基于球形度比的精品機制砂粒形特征研究

靳月清 劉巍 楊希濤

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

近年來，各地區(qū)市政、建筑、公路、鐵路等基礎設施建設快速推進，加速了原材料的消耗。不僅混凝土所用天然砂的開采質量難以控制，同時對生態(tài)環(huán)境造成較大的破壞。隨著環(huán)保形勢日趨嚴峻，機制砂的應用必將成為混凝土細骨料應用的主流，不僅節(jié)約建設成本，而且環(huán)保效益和社會效益顯著［1］，尤其以巖質隧道棄渣為原材料加工后形成的人工機制砂混凝土的應用越來越廣泛［2］。

細集料的顆粒形狀和表面紋理特征會影響混凝土性能，顆粒形狀是否良好也是評價機制砂品質的重要指標［3］。葉建雄等［4］通過分析不同機制砂顆粒形狀與水泥膠砂流動度的相關性，提出了水泥混凝土機制砂顆粒形狀的表征方法。宋少民等［5］分析了機制砂片狀顆粒含量對水泥膠砂和混凝土性能的影響。李艷等［6］分析了石粉含量對機制砂顆粒形貌參數(shù)的影響。楊魯?shù)龋?］、王振等［8］對比研究了普通河砂混凝土與高石粉含量機制砂混凝土在力學性能和耐久性等方面的差異。張琨健［9］基于粒形系數(shù)研究了機制砂顆粒形狀對混凝土坍落度、強度等力學性能的影響。岳曉偉等［10］分析了機制砂級配變化和顆粒形狀對空隙率的影響，結果表明平衡粒形和級配的關系方能獲得較低的空隙率。

已有研究結果表明［9，11］，采用數(shù)字圖像分析軟件評價機制砂顆粒形狀難以反映針片狀顆粒的特征，采用流動時間法、間隙率法表征機制砂顆粒形狀時存在試驗誤差大、重復性差等缺陷，而采用比表面積法時則存在試驗操作復雜且難以反映肉眼觀察不到的粒形特征。工程實踐表明，提高機制砂的顆粒球形度是混凝土用集料高品質化的關鍵［11］。

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

1 精品機制砂的生產(chǎn)和質量特點

相對于普通機制砂，本文所指精品機制砂的主要特點是：利用先進的生產(chǎn)設備，重點控制機制砂的粒形和石粉含量，制備出的機制砂粒形良好、級配合理、有效控制石粉含量，質量穩(wěn)定。

1.1 精品機制砂生產(chǎn)設備及要求

先進的機制砂生產(chǎn)設備應該具有如下功能組件：

1）集成的料源除塵系統(tǒng)

主要是用于進入破碎系統(tǒng)前，對原材料的土進行過篩處理，從源頭上控制機制砂的含泥量。

2）原料存儲平臺和輸送系統(tǒng)

主要用于堆放過篩后的原材料，設置遮蓋或封閉式存儲車間，確保原材料的含水率達到要求及防止二次污染。通過設置存儲平臺下方的皮帶輸送系統(tǒng)，實現(xiàn)材料自動輸入機制砂生產(chǎn)系統(tǒng)。

3）機制砂生產(chǎn)系統(tǒng)

機制砂生產(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)，并設置石粉存儲罐，成品料皮帶輸送系統(tǒng)和自動裝卸系統(tǒng)。

4）計算機自動化控制系統(tǒng)

整套生產(chǎn)系統(tǒng)采用計算機自動化控制，通過計算機操作控制上料、生產(chǎn)、裝卸等工藝流程，通過自動化控制系統(tǒng)實現(xiàn)機制砂生產(chǎn)工藝參數(shù)的設置及調(diào)整。

1.2 機制砂生產(chǎn)工藝

應用計算機和自動化控制技術，對原材料選擇、主要生產(chǎn)工藝、粒形控制等關鍵環(huán)節(jié)進行控制，通過對生產(chǎn)出的機制砂進行篩分、石粉含量試驗，對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，總結出全套的機制砂生產(chǎn)工藝。

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

2）除塵。原材料除塵，震動過篩，篩除原材料中的泥土。

3）存儲。過篩后的原材料存儲至封閉的原材料存儲平臺，待破碎。

4）輸送。采用皮帶輸送系統(tǒng)自動上料。

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

6）整形。破碎后的細小顆粒進入整形系統(tǒng)，通過高速旋轉，實現(xiàn)細顆粒整形。

7）篩分。篩除大粒徑顆粒，循環(huán)進入破碎系統(tǒng)。

8）除塵。將多余的粉塵通過負壓的方式集中收集，進入專門的石粉存儲罐，集中存放。

9）輸送。成品砂通過皮帶輸送系統(tǒng)進入成品存儲區(qū)。

10）成品存儲。產(chǎn)品集中存放。

1.3 精品機制砂質量特點

采用先進設備和科學工藝生產(chǎn)的精品機制砂與傳統(tǒng)機制砂相比較，有以下3個方面的質量特點：

1）粒形良好

通過增加整形裝置，對破碎后的機制砂進行整形處理，使得機制砂的粒形圓潤，消除針片狀顆粒形態(tài)，粒形變得良好。為保證粒形質量，提出機制砂的粒形控制指標——球形度比。

