大型砂石骨料加工系統(tǒng)機(jī)制砂最優(yōu)石粉含量試驗(yàn)研究

成毅峰

(中國(guó)水利水電第四工程局有限公司,青海 西寧 810007)

采用人工骨料生產(chǎn)混凝土在國(guó)內(nèi)大型、特大型水電站中已大量成功應(yīng)用,但部分工程人工砂石骨料加工系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)不完善,設(shè)備選型配置不合理,系統(tǒng)運(yùn)行后管理不善,造成生產(chǎn)出的成品砂料質(zhì)量不能滿足水工混凝土相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的技術(shù)要求,以石粉含量超標(biāo)或不足最難控制[1]。石粉含量的高或低,都會(huì)影響混凝土實(shí)體質(zhì)量,也會(huì)增加混凝土的膠凝材料用量而增加施工成本。國(guó)內(nèi)部分研究也表明石粉含量有助于提高混凝土性能,認(rèn)為C25～C45混凝土中機(jī)制砂石粉最佳含量在11%～14%之間[2],C30機(jī)制砂混凝土的最佳石粉含量為9%～12%[3],C35和C45機(jī)制砂混凝土的石粉合理含量為7%～13%和5%～8%[4]。本文通過(guò)砂石骨料加工系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)備選型、生產(chǎn)出的機(jī)制砂的石粉含量檢測(cè)、對(duì)應(yīng)的混凝土性能試驗(yàn),準(zhǔn)確掌握了石粉含量與坍落度損失[5]、拌和用水量[6]、混凝土強(qiáng)度之間的關(guān)系及變化規(guī)律[7],確定最優(yōu)的石粉含量,以確保混凝土質(zhì)量,節(jié)省成本。

1 概 述

水利工程混凝土骨料主要通過(guò)砂石骨料加工系統(tǒng)生產(chǎn),其生產(chǎn)強(qiáng)度高,質(zhì)量要求高。本文所述砂石加工系統(tǒng)毛料處理能力為600t/h,成品骨料生產(chǎn)能力為500t/h,骨料生產(chǎn)總量為350萬(wàn)t。砂石系統(tǒng)按一天兩班14h工作制,生產(chǎn)能力滿足5.8萬(wàn)m3的混凝土平均澆筑強(qiáng)度需求。該系統(tǒng)料源以灰?guī)r為主,采用爆破開挖、自卸車運(yùn)輸至骨料加工系統(tǒng),生產(chǎn)的成品骨料滿足四種級(jí)配混凝土需求,通過(guò)膠帶機(jī)運(yùn)輸至混凝土拌和系統(tǒng)。

2 砂石加工系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 砂石加工系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

砂石加工系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循加工工藝先進(jìn)可靠,“生產(chǎn)可靠、技術(shù)先進(jìn)、節(jié)省投資、提高效益”的原則,采用“二段破碎、二級(jí)篩分、棒磨機(jī)制砂”的工藝,粗碎為開路生產(chǎn),中碎與第一篩分車間構(gòu)成閉路。

a.料場(chǎng)開采的毛料通過(guò)汽車運(yùn)送至砂石加工系統(tǒng)粗碎回車平臺(tái);毛料進(jìn)入粗碎受料斗后經(jīng)棒條振動(dòng)給料機(jī)分級(jí)給料,篩條間隙預(yù)設(shè)為150mm,大于150mm的物料進(jìn)入粗碎車間反擊式破碎機(jī),小于150mm的物料進(jìn)入膠帶機(jī),兩路物料采用膠帶機(jī)送入半成品料堆。

b.半成品料經(jīng)振動(dòng)給料機(jī)及膠帶機(jī)進(jìn)入第一篩分車間進(jìn)行篩分分級(jí)、沖洗。第一篩分設(shè)三層圓振動(dòng)篩,篩孔控制尺寸為150mm、80mm、40mm。篩分后成品特大石(80～150mm)、大石(40～80mm)經(jīng)膠帶機(jī)送入成品料堆。

c.超徑石(>150mm)、富余的特大石(80～150mm)及大石(40～80mm)經(jīng)膠帶機(jī)送入中碎車間;小于40mm的物料進(jìn)螺旋洗石機(jī)處理后送入第二篩分車間。

d.第二篩分車間設(shè)三層圓振動(dòng)篩,篩孔控制尺寸為20mm、5mm、3mm。骨料經(jīng)篩分后,成品中石(20～40mm)、小石(5～20mm)及經(jīng)螺旋洗砂機(jī)與脫水直線振動(dòng)篩處理后的成品砂(<5mm)通過(guò)膠帶機(jī)送入成品料堆;富余的小石(5～20mm)、中石(20～40mm)及部分粗砂(3～5mm)送入制砂車間進(jìn)行棒磨機(jī)制砂及模數(shù)調(diào)整。

e.第二篩分、制砂車間沖洗尾水匯合后,通過(guò)細(xì)砂回收裝置對(duì)尾水中的部分細(xì)砂、石粉進(jìn)行回收利用,其溢流水與第一篩分車間沖洗尾水匯合后自流到砂石系統(tǒng)廢水處理車間進(jìn)行處理。

