關(guān)于SHMP在機制砂清洗中對MB值和石粉含量的控制作用研究

發(fā)布日期：2023-01-25   瀏覽次數(shù)： 70 次

關(guān)于SHMP在機制砂清洗中對MB值和石粉含量的控制作用研究

龔德新，李家正*，石妍，林育強，李楊

（長江水利委員會 長江科學(xué)院材料與結(jié)構(gòu)研究所，武漢 430010）

【摘要】由于機制砂的原巖和加工運輸場地中夾雜泥土，造成其MB值超過1.4。目前常用水洗的方法去除泥土，但同時造成大量的石粉流失，降低機制砂產(chǎn)量，且難以滿足碾壓混凝土等對機制砂高石粉含量的要求。采用不同清洗水、黏土分散劑SHMP與機制砂的質(zhì)量比，分別進行若干組機制砂清洗試驗，分析各組清洗后的機制砂級配、石粉含量、MB值等隨用水量、SHMP用量的變化，研究SHMP分散黏土的規(guī)律，建立相關(guān)模型。推薦清洗每噸機制砂SHMP用量為100g-300g，用水量為500kg-700kg，MB值將從2以上降低至1.1，而石粉含量僅降低2%左右。此方法大幅降低機制砂的MB值，解決傳統(tǒng)洗砂中石粉大量流失的問題。該方法在行業(yè)內(nèi)屬首創(chuàng)，具有良好的經(jīng)濟和工程應(yīng)用價值。

【關(guān)鍵詞】機制砂；MB 值；泥土；黏土；清洗；SHMP；石粉含量

0 引言 近年來，隨著天然砂的大量開采，其產(chǎn)量和品質(zhì)不斷下降、成本提高，機制砂作為天然砂的一種替代材料，得到了廣泛的使用。但由于生產(chǎn)機制砂的原巖表層土、破碎前巖石的土夾層、軟弱夾層、巖石裂隙中的沉積泥質(zhì)無法徹底清除，由此生產(chǎn)的機制砂不可避免地含有泥粉，其中除含少量腐殖質(zhì)、有機質(zhì)外，主要含有各種黏土礦物，產(chǎn)自不同地區(qū)的機制砂的泥粉中存在不同膨脹性能的黏土礦物；機制砂中泥粉與破碎原巖時產(chǎn)生的石粉混在一起組成了粒徑小于0.16mm的微粒，這是與天然砂的主要差別。石粉的礦物組成和特性與被加工的原巖相同，而黏土與來源于機制砂原巖的石粉有著本質(zhì)的區(qū)別，成分復(fù)雜，包括軟質(zhì)、風(fēng)化的巖石顆粒，礦物成分主要是鋁硅酸鹽、鎂硅酸鹽和鐵硅酸鹽等。

亞甲基藍值（Methylene Blue Value），簡稱MB值，單位為g/kg（以下略去單位），是機制砂中黏土吸附性能的綜合評價指標(biāo)。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定MB值小于1.4時，微粒定性以石粉為主；MB 值大于1.4時，微粒定性以泥粉為主。許多工程上生產(chǎn)的機制砂所含泥土中有較多膨脹性黏土，造成其MB值超過1.4。相關(guān)研究表明，黏土是造成機制砂MB值超標(biāo)的最主要因素。黏土是一種典型的多孔介質(zhì)復(fù)合材料，顆粒粒徑小，結(jié)構(gòu)強度低。相關(guān)研究表明，機制砂MB值越大，對拌制的混凝土性能影響也越大，MB值超標(biāo)的機制砂將對混凝土性能產(chǎn)生較大的不利影響。

工程上常使用洗砂機水洗機制砂去除泥粉，降低MB值，但同時會洗出大量的石粉，使機制砂石粉含量大幅降低、總產(chǎn)量減少，更重要的是，無法滿足碾壓混凝土等對機制砂高石粉含量的需求。

