水对机制砂石粉含量的影响及机理研究

王金锋

(中国铁建重工集团股份有限公司，湖南 长沙 410100)

0 引 言

随着中国经济的高速发展，基建工程领域的砂石骨料需求逐年增加，同时天然河砂资源枯竭，机制砂已出现严重短缺和区域供需不平衡现象。一方面，机制砂因原料易得、经济效益高，在铁路工程施工中已得到广泛的应用；另一方面，由于工艺选择不当，机制砂级配差、石粉含量高等问题亟待解决[1-2]。前人的研究大多集中于机制砂中的石粉对混凝土、砂浆性能的影响。研究表明，有些机制砂中的石粉对减水剂的大量吸附会导致混凝土流动性降低，坍落度损失大[3-4]，Pera等人研究表明，机制砂中的石粉取代一定比例的普通硅酸盐水泥后，可以提升混凝土的强度[5]。岳海军认为石粉含量的增加，可以提高混凝土致密性，减少孔隙，增强抗氯离子渗透能力[6]。程伟峰认为，采用外掺石粉会降低减水剂的减水及保坍性能，而采用内掺法可以有效改善混凝土坍落度损失问题[7]。整体来看，石粉含量的增加会显著影响混凝土的工作性能和力学性能。

然而，石粉含量作为评价机制砂质量的一个重要指标，仍缺乏影响其含量高低的机理研究。中国现行的《建设用砂》(GB/T 14684)中规定，机制砂中粒径小于75 μm的颗粒为石粉，并且铁路标准《铁路混凝土工程施工质量验收标准》(TB 10424—2018)规定：当机制砂亚甲蓝值小于0.5时，C30以下标号混凝土石粉含量不大于15%；当机制砂亚甲蓝值在0.5～1.4时，以下标号混凝土石粉含量不大于10%，C30～C45混凝土石粉含量不大于7%，C50以上标号混凝土石粉含量不大于5%；当机制砂亚甲蓝值不小于1.4时，以下标号混凝土石粉含量不大于5%，C30～C45混凝土石粉含量不小于3%，C50以上标号混凝土石粉含量不大于2%。机制砂的石粉中，既存在与母岩矿物化学成分一致的组分，也存在一部分黏土质微粒，这部分黏泥土质微粒主要来源于矿山剥离层和夹层中的泥质和黏土质矿物，它们的存在会导致机制砂亚甲蓝值升高。

机制砂的生产工艺主要分为干法和湿法，两者的区别主要在于除粉工艺的不同：湿法工艺采用洗砂除粉，此法需消耗大量的水资源，配备絮凝剂(PAM或PAC)以及后续的污水处理设备。干法制砂的除粉工艺采用各类选粉设备，包括离心式选粉机、旋风式选粉机和O-sepa等新型高效选粉机，干法工艺应用相对较晚，但具有工艺简单、节约资源、清洁环保等优点，近几年得到快速发展。

在制砂过程中，制砂原料经常含有一定量的水分，其水分主要包括结合水(受固体岩石表面力束缚，不能在自身重力作用下运动)、重力水(与固体表面间距离较大，可在自身重力作用下运动，空隙较大、水量较多)以及毛细水(存在于松散岩石间细小空隙通道中的水)。经过机械破碎，岩石中的重力水与毛细水会释放出来，由于破碎后的集料颗粒表面粗糙，使一些颗粒表面形成一层强结合水，强结合水层外还有可能形成一层弱结合水层。

结合国内某高速铁路灰岩机制砂项目以及各项试验数据，发现在干法制砂过程中，原料过高的含水率(通常大于2%)会导致成品机制砂的石粉含量偏高。对于此类问题，国内外的研究十分匮乏。因此，本文旨在研究制砂原料中的水影响机制砂石粉含量的机理，为提高干法制砂的除粉效率、提升机制砂的品质提供新的思路，推进干法制砂工艺在铁路工程的进一步应用。

