再生集料的破碎性能及破碎工艺
2018-11-26丁龙亭王选仓张文刚彭洋洋
丁龙亭,王选仓,何 璐,翟 勇,张文刚,彭洋洋
(1.长安大学 公路学院,陕西 西安 710064; 2.山东理工大学 建筑工程学院,山东 淄博 255049; 3.济南城建集团有限公司,山东 济南 250000)
0 引 言
一些发达国家和地区对于废旧混凝土的再生研究比较成熟,再生利用率超过90%,而国内的废旧混凝土再生技术刚刚起步,综合再生利用率不超过5%,与发达国家差距很大[1-10]。Chen How-Ji通过研究发现,再生集料经过清洗,不会导致再生混凝土强度的降低。李惠强等提出了包括大块体破碎、预处理、破碎分选、强化处理等再生集料加工工艺[11-12]。史巍等研究出一种新型破碎加工工艺:废旧混凝土首先通过初级破碎装置破碎,再筛分成小于10 mm、10~40 mm这2种范围的粒径,然后进行二次筛分、风力分级,得到微粉(<0.15 mm)、再生细集料(0.15~5 mm)和再生粗集料(5~25 mm)。这种加工工艺简洁高效、结构新颖、加工成本低,比较适合当前中国发展需要,但是目前缺乏系统深入的研究[[13-15]。
针对中国目前没有统一的废旧混凝土再生集料破碎工艺这一问题,本文通过建立破碎模型,进行不同破碎机对再生集料和天然石材的破碎试验,分析各自的破碎性能,并提出新的再生集料破碎工艺,以期为再生集料的推广应用提供技术依据。
1 破碎模型的建立
1.1 破碎模型的基本框架
相比于原砾石,新产生的碎石破碎面更粗糙,具有较好的棱角性、表面构造和表面轮廓,即更高的颗粒指数。通过建立破碎模型并比选母岩破碎前的规格,能够得出母岩预筛分的筛孔尺寸。根据破碎面与总表面两者之间的面积比,可以求出满足不同破碎要求的母岩尺寸[16-17]。
假定母岩的表面积破碎前是SA,破碎后是SB,新的破碎面面积则为SB-SA,记作SC。石料的破碎面面积占总面积的比例为
(1)
破碎前与破碎后相比,面积发生改变,而体积没有变化,不同尺寸的母岩加工处理成不同粒径的再生集料后,求出常见的几种粒料特征的α值,通过研究α值与破碎后石料质量之间的关系可间接给出破碎母岩的控制粒径,进而达到控制石料破碎生产的目的。
1.2 破碎模型的建立
(1)确定母岩的形状特征。母岩形状特征如图1所示,影响母岩颗粒形状特征的因素有很多,因此其形状很难用单一的标准去衡量,相比之下,比表面积值较容易测量。
图1 母岩形状特征
(2)确定母岩破碎后的颗粒特征。集料的颗粒形状除了可以用表面积分析仪测出的比表面积表示外,也可用规格立方体近似表示。根据工程实际,模型计算采用的四档集料分别是5~10 mm、10~20 mm、20~40 mm、40~60 mm[18-19]。
(3)基于破碎前后表面积变化的数学模型。为了便于计算,以单位体积的表面积表征比表面积SA,母岩的表观密度ρα假设为2.70 g·cm-3[20]。
破碎前
式中:V为单颗粒母岩的平均体积(cm3);m0为各母岩质量分级范围的前值(kg),则各档母岩的平均质量为1.25mo;i为变量,表示不同的粒径,i=1、2、3、4、…。
破碎后
式中:ni为破碎后单颗粒母岩的各种形状或是各种粒径的粒料数量平均值;Vi为破碎后各粒级单颗粒体积,本项目中为4种形状按一定比例合成后的体积(cm3);SBi为破碎后的各种形状或者各种粒径的表面积(cm2)。
2 再生集料破碎流程
2.1 试验仪器与材料
(1)颚式破碎机,型号为Y132S-4,功率为5.5 kW。
(2)锤式破碎机,型号为YX3 132S-4,功率为5.5 kW。
(3)圆形方孔筛,所需筛孔依次为:16、9.6、4.75、2.36、1.18、0.6、0.3、0.15、0.075 mm。
(4)废旧的混凝土试块要求完整,试块数量要满足试验所需。
(5)天然石材要求硬度要大,不得含有黏土岩、片岩等,以石灰岩、花岗岩为宜。
2.2 试验方法
取满足试验要求的4组废旧混凝土和4组天然石材,其中1号天然石材、2号天然石材、1号废旧混凝土、2号废旧混凝土均使用颚式破碎机破碎,3号天然石材、4号天然石材、3号废旧混凝土、4号废旧混凝土用锤式破碎机破碎。破碎结束后将破碎集料收集好,之后用圆形方孔筛筛分,分别装袋并做好编号。筛分结束之后观察采用2种破碎方式破碎后与破碎前破碎面的变化,并分析2种破碎方式破碎集料的石屑比和破碎比。
3 再生集料的破碎性能
3.1 破碎前后的表观特征