六偏磷酸鈉（sodium hexametaphosphate），化學(xué)式為（NaPO3）6簡稱為SHMP，常用作分散劑，易溶于水。目前尚無直接將SHMP用在洗砂中的研究。關(guān)于SHMP在黏土顆分試驗的應(yīng)用，土工試驗標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定加入4%的SHMP溶液分散黏土各粒級顆粒；文獻研究不同分散劑對江西紅黏土顆粒分散效果，提出 8%-10%濃度的SHMP溶液分散效果最佳；文獻研究得出0.06%-0.07%濃度的SHMP溶液對柳州紅黏土分散效果最佳；文獻[30]研究得出，與雙氧水、硅酸鈉、氨水相比，采用4%到6%濃度的SHMP溶液作為分散劑可以使紅土團粒結(jié)構(gòu)分散得更為徹底。各研究使用SHMP溶液分散的是純黏土，其濃度推薦值較高，而機制砂中黏土含量相對較低，在洗砂中并不適用。

開創(chuàng)性地使用SHMP作為黏土分散劑運用于機制砂清洗中，能更多地去除機制砂泥粉、保留大部分必需的石粉，在混凝土領(lǐng)域具有很好的經(jīng)濟性和實用性。

1 試驗原材料與研究方法1.1 原材料SHMP滿足HG-T2519-2007《工業(yè)六偏磷酸鈉》的標(biāo)準(zhǔn)；清洗用水采用自來水。機制砂由國內(nèi)某水利工程當(dāng)?shù)厣a(chǎn)，其MB值高達2.0，如圖1，下文將此未清洗過的機制砂稱為原狀砂。將此機制砂烘干至恒重后分別篩分成不同的粒徑組分進行試驗，化學(xué)成分分析結(jié)果見表1，顆粒級配如表2。

圖1 國內(nèi)某水利工程機制砂

表1 機制砂化學(xué)成分/%

表2 烘干后砂的級配

1.2 研究方法 為分析只因清洗方案帶來的原狀砂級配和MB值的精確變化，避免每次所取原狀砂樣品由于取樣的不均勻性帶來的級配、微粒含量和MB值的差異，事先將該原狀砂烘干至恒重，用篩孔尺寸為5mm、2.5mm、1.25mm、0.63mm、0.315mm、0.16m、<0.16mm的標(biāo)準(zhǔn)篩進行全級配篩分，并按試驗需要的級配重新配制每試驗組原狀砂各 1000g，確保各級配完全相同。

將清洗每噸原狀砂的用水量、SHMP用量作為輸入的自變量參數(shù)，通過二者若干組合的清洗試驗，測試清洗后的機制砂微粒含量、級配分布、MB值，將其作為因變量參數(shù)，建立前后參數(shù)的關(guān)系、研究變化規(guī)律，綜合對比分析確定優(yōu)化的清洗方案。

2 試驗結(jié)果及討論2.1 原狀砂MB值與含泥量的關(guān)系使用水、砂的重量之比為0.5的清水清洗原狀砂，清洗后較清洗前減少7.92%，視為經(jīng)水洗后微粒（石粉與泥粉之和）的減少。作為對比，用清水清洗相同級配MB值為0.5的不含泥機制砂，清洗后其重量減少3.52%，視為純石粉減少，即原狀砂也洗出同樣比例的石粉。所以，在同等條件下近似認(rèn)為原狀砂洗出的石粉與泥粉之和，減去僅洗出的石粉，得原狀砂經(jīng)水洗后的泥粉減少為4.4%，又可測得MB值降低值為1.1。根據(jù)機制砂MB值與含泥量（%）呈線性關(guān)系，可知直線斜率為1.1/4.4=0.25，而不含泥機制砂（含泥量為 0）時MB值為 0.5，由此可推導(dǎo)出原狀砂MB值（MBV）與含泥量λ的關(guān)系式為式（1）。