1 试验概况

1.1 试验材料

本文选取的原料为泥晶灰岩、微晶泥晶灰岩，矿石中矿物成分主要为方解石(80%)以及少量白云石(10%)、泥质黏土矿物(9%)和微量石英等。其主要物理性能指标见表1，均满足各项指标要求。

表1 原料灰岩的部分物料性能指标

1.2 试验设计

选取含水率不同的灰岩原料并分别进行编号，选择干法制砂工艺，使用中国铁建重工集团自主研发的制砂生产线。

首先对石灰岩制砂原料的含水率进行测定，结果见表2，然后根据含水率的不同确定不同的批次分别进行试验。矿石爆破毛料经过粗、中碎以及振动筛分，得到小于10 mm连续级配制砂原料，通过制砂生产线得到成品机制砂及石粉，并分别收集编号。

表2 原料含水率、机制砂含粉率和亚甲蓝值的测定结果

对收集的制砂原料以及成品机制砂分别采用水洗法及干筛法测定其中的石粉含量，结果见表2、图1。水洗法需要在清水中淘洗样品，以达到彻底洗去石粉的目的，其具体步骤参照《建设用砂》(GB/T 14684)中，此法计算出的结果接近真实的石粉含量；干筛法仅需烘干后直接过筛，然后计算0.075筛余即石粉含量，此法测得的石粉含量相对偏低。测定了成品机制砂的亚甲蓝值，结果见表2、图1(d)。

采集含水率为2%的成品机制砂和经过选粉设备收集的石粉，对石粉进行了X射线衍射分析(XRD)，以确定其矿物相及含量，结果见表3；使用干法激光粒度分析仪测定了石粉的粒径分配情况，结果见表4；使用扫描电镜(SEM)来确定机制砂中砂粒和石粉颗粒的微形态，结果见图2。

表4 石粉激光粒度占比分析 %

图2 石粉与砂粒电镜扫描(SEM)结果

2 试验结果与影响分析

图1(a)的结果表明，原料的含水率越高，其石粉含量越高，而且采用水洗法测得的石粉含量明显高于干筛法。这是由于水洗法中，经过水流和人工的淘洗，大部分的石粉颗粒被分离出来，而干筛法获得的大多是处于游离状态的石粉颗粒，还有部分存在形式较为特殊的石粉没有被分离出来。经过估算，干筛法测得的石粉含量只有水洗法的65%～80%，而且图1(b)同样表明成品机制砂的干筛法石粉分离效率明显低于水洗法。当原料含水率小于2.5%时，原料含水率越高，成品机制砂中的石粉含量越高；当含水率在2.5%～4.5%之间，机制砂的石粉含量保持在高位。水洗法测得的石粉含量更接近真实的机制砂石粉含量。图1(c)表明，采用水洗法分别测定原料颗粒和成品机制砂中的石粉含量，其结果相差不大。这说明原料颗粒通过制砂主机以及选粉设备后，一些存在形式较为特殊的石粉微粒仍难以有效除去。图1(d)中，随着原料含水率的增加，成品机制砂的亚甲蓝值也显著升高。

对收集的石粉样品进行激光粒度分析，得到不同区间的粒径占比(表4)，样品中粒径大于75 μm的颗粒含量为15.82%。这是由于：选粉设备的风速过大，吹走了部分粒径略大于75 μm 的细砂粒；而大于75 μm的石粉团块，由于质量大，较难被吹走，这也是成品机制砂含粉率高的原因之一。

X射线衍射分析(表3)表明，石粉中主要的矿物相为方解石、白云石、绢云母以及石英。方解石、白云石和石英是原岩石灰岩的主要矿物组成，而绢云母的存在表明石粉中存在一定含量的泥质成分。

通过电镜扫描(SEM)的试验结果可知，石粉微粒粒径大小不一，从2～75 μm不等，粒径稍大的石粉表面仍附着有小于1 μm的微粉，见图2(a)。砂粒表面凸凹不平处的石粉聚集量明显多于的光滑处。根据上述结果，提出了石粉的几种主要存在形式，如图3所示。