2.2 設(shè)備選型及配置

a.粗碎車間。設(shè)計(jì)處理能力為600t/h,車間內(nèi)配置1500×6000型變頻棒條振動(dòng)給料機(jī)2臺(tái),反擊式破碎機(jī)2臺(tái)。粗碎系統(tǒng)采用開路生產(chǎn),設(shè)計(jì)給料粒徑小于800mm,設(shè)計(jì)排料口開度為150mm,其單臺(tái)生產(chǎn)能力為350～400t/h,設(shè)備負(fù)荷率約為65%。

b.中碎車間:設(shè)計(jì)處理能力為270t/h,車間內(nèi)配置反擊式破碎機(jī)2臺(tái)。給料粒徑小于300mm,設(shè)計(jì)排料口開度為30mm,其單臺(tái)生產(chǎn)能力為200～250t/h,設(shè)備負(fù)荷率約為67%。

c.制砂車間。設(shè)置3臺(tái)型號(hào)為MBZ2136的棒磨機(jī),其單機(jī)處理能力為30～40t/h,設(shè)備負(fù)荷率約為65%。

d.第一篩分車間。設(shè)計(jì)處理能力為870t/h,車間內(nèi)配置3YKR2460H型圓振篩2臺(tái),振動(dòng)篩采用三層篩網(wǎng),篩孔控制尺寸分別為150mm、80mm、40mm,設(shè)備負(fù)荷率約為63%。

e.第二篩分車間。設(shè)計(jì)處理能力為440t/h,車間內(nèi)配置3YKR3075型圓振篩2臺(tái),振動(dòng)篩采用三層篩網(wǎng),篩孔控制尺寸分別為20mm、5mm、3mm,設(shè)備負(fù)荷率約為50%。

3 成品砂中石粉含量控制措施

機(jī)制砂生產(chǎn)過(guò)程中石粉含量變化的影響因素較多,包括料源顆粒形狀、開采工藝等,主要從以下五個(gè)方面控制石粉含量:

a.控制料場(chǎng)開采爆破單耗。同一料場(chǎng)內(nèi)不同區(qū)域、不同高程石料的巖性可能不同,包括母巖的強(qiáng)度、脆性、巖石結(jié)構(gòu)、礦物組成、化學(xué)成分各不相同,爆破后容易造成級(jí)配不均勻,石粉含量過(guò)多。料場(chǎng)石料開采時(shí)的分區(qū)分段、布孔方式、裝藥結(jié)構(gòu)、堵塞長(zhǎng)度以及起爆方式等因素都會(huì)改變爆破單耗,影響爆破后級(jí)配,進(jìn)而對(duì)石粉含量造成影響。經(jīng)試驗(yàn),石粉含量會(huì)隨爆破單耗的增大而增大。

b.選擇合理的制砂設(shè)備。當(dāng)前制砂破碎原理主要有四種,分別是擠壓破碎、劈碎破碎、折斷破碎和沖擊破碎,多數(shù)制砂機(jī)的破碎原理為這四種形式的組合。棒磨機(jī)是一種高效、使用最廣泛的制砂設(shè)備,棒磨機(jī)鋼棒之間有條形的縫隙,棒縫橫截面越大,所接納的碎屑越粗,碎屑中的細(xì)粒被二次研磨的機(jī)會(huì)減少,能夠有效控制過(guò)粉碎,相反過(guò)粉會(huì)加重;也可使已達(dá)到細(xì)度要求的顆粒沿縫隙被水沖出筒體,棒縫可起到篩分的作用。另外,在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中,會(huì)造成棒磨機(jī)鋼棒的磨損,鋼棒的直徑逐漸變小,棒縫也會(huì)逐漸變小,石粉含量也會(huì)隨之變化。一般情況下當(dāng)機(jī)制砂中石粉含量過(guò)小時(shí)可選擇鋼棒略粗的棒磨機(jī),并在棒磨機(jī)運(yùn)行過(guò)程中及時(shí)檢鋼棒的磨損程度,定期加入新棒,如此石粉含量可得到有效控制。

c.控制好加工料在棒磨機(jī)內(nèi)的停留時(shí)間。需加工的石料進(jìn)入棒磨機(jī)的筒體后,首先在拋落鋼棒的沖擊作用下初碎成碎屑,再在鋼棒的沖擊、研磨作用下進(jìn)一步粉碎。若被磨碎到滿足要求粒徑的骨料能及時(shí)排出筒體,過(guò)度粉碎的現(xiàn)象將得到控制,從而減少石粉含量。否則,骨料反復(fù)遭受鋼棒的研磨,一破再破,形成較多的石粉。可見(jiàn)骨料在筒體中停留的時(shí)間太長(zhǎng),會(huì)遭受鋼棒的反復(fù)研磨,造成石粉含量增加。

