黔東南地區石灰巖母材機制砂加工工藝及配合比設計研究

1 引言

在我國西南地區，機制砂得到了廣泛的應用，是解決混凝土細骨料非常經濟實用的方法，而且機制砂破碎后棱角性，具有較強的內摩擦力，拌和在混凝土的細骨料中，可以提高骨料的咬合力，起到嵌擠骨架的作用，使混凝土的和易性、抗壓強度等性能得到很大的改善。 在工程項目建設中，棄渣需占用大量土地，而篩選可加工機制砂作為資源合理利用，可以減少棄渣占用土地。 但機制砂加工受母材、篩分設備和清洗設備選型等加工工藝不同，機制砂石粉含量存在很大的差異，混凝土配合比，目前大多數采用三級破碎和洗沙濾水相結合等工藝，以確保滿足Ⅱ類建設用砂要求。 本文在原大摻量粉煤灰噴射混凝土及常規襯砌混凝土的技術基礎上， 通過機制砂加工工藝及混凝土配合比設計試驗研究，總結成果。

2 隧道洞渣母材的成分

毛栗坪隧道洞身開挖揭示含有石灰巖地層， 經貴陽礦產資源監督檢測中心出具的巖礦鑒定報告顯示， 礦物成分主要為方解石，含少量白云巖、黏土礦物、褐鐵礦等（方解石占比90%，白云石占5%～10%，黏土2%～3%，褐鐵礦1%），經過對棄渣進行篩選與試驗（對強度、密度、含泥量及吸水率等進行測定），對其中的洞渣進行篩選，作為機制砂、碎石加工的原材料，以實現資源合理化利用。

3 機制砂加工設備選型及工藝優化

3.1 母材選用

隧道開挖的母巖吸水率較小，軟化系數大，并且巖石為層理巖，強度較高且不含堿活性物質，用其生產的混凝土的坍落度損失小等。 具體特性見表1。

表1 隧道開挖出的石灰巖特性

3.2 破碎機選配、篩分及除粉工藝

機制砂一般采用三級破碎工藝，即粗碎、中碎、制砂機破碎，粗碎采用顎破式破碎機，破碎比大、產品粒度均勻、結構簡單；中碎采用反擊式破碎機；制砂破碎采用沖擊式破碎機。 這樣使得加工的機制砂更富有棱角性， 并且破碎比能得到較大的提高，對加工的材料進行篩分等試驗檢測分析后可知，破碎的機制砂細度模數基本能符合中砂標準[1]。

同一種原材料、加工設備及加工工藝條件下，對通過圓孔和方孔篩的機制砂進行篩分試驗可知 （使用孔徑為9.5 mm、4.75 mm、2.36 mm、1.18 mm、0.6 mm、0.3 mm、0.15 mm 的 套篩），通過圓孔篩的機制砂的砂率、細度模數要優于方孔篩，粗細適宜。

經過三級破碎取樣， 經篩分獲取的機制砂中石粉含量基本為9.5%～25%（75 μm 的顆粒），不滿足地標配置強度等級＞C30，石粉含量＜10%，C20＜配置強度＜C30，石粉含量＜20%的要求。 經過加工工藝改進，在加工設備的皮帶機轉換位置配置封閉式噴射干霧進行除塵， 加工的機制砂石粉含量明顯降低，細度模數也得到有效提高，再結合迂回式螺旋洗沙濾水設備，經過自動調節和控制轉速、增壓過濾裝置，將0.15 mm 以下顆粒的砂再次進行回用，使得水洗的篩除的顆粒得到補充，使得級配更加均勻。

4 機制砂混凝土試驗研究

機制砂經過篩洗后為細度模數為2.8～3.2 的中砂，石粉含量較少，通過多次試驗比對可知，一定量的石粉有利于優化混凝土的工作性能， 現場采用篩洗后的機制砂摻入石粉進行配合比設計試驗研究和現場應用驗證， 經篩洗的機制砂混凝土和易性差，混凝土回彈率高，質量控制難度大，在大摻量粉煤灰混凝土的基礎上，采用摻入一定量的石粉，膠凝材料的比表面積增大，和易性明顯改善，且石粉和粉煤灰在混凝土中起到填充和包裹砂石的作用，使混凝土的回彈率，也提高了混凝土的密實度和強度。 在隧道襯砌混凝土中通過調整摻配石粉量，取得最佳石粉含量，保證其工作性和力學性能。

4.1 混凝土配合比及性能試驗

通過對常規C25 噴射混凝土及大摻量粉煤灰混凝土的配合比及性能指標進行對比，機制砂水洗后潔凈基本不含石粉，在原大摻量粉煤灰中摻入一定量石粉，指標對比見表2～表5，現場對混凝土的工作性、力學強度、外觀質量、外觀效果等進行檢測，結果見表6。

表2 常規C25 混凝土各材料用量

表3 常規C25 混凝土性能指標

表4 大摻量粉煤灰混凝土摻一定量石粉的配合比設計

表5 摻一定量石粉C25 噴混凝土室內、外工作性能及力學性能指標

表6 現場混凝土施工試驗結果綜合對比

經試驗證明， 在大摻量粉煤灰混凝土中加入一定量的石粉，混凝土單位用水量降低，粉煤灰用量減少；在工作性方面，混凝土的坍落度、 保水性及黏聚性得到大大改善， 回彈率減小，外觀質量較好；力學強度方面，混凝土7 d 齡期強度增長緩慢，強度隨著石粉含量增大而減慢，7d 后隨著石粉的水化作用的推進，強度相對增加較快，28 d 強度也能達到設計強度。

4.2 混凝土中應用

經過隧道襯砌混凝土配合比設計， 通過在篩洗的機制砂中摻入一定量的石粉，對比摻入石粉的混凝土性能，試驗對比見表7～表9。

表7 隧道襯砌混凝土基準配合比

表8 不同石粉含量混凝土的試驗參數

通過以上試驗分析， 石粉含量機制砂在拌和隧道襯砌混凝土石粉的最佳含量為6%～8%，機制砂的工作性和力學性能都能滿足施工和設計要求，石粉含量超標，通過機制砂加工工藝、篩洗及摻配等多方面滿足機制砂石粉含量，得到拌和混凝土的最佳石粉含量的方法[2]。

5 結論