大型砂石骨料加工系統機制砂最優石粉含量試驗研究

成毅峰

(中國水利水電第四工程局有限公司,青海 西寧 810007)

采用人工骨料生產混凝土在國內大型、特大型水電站中已大量成功應用,但部分工程人工砂石骨料加工系統工藝設計不完善,設備選型配置不合理,系統運行后管理不善,造成生產出的成品砂料質量不能滿足水工混凝土相關標準和規范的技術要求,以石粉含量超標或不足最難控制[1]。石粉含量的高或低,都會影響混凝土實體質量,也會增加混凝土的膠凝材料用量而增加施工成本。國內部分研究也表明石粉含量有助于提高混凝土性能,認為C25～C45混凝土中機制砂石粉最佳含量在11%～14%之間[2],C30機制砂混凝土的最佳石粉含量為9%～12%[3],C35和C45機制砂混凝土的石粉合理含量為7%～13%和5%～8%[4]。本文通過砂石骨料加工系統設計、設備選型、生產出的機制砂的石粉含量檢測、對應的混凝土性能試驗,準確掌握了石粉含量與坍落度損失[5]、拌和用水量[6]、混凝土強度之間的關系及變化規律[7],確定最優的石粉含量,以確保混凝土質量,節省成本。

1 概 述

水利工程混凝土骨料主要通過砂石骨料加工系統生產,其生產強度高,質量要求高。本文所述砂石加工系統毛料處理能力為600t/h,成品骨料生產能力為500t/h,骨料生產總量為350萬t。砂石系統按一天兩班14h工作制,生產能力滿足5.8萬m3的混凝土平均澆筑強度需求。該系統料源以灰巖為主,采用爆破開挖、自卸車運輸至骨料加工系統,生產的成品骨料滿足四種級配混凝土需求,通過膠帶機運輸至混凝土拌和系統。

2 砂石加工系統設計

2.1 砂石加工系統流程設計

砂石加工系統設計遵循加工工藝先進可靠,“生產可靠、技術先進、節省投資、提高效益”的原則,采用“二段破碎、二級篩分、棒磨機制砂”的工藝,粗碎為開路生產,中碎與第一篩分車間構成閉路。

a.料場開采的毛料通過汽車運送至砂石加工系統粗碎回車平臺;毛料進入粗碎受料斗后經棒條振動給料機分級給料,篩條間隙預設為150mm,大于150mm的物料進入粗碎車間反擊式破碎機,小于150mm的物料進入膠帶機,兩路物料采用膠帶機送入半成品料堆。

b.半成品料經振動給料機及膠帶機進入第一篩分車間進行篩分分級、沖洗。第一篩分設三層圓振動篩,篩孔控制尺寸為150mm、80mm、40mm。篩分后成品特大石(80～150mm)、大石(40～80mm)經膠帶機送入成品料堆。

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

d.第二篩分車間設三層圓振動篩,篩孔控制尺寸為20mm、5mm、3mm。骨料經篩分后,成品中石(20～40mm)、小石(5～20mm)及經螺旋洗砂機與脫水直線振動篩處理后的成品砂(<5mm)通過膠帶機送入成品料堆;富余的小石(5～20mm)、中石(20～40mm)及部分粗砂(3～5mm)送入制砂車間進行棒磨機制砂及模數調整。

e.第二篩分、制砂車間沖洗尾水匯合后,通過細砂回收裝置對尾水中的部分細砂、石粉進行回收利用,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廢水處理車間進行處理。

2.2 設備選型及配置

a.粗碎車間。設計處理能力為600t/h,車間內配置1500×6000型變頻棒條振動給料機2臺,反擊式破碎機2臺。粗碎系統采用開路生產,設計給料粒徑小于800mm,設計排料口開度為150mm,其單臺生產能力為350～400t/h,設備負荷率約為65%。

b.中碎車間:設計處理能力為270t/h,車間內配置反擊式破碎機2臺。給料粒徑小于300mm,設計排料口開度為30mm,其單臺生產能力為200～250t/h,設備負荷率約為67%。

c.制砂車間。設置3臺型號為MBZ2136的棒磨機,其單機處理能力為30～40t/h,設備負荷率約為65%。

d.第一篩分車間。設計處理能力為870t/h,車間內配置3YKR2460H型圓振篩2臺,振動篩采用三層篩網,篩孔控制尺寸分別為150mm、80mm、40mm,設備負荷率約為63%。

e.第二篩分車間。設計處理能力為440t/h,車間內配置3YKR3075型圓振篩2臺,振動篩采用三層篩網,篩孔控制尺寸分別為20mm、5mm、3mm,設備負荷率約為50%。