2）有效控制石粉含量

生產(chǎn)過程中安裝除塵裝置，并且從原材料開始就控制泥土含量，保證了石粉的質量。對整形后的機制砂進行除塵處理，通過負壓倒吸原理把多余的石粉吸附在一個儲存罐里，按照目標值控制石粉含量。

3）有效控制細度模數(shù)

生產(chǎn)設備安裝自動化生產(chǎn)控制程序，在生產(chǎn)系統(tǒng)中設置目標細度模數(shù)，通過調(diào)整生產(chǎn)參數(shù)，實現(xiàn)想要達到的細度模數(shù)。

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

2 精品機制砂粒形評價指標

2.1 定義

1）等效投影圓面積直徑：當一個顆粒的投影面積同另外一個圓的投影面積相等時，把該圓的直徑稱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與顆粒投影圖像的實際周長之比。

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)占檢測試樣總顆粒數(shù)的百分比。

2.2 球形度比的檢測方法

2.2.1 檢測儀器或設備

本試驗用方法需要的儀器設備有：①鼓風干燥箱，能使溫度控制在（105±5）℃；②天平，稱質量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；⑤粒形檢測儀。

2.2.2 試驗步驟

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

2）分別稱量0.6，1.18，2.36，4.75 mm 篩余質量，精確至1 g，分別將各粒級試樣放置于粒形檢測儀進料口，均勻下料，使粒徑均勻的顆粒均勻的進入成像室。

3）計算機通過軟件采集圖像數(shù)據(jù)，待試樣完全通過成像室后，采用分析軟件對粒形結果進行統(tǒng)計計算。

2.2.3 試驗結果計算

1）球形度的計算結果精確至0.1，計算式為

式中：PEQPC為顆粒的等效投影圓周長，見圖1；Preal為顆粒投影圖像的實際周長，見圖2；A為投影面積。

圖1 顆粒的等效投影圓周長和直徑

圖2 顆粒投影圖像的實際周長

S結果處于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。

2）球形度比Sr0.8，Sr0.7的計算結果精確至0.1%，計算式分別為

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分別取兩次試驗結果的算數(shù)平均值，精確至1%。

4）單次試驗、單個砂樣的Sr0.8和Sr0.7分別取各粒級總和的平均值，精確至1%（當某個粒級上的篩余量為0時，該粒級的Sr0.8及Sr0.7均按100%計）。

2.3 球形度比試驗

選擇不同地區(qū)及工藝生產(chǎn)的機制砂按上述方法進行球形度比試驗，對試驗樣品進行編號，其中1#，3#，6#，8#樣為普通機制砂（PTS），2#，4#樣為精品機制砂（JPS），5#，7#樣為生產(chǎn)碎石產(chǎn)生的石粉（SF）。具體試驗結果見表1。

由表1可見，無論是精品機制砂，還是普通機制砂或者石粉，球形度比0.5、球形度比0.6 均能達到98%以上；球形度比0.7 及以上，開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 個技術指標的數(shù)據(jù)，參照現(xiàn)行標準規(guī)范對機制砂的球形度比進行類別劃分，具體見表2。

表1 機制砂試樣的球形度比試驗結果 %

表2 不同類別機制砂的球形度比技術指標要求 %

結合規(guī)范中混凝土用砂質量要求［12］，建議精品機制砂的粒形采用Sr0.8和Sr0.72 個技術指標同時控制，1類砂和2類砂均可用于混凝土，3類砂僅用于砂漿。

3 結論

本文系統(tǒng)地研究了機制砂生產(chǎn)設備、生產(chǎn)工藝和質量控制指標等關鍵環(huán)節(jié)，得到如下主要結論：

1）精品機制砂生產(chǎn)工藝中的關鍵設備主要包括除塵設備和整形設備。

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

3）精品機制砂的粒形宜采用球形度比0.8及球形度比0.7 這2 個技術指標同時控制，1 類砂和2 類砂均可用于混凝土，3類砂僅用于砂漿。

4）采用球形度比表征精品機制砂的粒形特征是比較合理的，健全了精品機制砂的技術評價體系和檢測方法，為推廣精品機制砂的規(guī)模化生產(chǎn)和應用具有借鑒作用。