d.控制進(jìn)入棒磨機(jī)的進(jìn)料量。在生產(chǎn)過(guò)程中,控制砂的細(xì)度模數(shù)最有效的方法是控制進(jìn)入棒磨機(jī)的待加工骨料量,需要生產(chǎn)細(xì)度模數(shù)較小的砂時(shí),棒磨機(jī)的進(jìn)料量要控制得小一點(diǎn)。在棒磨機(jī)其他條件不變的情況下,進(jìn)入棒磨機(jī)筒體的物料體積減小,單位體積物料所受的沖擊力和研磨力都會(huì)增大,從而增加物料的實(shí)際破碎比功,以生產(chǎn)出較細(xì)的砂。

e.控制洗砂用水流速。在一定范圍內(nèi)水的流速越大,石粉含量就越小,在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中可通過(guò)及時(shí)調(diào)整水量控制石粉含量。

4 石粉含量對(duì)混凝土性能影響的試驗(yàn)

4.1 水泥性能指標(biāo)

為了確定混凝土性能最優(yōu)的石粉含量,為后期混凝土拌和生產(chǎn)提供技術(shù)依據(jù),試驗(yàn)采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥,試驗(yàn)水泥主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 P·O 42.5普通硅酸鹽水泥性能指標(biāo)

4.2 粉煤灰性能指標(biāo)

F類Ⅰ級(jí)粉煤灰性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 F類Ⅰ級(jí)粉煤灰性能指標(biāo)

4.3 混凝土配合比

對(duì)同等級(jí)混凝土,分別選取石粉含量為3%、6%、9%、12%、15%、18%的骨料進(jìn)行混凝土配合比試驗(yàn),得到不同石粉含量的混凝土配合比,見(jiàn)表3。

表3 不同石粉含量對(duì)應(yīng)的混凝土配合比

4.4 石粉含量對(duì)混凝土用水量的影響

混凝土配合比試驗(yàn),表明,在混凝土水膠比、砂率不變的情況下,混凝土單位用水量隨石粉含量增大而增大,不同石粉含量二級(jí)配混凝土的用水量與石粉含量關(guān)系曲線見(jiàn)圖1。

圖1 混凝土用水量與石粉含量關(guān)系曲線

4.5 石粉含量對(duì)混凝土坍落度的影響

對(duì)用石粉含量3%、6%、9%、12%、15%、18%的骨料生產(chǎn)的混凝土進(jìn)行坍落度試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明在混凝土水膠比、砂率不變的情況下,石粉含量在8%～14%之間的混凝土坍落度損失率最小。不同石粉含量混凝土坍落度歷時(shí)變化統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖2。

圖2 坍落度損失率與石粉含量關(guān)系曲線圖

4.6 石粉含量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

對(duì)用石粉含量3%、6%、9%、12%、15%、18%的骨料生產(chǎn)的混凝土進(jìn)行混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)檢測(cè),試驗(yàn)結(jié)果表明在混凝土水膠比、砂率不變的情況下,當(dāng)機(jī)制砂中石粉含量為11%～12%時(shí),兩種齡期下混凝土抗壓強(qiáng)度最大,當(dāng)石粉含量小于12%時(shí),抗壓強(qiáng)度值隨石粉含量增加而增大;當(dāng)石粉含量大于12%時(shí),抗壓強(qiáng)度值隨石粉含量增加而減小。不同石粉含量下混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖3。

圖3 混凝土抗壓強(qiáng)度與石粉含量關(guān)系曲線

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)控制料場(chǎng)開采爆破單耗、選擇合理的制砂設(shè)備、控制加工料進(jìn)入棒磨機(jī)的停留時(shí)間、控制進(jìn)料量、控制洗砂用水流速等措施,可有效控制機(jī)制砂石粉含量,結(jié)合混凝土性能檢測(cè),確定最優(yōu)的石粉含量和對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)工藝,并得出以下結(jié)論:

a.在混凝土水膠比、砂率不變的情況下,混凝土單位用水量隨石粉含量增大而增大。

b.在混凝土水膠比、砂率不變的情況下,混凝土坍落度損失率在石粉含量8%～14%之間時(shí)損失率最小。

c.在混凝土水膠比、砂率不變的情況下,機(jī)制砂石粉含量為11%～12%時(shí),兩種齡期下混凝土抗壓強(qiáng)度最大,當(dāng)石粉含量小于12%時(shí),混凝土抗壓強(qiáng)度隨石粉含量增加而增大;當(dāng)石粉含量大于12%時(shí),混凝土抗壓強(qiáng)度隨石粉含量增加而減小。

d.本砂石骨料加工系統(tǒng)生產(chǎn)的機(jī)制砂中石粉含量滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求,石粉含量在8%～14%之間時(shí),混凝土和易性最優(yōu),強(qiáng)度較高。