3 成品砂中石粉含量控制措施

機制砂生產過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,主要從以下五個方面控制石粉含量:

a.控制料場開采爆破單耗。同一料場內不同區域、不同高程石料的巖性可能不同,包括母巖的強度、脆性、巖石結構、礦物組成、化學成分各不相同,爆破后容易造成級配不均勻,石粉含量過多。料場石料開采時的分區分段、布孔方式、裝藥結構、堵塞長度以及起爆方式等因素都會改變爆破單耗,影響爆破后級配,進而對石粉含量造成影響。經試驗,石粉含量會隨爆破單耗的增大而增大。

b.選擇合理的制砂設備。當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,多數制砂機的破碎原理為這四種形式的組合。棒磨機是一種高效、使用最廣泛的制砂設備,棒磨機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,碎屑中的細粒被二次研磨的機會減少,能夠有效控制過粉碎,相反過粉會加重;也可使已達到細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,在系統運行過程中,會造成棒磨機鋼棒的磨損,鋼棒的直徑逐漸變小,棒縫也會逐漸變小,石粉含量也會隨之變化。一般情況下當機制砂中石粉含量過小時可選擇鋼棒略粗的棒磨機,并在棒磨機運行過程中及時檢鋼棒的磨損程度,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內的停留時間。需加工的石料進入棒磨機的筒體后,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、研磨作用下進一步粉碎。若被磨碎到滿足要求粒徑的骨料能及時排出筒體,過度粉碎的現象將得到控制,從而減少石粉含量。否則,骨料反復遭受鋼棒的研磨,一破再破,形成較多的石粉。可見骨料在筒體中停留的時間太長,會遭受鋼棒的反復研磨,造成石粉含量增加。

d.控制進入棒磨機的進料量。在生產過程中,控制砂的細度模數最有效的方法是控制進入棒磨機的待加工骨料量,需要生產細度模數較小的砂時,棒磨機的進料量要控制得小一點。在棒磨機其他條件不變的情況下,進入棒磨機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增大,從而增加物料的實際破碎比功,以生產出較細的砂。

e.控制洗砂用水流速。在一定范圍內水的流速越大,石粉含量就越小,在實際生產過程中可通過及時調整水量控制石粉含量。

4 石粉含量對混凝土性能影響的試驗

4.1 水泥性能指標

為了確定混凝土性能最優的石粉含量,為后期混凝土拌和生產提供技術依據,試驗采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥,試驗水泥主要性能指標見表1。

表1 P·O 42.5普通硅酸鹽水泥性能指標

4.2 粉煤灰性能指標

F類Ⅰ級粉煤灰性能指標見表2。

表2 F類Ⅰ級粉煤灰性能指標

4.3 混凝土配合比

對同等級混凝土,分別選取石粉含量為3%、6%、9%、12%、15%、18%的骨料進行混凝土配合比試驗,得到不同石粉含量的混凝土配合比,見表3。

表3 不同石粉含量對應的混凝土配合比

4.4 石粉含量對混凝土用水量的影響

混凝土配合比試驗,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,不同石粉含量二級配混凝土的用水量與石粉含量關系曲線見圖1。

圖1 混凝土用水量與石粉含量關系曲線

4.5 石粉含量對混凝土坍落度的影響

對用石粉含量3%、6%、9%、12%、15%、18%的骨料生產的混凝土進行坍落度試驗,試驗結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變化統計見圖2。

圖2 坍落度損失率與石粉含量關系曲線圖

4.6 石粉含量對混凝土抗壓強度的影響

對用石粉含量3%、6%、9%、12%、15%、18%的骨料生產的混凝土進行混凝土抗壓強度試驗檢測,試驗結果表明在混凝土水膠比、砂率不變的情況下,當機制砂中石粉含量為11%～12%時,兩種齡期下混凝土抗壓強度最大,當石粉含量小于12%時,抗壓強度值隨石粉含量增加而增大;當石粉含量大于12%時,抗壓強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度試驗統計見圖3。

圖3 混凝土抗壓強度與石粉含量關系曲線

5 結 語

通過控制料場開采爆破單耗、選擇合理的制砂設備、控制加工料進入棒磨機的停留時間、控制進料量、控制洗砂用水流速等措施,可有效控制機制砂石粉含量,結合混凝土性能檢測,確定最優的石粉含量和對應的生產工藝,并得出以下結論:

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%之間時損失率最小。

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

d.本砂石骨料加工系統生產的機制砂中石粉含量滿足設計和規范要求,石粉含量在8%～14%之間時,混凝土和易性最優,強度較高。