图3 机制砂中石粉的存在形式

(1)游离粉(图3(a))。此种状态下，石粉微粒不相互黏结且不吸附于砂粒表面，可以在风力和重力的作用下自由运动。

(2)团块粉(图3(b))。石粉微粒紧紧的团聚在一起形成了较大粒径的石粉团块，微粒间相互黏着、聚合。此种形态的石粉聚合体，由于团块的粒径和质量较大，通过传统选粉设备很难去除。

(3)附着粉(图3(c))。在较大粒径的砂粒表面，附着有石粉微粒。当砂粒的表面较为光滑时，石粉微粒在机械作用力下易于除去，而当砂粒表面凹凸不平时，石粉微粒与砂粒紧紧地相互黏着，一般的机械方法难以分离。

(4)缝隙粉(图3(d))。砂粒表面常存在一些天然的或由于机械破碎作用产生的几十微米到上百微米宽的缝隙。这些缝隙常常充填有大量的石粉颗粒。这是一种最紧密的石粉黏着方式。

3 机理研究

根据上述试验结果与分析可以得出结论：制砂原料含水率的增加会导致机制砂中的石粉含量增大。对造成这一影响的机理进行研究将有助于提升干法制砂工艺的除粉效率。

首先，干法制砂的除粉原理是利用各类选粉设备(包括离心式、旋风式等)，通过机械及风力除粉。其工作原理如下：将物料从选粉机上部喂料口垂直加入，物料颗粒落入旋转的撒料盘上，在离心力的作用下粒径不同的颗粒会分散甩出，随后在上升风力的作用下，粒径和质量较小的颗粒上升，通过分级圈进行分级。石粉微粒(粒径小于75 μm)会通过分级圈经过旋风筒等落入集灰斗内；而粒径和质量较大的颗粒会在重力作用向下落入粗砂管内排除[8]。根据前文的试验结果(图1)以及干法制砂除粉原理可知，利用撒料盘产生的离心力以及气流的上升力对石粉团块、附着粉以及缝隙粉进行除粉，效果较差。提升撒料盘的转速以及风力的强度(风速)可以在一定程度上提升除粉效率，但是超过某一限定值时，会造成粒径大于75 μm的细砂粒损失，破坏成品机制砂的级配。因此需要厘清机制砂中的石粉相互黏着、团聚的基本原理以及原料中的水分在其中所起的重要作用。

另外，机械破碎产生的砂粒表面较为粗糙(图2)，由于固体颗粒表面的范德华力和库仑力，小于75 μm的石粉颗粒会发生团聚或吸附于砂粒凹凸不平的表面上。范德华力是存在于中性分子或原子之间的一种弱碱性的电性吸引力；库仑力存在于带电荷的分子之间，例如在机械破碎过程中，岩石颗粒表面会分布有断裂的化学键(例如Si—O键)，而且粒度越小，表面带电荷越明显。这2种颗粒间的作用力会促使砂子和石粉相互黏着和团聚，而制砂过程中水分的存在会极大地增强这2种效应。

(1)黏着效应。根据摩擦起源学说，黏着效应、犁削作用以及塑性变形效应是摩擦力存在的主要原因。黏着效应是由于分子的活动性和分子间的作用力使固体黏附在一起并产生滑动阻力。固体微粒表面的强结合水会促进颗粒间的相互吸附。当水分蒸发时，颗粒间的距离缩小，分子间的相互作用力进一步增大，而且粗糙的固体表面也增强了颗粒间的相互吸附。

(2)团聚效应。颗粒的团聚效应分为软团聚和硬团聚2种：前者主要受分子间范德华力和库仑力的作用，可以通过机械或化学的方法轻易破除；而后者除上述两种作用力外，还存在液相桥力(液体的表面张力和毛细力的外在体现)和表层黏附力的影响，一般硬团聚很难破除[9]。在制砂过程中，细小的微粒会相互团聚，粒径较大的砂砾也常被细小的微粒包裹，而水分的存在使得颗粒间存在硬团聚效应[10-11](图4)。另有研究表明，颗粒的粒径越小，越容易发生团聚，且团聚块体的硬度和稳定性越强。