3.1.1 废旧混凝土破碎的表观特征
(1)废旧混凝土用颚式破碎机破碎后的表观特征如图2所示。破碎后的破碎面数量基本保持不变,都是6个;集料颗粒棱角分明,介于卵石和碎石之间,含有较多的孔隙,表面附有硬化的水泥砂浆,破碎面粗糙不规则。
图2 颚式破碎机破碎的废旧混凝土
(2)废旧混凝土用锤式破碎机破碎后的表观特征如图3所示。再生集料通过锤式破碎机破碎后,破碎面有明显变化,破碎前破碎面为6个,破碎后破碎面变得圆滑,数量出现4、6、7、8个;大多数的集料表面都附有硬化的水泥砂浆,其中一部分是破碎时的砂浆颗粒,另一部分是已经脱离砂浆的石子。
图3 锤式破碎机破碎的废旧混凝土
3.1.2 天然石材破碎的表观特征
(1)天然石材用颚式破碎机破碎后的表观特征如图 4所示。破碎后破碎面数量无显著变化,集料表面带有棱角,表面无明显孔隙,破碎面较规则。
图4 颚式破碎机破碎的天然石材
(2)天然石材用锤式破碎机破碎后的表观特征如图5所示,破碎后破碎面有明显变化,破碎前为6个,破碎后破碎面出现4、6、7、8个,破碎面较圆滑,与废旧混凝土的表观特征无明显差别。
图5 锤式破碎机破碎的天然石材
3.1.3 破碎结果对比
颚式破碎机破碎出的再生集料粒径较大,且破碎面无明显的数量变化,基本为6个;废旧混凝土的破碎面不规则,天然石材破碎面较规则,但两者破碎面都比较尖锐。锤式破碎机破碎出的再生集料粒径较小,破碎面有明显数量变化,且更为圆滑。
废旧混凝土破碎后的形状特征介于卵石和碎石之间,集料表面有棱角和较多的孔隙,且表面附着有硬化的水泥砂浆,其中一部分是破碎时的砂浆颗粒,另外一部分是已经脱离砂浆的石子;天然石材破碎后破碎面比较光滑,表面不存在明显的孔隙。
3.2 破碎比分析
3.2.1 废旧混凝土的破碎比分析
(1)颚式破碎机破碎废旧混凝土的破碎比如表1所示。
表1 颚式破碎机破碎废旧混凝土的破碎比
(2)锤式破碎机破碎废旧混凝土的破碎比如表2所示。
表2 锤式破碎机破碎废旧混凝土的破碎比
3.2.2 天然石材的破碎比分析
(1)颚式破碎机破碎天然石材的破碎比如表3所示。
表3 颚式破碎机破碎天然石材的破碎比
(2)锤式破碎机破碎天然石材的破碎比如表4所示。
表4 锤式破碎机破碎天然石材的破碎比
3.2.3 破碎比对比分析
由表1~4可以得出:废旧混凝土和天然石材破碎比只与破碎方式有关系,颚式破碎机破碎的集料破碎比为6.25,而锤式破碎机的破碎比为10.416;颚式破碎机和锤式破碎机的效果不同,二者的集料比率见表5,前者破碎后的大粒径集料比较多,原材料的减少程度较小,后者破碎的石屑比较大,原材料减少程度较大。
表5 颚式与锤式破碎机集料比率
3.3 石屑比分析
本文石屑比是指大于4.75 mm、2.36~4.75 mm、小于2.36 mm这3个粒径范围内的石屑所占比率。颚式破碎机破碎石屑比如表6所示,锤式破碎机破碎石屑比如表7所示。
表6 颚式破碎机破碎的石屑比
表7 锤式破碎机破碎的石屑比
通过表6、7可以发现,颚式破碎机破碎出的集料石屑比较小,锤式破碎机破碎出的集料石屑比较大,可见石屑比的大小和破碎方式有直接的关系。颚式破碎机破碎的集料中有90%的粒径不小于4.75 mm,而锤式破碎机破碎的集料中有60%以上的粒径不大于2.36 mm,相比于颚式破碎机,锤式破碎机破碎后的石屑比更大。
4 再生集料破碎工艺
通过分析2种不同的破碎方式,提出新的破碎工艺如下。
(1)对废旧混凝土进行预处理,先进行初步破碎,然后分离杂质和混凝土块。
(2)预筛分,除去多余的杂质。
(3)用颚式破碎机做初步破碎,并对废料进行处理。
(4)进行二次杂物分选,去除颗粒较小的杂质。
(5)锤式破碎机实现最后一步破碎,确保破碎质量。
(6)通过风力将破碎集料充分分级,获得高品质再生破碎集料。
再生集料破碎加工工艺流程如图6所示。
图6 破碎加工工艺流程
5 结 语
(1)本文建立了再生集料的破碎模型,分别使用颚式、锤式破碎机破碎废旧混凝土和天然石材,对比分析破碎表观特征、破碎比和石屑比等指标,发现不同的破碎方式对集料的关键性指标有很大的影响。
(2)颚式破碎机破碎出的集料粒径较大,破碎前后基本都为6个破碎面,废旧混凝土的破碎面不规则,天然石材的破碎面较规则;锤式破碎机破碎出的集料粒径较小,破碎面有明显数量变化,且破碎面更加圆滑,破碎的废旧混凝土和天然石材表观特征无明显差别。
(3)相比颚式破碎机,锤式破碎机的破碎比和石屑比更大,大粒径集料更少,原材料减少程度更大。