黔东南地区石灰岩母材机制砂加工工艺及配合比设计研究

1 引言

在我国西南地区，机制砂得到了广泛的应用，是解决混凝土细骨料非常经济实用的方法，而且机制砂破碎后棱角性，具有较强的内摩擦力，拌和在混凝土的细骨料中，可以提高骨料的咬合力，起到嵌挤骨架的作用，使混凝土的和易性、抗压强度等性能得到很大的改善。 在工程项目建设中，弃渣需占用大量土地，而筛选可加工机制砂作为资源合理利用，可以减少弃渣占用土地。 但机制砂加工受母材、筛分设备和清洗设备选型等加工工艺不同，机制砂石粉含量存在很大的差异，混凝土配合比，目前大多数采用三级破碎和洗沙滤水相结合等工艺，以确保满足Ⅱ类建设用砂要求。 本文在原大掺量粉煤灰喷射混凝土及常规衬砌混凝土的技术基础上， 通过机制砂加工工艺及混凝土配合比设计试验研究，总结成果。

2 隧道洞渣母材的成分

毛栗坪隧道洞身开挖揭示含有石灰岩地层， 经贵阳矿产资源监督检测中心出具的岩矿鉴定报告显示， 矿物成分主要为方解石，含少量白云岩、黏土矿物、褐铁矿等（方解石占比90%，白云石占5%～10%，黏土2%～3%，褐铁矿1%），经过对弃渣进行筛选与试验（对强度、密度、含泥量及吸水率等进行测定），对其中的洞渣进行筛选，作为机制砂、碎石加工的原材料，以实现资源合理化利用。

3 机制砂加工设备选型及工艺优化

3.1 母材选用

隧道开挖的母岩吸水率较小，软化系数大，并且岩石为层理岩，强度较高且不含碱活性物质，用其生产的混凝土的坍落度损失小等。 具体特性见表1。

表1 隧道开挖出的石灰岩特性

3.2 破碎机选配、筛分及除粉工艺

机制砂一般采用三级破碎工艺，即粗碎、中碎、制砂机破碎，粗碎采用颚破式破碎机，破碎比大、产品粒度均匀、结构简单；中碎采用反击式破碎机；制砂破碎采用冲击式破碎机。 这样使得加工的机制砂更富有棱角性， 并且破碎比能得到较大的提高，对加工的材料进行筛分等试验检测分析后可知，破碎的机制砂细度模数基本能符合中砂标准[1]。

同一种原材料、加工设备及加工工艺条件下，对通过圆孔和方孔筛的机制砂进行筛分试验可知 （使用孔径为9.5 mm、4.75 mm、2.36 mm、1.18 mm、0.6 mm、0.3 mm、0.15 mm 的 套筛），通过圆孔筛的机制砂的砂率、细度模数要优于方孔筛，粗细适宜。

经过三级破碎取样， 经筛分获取的机制砂中石粉含量基本为9.5%～25%（75 μm 的颗粒），不满足地标配置强度等级＞C30，石粉含量＜10%，C20＜配置强度＜C30，石粉含量＜20%的要求。 经过加工工艺改进，在加工设备的皮带机转换位置配置封闭式喷射干雾进行除尘， 加工的机制砂石粉含量明显降低，细度模数也得到有效提高，再结合迂回式螺旋洗沙滤水设备，经过自动调节和控制转速、增压过滤装置，将0.15 mm 以下颗粒的砂再次进行回用，使得水洗的筛除的颗粒得到补充，使得级配更加均匀。

4 机制砂混凝土试验研究

机制砂经过筛洗后为细度模数为2.8～3.2 的中砂，石粉含量较少，通过多次试验比对可知，一定量的石粉有利于优化混凝土的工作性能， 现场采用筛洗后的机制砂掺入石粉进行配合比设计试验研究和现场应用验证， 经筛洗的机制砂混凝土和易性差，混凝土回弹率高，质量控制难度大，在大掺量粉煤灰混凝土的基础上，采用掺入一定量的石粉，胶凝材料的比表面积增大，和易性明显改善，且石粉和粉煤灰在混凝土中起到填充和包裹砂石的作用，使混凝土的回弹率，也提高了混凝土的密实度和强度。 在隧道衬砌混凝土中通过调整掺配石粉量，取得最佳石粉含量，保证其工作性和力学性能。

4.1 混凝土配合比及性能试验

通过对常规C25 喷射混凝土及大掺量粉煤灰混凝土的配合比及性能指标进行对比，机制砂水洗后洁净基本不含石粉，在原大掺量粉煤灰中掺入一定量石粉，指标对比见表2～表5，现场对混凝土的工作性、力学强度、外观质量、外观效果等进行检测，结果见表6。

表2 常规C25 混凝土各材料用量

表3 常规C25 混凝土性能指标

表4 大掺量粉煤灰混凝土掺一定量石粉的配合比设计

表5 掺一定量石粉C25 喷混凝土室内、外工作性能及力学性能指标

表6 现场混凝土施工试验结果综合对比

经试验证明， 在大掺量粉煤灰混凝土中加入一定量的石粉，混凝土单位用水量降低，粉煤灰用量减少；在工作性方面，混凝土的坍落度、 保水性及黏聚性得到大大改善， 回弹率减小，外观质量较好；力学强度方面，混凝土7 d 龄期强度增长缓慢，强度随着石粉含量增大而减慢，7d 后随着石粉的水化作用的推进，强度相对增加较快，28 d 强度也能达到设计强度。

4.2 混凝土中应用

经过隧道衬砌混凝土配合比设计， 通过在筛洗的机制砂中掺入一定量的石粉，对比掺入石粉的混凝土性能，试验对比见表7～表9。

表7 隧道衬砌混凝土基准配合比

表8 不同石粉含量混凝土的试验参数

通过以上试验分析， 石粉含量机制砂在拌和隧道衬砌混凝土石粉的最佳含量为6%～8%，机制砂的工作性和力学性能都能满足施工和设计要求，石粉含量超标，通过机制砂加工工艺、筛洗及掺配等多方面满足机制砂石粉含量，得到拌和混凝土的最佳石粉含量的方法[2]。

5 结论