图4 颗粒间的硬团聚效应

其次，黏土矿物具有膨胀效应。黏土矿物是一类层状硅酸盐，主要包括蒙脱石、高岭石、伊利石等。其膨胀效应是指黏土矿物晶体间的阳离子被置换，表面形成水化膜，使得晶格间的距离增大[12]，其外在表现就是体积的膨胀。蒙脱石的吸水性最强，膨胀率最高，充分吸水后体积会增大数倍甚至数十倍。制砂过程中，由于外部以及岩石自身含有一定程度的黏土矿物，所以当砂粒、石粉颗粒以及黏土矿物相互团聚在一起的时候，黏土矿物遇水发生膨胀，填充颗粒间的空隙，降低集料的孔隙度形成集合体(图5)。由于黏土矿物本身的吸附性；且阳离子交换能力很强，水分蒸发后，集合体的硬度和稳定性都极大地增强。这些聚合在一起的黏土矿物、水分、砂粒、石粉集合体具有较大的质量，风力选粉机较难有效地去除；同时，较多的黏土矿物混入机制砂石粉中，使机制砂石粉中黏土矿物成分占比升高，而与母岩岩性同质的石粉成分降低，导致石粉含量虽不超标，但测定的亚甲蓝值却显著升高。

图5 黏土矿物吸水后的膨胀效应

除了上述物理变化，在机制砂的制作过程中还可能存在化学效应。试验研究表明，岩石以一定速度相互撞击时，部分动能会转化成热能，同时颗粒间的相互摩擦生热，从而导致岩石颗粒撞击表面的瞬时温度显著升高[13-14]。机制砂主机采用离心加速的方法，使得颗粒的线速度达到50～70 m·s-1，高速的撞击和摩擦会导致砂粒、石粉、黏土矿物颗粒表面的瞬时温度升高，在水分的介入下可能发生一系列化学反应，导致石粉间、砂粒与石粉间相互黏结的现象，具体的化学效应还需要进一步研究。

根据前文所述的试验与机理研究结果，为了使得机制砂中的石粉含量满足《铁路混凝土工程施工质量验收标准》(TB 10424—2018)的要求，可从以下角度思考解决方案。

(1)泥质、黏土质矿物的粒径与石粉相近，但吸水性、黏聚性、吸附性和膨胀率更高；因此在设计机制砂流程时，应根据实际情况设计专业除泥除粉工艺；在存放、运输过程中，尽量避免外来泥土的混入。

(2)水分可以促进和增强石粉颗粒和砂粒间的黏着、团聚效用，因此应尽量选择含水率较低的原料，同时应有防水、防雨措施。

(3)颗粒间的相互黏结作用中，范德华力起到了较为关键的作用，而加热升温可以在一定程度上破坏分子间的范德华力，因此在选粉机的外壁可以利用系统产生的余热促进水分蒸发，减弱颗粒间的黏着和团聚效应。

4 结 语

(1)制砂原料的含水率越高，机制砂的含粉越高。可采用机械和风选相结合的方式降低含粉率，但需要专业设计和实践验证，否则易导致成品砂的细度模数变大，级配变差；当原料含水率超过2.5%时，建议采用湿法或余热烘干工艺。

(2)岩石的破碎过程中，颗粒间存在的范德华力和库仑力会促使机制砂和石粉之间发生黏着和团聚效应。水分的存在会使得颗粒间还具有液相桥力，尤其是黏土质微粒的吸水、膨胀将进一步增强上述效应，在这种情况下“控水”就更具有现实意义。

(3)在采矿、碎矿及制砂工艺中应尽量设计“除泥降水”工艺，同时根据实际情况在“破前筛后”阶段增加“除泥降水”工艺，可有效地降低成品机制砂中的石粉及泥粉含量。

(4)研究原料含水率对机制砂石粉含量影响的机理，科学合理地指导干法制砂工艺技术升级，生产出满足铁路混凝土设计和施工规范要求的机制砂产品，对工程质量、结构寿命、施工进度、工程造价均有重要意义。