。對于此類問題，國內外的研究十分匱乏。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、提升機制砂的品質提供新的思路，推進干法制砂工藝在鐵路工程的進一步應用。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

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

表1 原料灰巖的部分物料性能指標

1.2 試驗設計

選取含水率不同的灰巖原料并分別進行編號，選擇干法制砂工藝，使用中國鐵建重工集團自主研發的制砂生產線。

首先對石灰巖制砂原料的含水率進行測定，結果見表2，然后根據含水率的不同確定不同的批次分別進行試驗。礦石爆破毛料經過粗、中碎以及振動篩分，得到小于10 mm連續級配制砂原料，通過制砂生產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值的測定結果

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，結果見表2、圖1。水洗法需要在清水中淘洗樣品，以達到徹底洗去石粉的目的，其具體步驟參照《建設用砂》(GB/T 14684)中，此法計算出的結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值，結果見表2、圖1(d)。

采集含水率為2%的成品機制砂和經過選粉設備收集的石粉，對石粉進行了X射線衍射分析(XRD)，以確定其礦物相及含量，結果見表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，結果見圖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)結果

2 試驗結果與影響分析

圖1(a)的結果表明，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，其結果相差不大。這說明原料顆粒通過制砂主機以及選粉設備后，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值也顯著升高。

對收集的石粉樣品進行激光粒度分析，得到不同區間的粒徑占比(表4)，樣品中粒徑大于75 μm的顆粒含量為15.82%。這是由于：選粉設備的風速過大，吹走了部分粒徑略大于75 μm 的細砂粒；而大于75 μm的石粉團塊，由于質量大，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巖的主要礦物組成，而絹云母的存在表明石粉中存在一定含量的泥質成分。

通過電鏡掃描(SEM)的試驗結果可知，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。根據上述結果，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))。此種狀態下，石粉微粒不相互黏結且不吸附于砂粒表面，可以在風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。此種形態的石粉聚合體，由于團塊的粒徑和質量較大，通過傳統選粉設備很難去除。

(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

根據上述試驗結果與分析可以得出結論：制砂原料含水率的增加會導致機制砂中的石粉含量增大。對造成這一影響的機理進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備(包括離心式、旋風式等)，通過機械及風力除粉。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，隨后在上升風力的作用下，粒徑和質量較小的顆粒上升，通過分級圈進行分級。石粉微粒(粒徑小于75 μm)會通過分級圈經過旋風筒等落入集灰斗內；而粒徑和質量較大的顆粒會在重力作用向下落入粗砂管內排除[8]。根據前文的試驗結果(圖1)以及干法制砂除粉原理可知，利用撒料盤產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行除粉，效果較差。提升撒料盤的轉速以及風力的強度(風速)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。

(1)黏著效應。根據摩擦起源學說，黏著效應、犁削作用以及塑性變形效應是摩擦力存在的主要原因。黏著效應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生滑動阻力。固體微粒表面的強結合水會促進顆粒間的相互吸附。當水分蒸發時，顆粒間的距離縮小，分子間的相互作用力進一步增大，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。顆粒的團聚效應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力的外在體現)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，細小的微粒會相互團聚，粒徑較大的砂礫也常被細小的微粒包裹，而水分的存在使得顆粒間存在硬團聚效應[10-11](圖4)。另有研究表明，顆粒的粒徑越小，越容易發生團聚，且團聚塊體的硬度和穩定性越強。

圖4 顆粒間的硬團聚效應

其次，黏土礦物具有膨脹效應。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倍甚至數十倍。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，水分蒸發后，集合體的硬度和穩定性都極大地增強。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量，風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，而與母巖巖性同質的石粉成分降低，導致石粉含量雖不超標，但測定的亞甲藍值卻顯著升高。

圖5 黏土礦物吸水后的膨脹效應

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效應。試驗研究表明，巖石以一定速度相互撞擊時，部分動能會轉化成熱能，同時顆粒間的相互摩擦生熱，從而導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到50～70 m·s-1，高速的撞擊和摩擦會導致砂粒、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生一系列化學反應，導致石粉間、砂粒與石粉間相互黏結的現象，具體的化學效應還需要進一步研究。

根據前文所述的試驗與機理研究結果，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量驗收標準》(TB 10424—2018)的要求，可從以下角度思考解決方案。

(1)泥質、黏土質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；因此在設計機制砂流程時，應根據實際情況設計專業除泥除粉工藝；在存放、運輸過程中，盡量避免外來泥土的混入。

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

(3)顆粒間的相互黏結作用中，范德華力起到了較為關鍵的作用，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產生的余熱促進水分蒸發，減弱顆粒間的黏著和團聚效應。

4 結 語

(1)制砂原料的含水率越高，機制砂的含粉越高。可采用機械和風選相結合的方式降低含粉率，但需要專業設計和實踐驗證，否則易導致成品砂的細度模數變大，級配變差；當原料含水率超過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生黏著和團聚效應。水分的存在會使得顆粒間還具有液相橋力，尤其是黏土質微粒的吸水、膨脹將進一步增強上述效應，在這種情況下“控水”就更具有現實意義。

(3)在采礦、碎礦及制砂工藝中應盡量設計“除泥降水”工藝，同時根據實際情況在“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，科學合理地指導干法制砂工藝技術升級，生產出滿足鐵路混凝土設計和施工規范要求的機制砂產品，對工程質量、結構壽命、施工進度、工程造價均有重要意義。