2.2 原狀砂清洗試驗 按水與砂、SHMP與砂的質(zhì)量之比分為10組清洗試驗，配比見表3，其中9#、10#為未添加SHMP的基準(zhǔn)試驗組。按表2的級配配制每組砂原狀砂各1000g。

表3 10組砂清洗配比

將清洗后的10組砂烘干至恒重，測試其顆粒級配。清洗前后各組砂累計篩余百分比曲線見圖2。經(jīng)清洗后的10組機制砂顆粒級配都很接近，且基本都在標(biāo)準(zhǔn)的2區(qū)顆粒級配機制砂的級配包絡(luò)線以內(nèi)，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖2 清洗前后各組砂級配曲線

從圖3看，在同一水砂重量之比下，機制砂微粒含量隨著SHMP與砂的重量之比的增大逐漸增加，相應(yīng)地，質(zhì)量減少率逐漸減小，二者呈此消彼長的關(guān)系，說明機制砂清洗過程中去除的主要是粒徑小于0.16mm的微粒。水砂重量之比為0.5的清洗砂的微粒含量、質(zhì)量減少率均高于水砂重量之比為0.3的清洗砂。分析其原因：由于用大水量清洗砂中的泥被SHMP分散后形成的懸濁液濃度相對于小水量的低，石粉下沉與泥形成更大的分離層，更易與水一同被洗出，而泥的密度小于石粉，以致所剩下的微粒質(zhì)量更大，微粒含量更高。因此，清洗砂的用水量不宜過少。另外，清洗砂被帶走部分稍大于0.16mm的顆粒和部分可溶性物質(zhì)，且由于計算公式不同，砂清洗后的質(zhì)量減少率并不等同于清洗前、后微粒含量差，但存在正相關(guān)性。

圖3 清洗后質(zhì)量減少率、微粒含量與SHMP量的關(guān)系

水砂重量之比分別為0.5和0.3的兩組砂清洗后MB值如圖4，水與砂重量比越大的組，砂清洗后的MB值越低，但從SHMP與砂重量比和MB值關(guān)系上看，并非SHMP量越大，清洗砂的MB值越小。兩種水砂配比下，SHMP與砂的重量比分別為1/10000和3/10000時，砂的MB值最小分別為0.85和1.0。

圖4 清洗后MB值與SHMP量的關(guān)系

各組砂清洗后微粒含量和MB值隨清洗液SHMP濃度變化關(guān)系如圖5、圖6。在水砂重量之比分別為0.3和0.5時，分別在清洗液SHMP濃度為0.03%和0.06%時，MB值達到最小值1.0 和0.85，微粒含量達到相對的最大值15.91%和16.06%，但由于水砂重量之比為0.3時，用水量太小，MB值反而偏高。因此，采用的清洗溶液SHMP濃度在0.03%-0.06%之間，對應(yīng)在每噸砂中的SHMP用量在100g-300g之間，用水量在300kg-500kg之間，此時的微粒含量在15.91%-16.06%之間，MB值在0.85-1.0之間，清洗砂的微粒含量、MB值都處于相對優(yōu)化的范圍。

圖5 清洗后微粒含量與清洗液SHMP 濃度的關(guān)系

圖6 清洗后MB值與清洗液SHMP濃度的關(guān)系

2.3 高石粉含量機制砂清洗試驗

2.3.1 原狀砂石粉含量的調(diào)整為使清洗后的機制砂石粉含量滿足碾壓混凝土的需求（微粒含量大于20%），重新按表4配制每組機制砂各1000g，使清洗前的機制砂微粒含量由原狀砂的17.42%提升至25%。由于微粒含量提高，機制砂的MB值相應(yīng)也增加至2.35，細度模數(shù)為2.48。

表4 高石粉含量機制砂級配

2.3.2 結(jié)果分析

清洗前、后各組砂基本數(shù)據(jù)見表5，級配曲線見圖7所示，除兩組清水清洗的機制砂微粒含量在20%以下外，其余8組通過SHMP溶液清洗的機制砂微粒含量均在20%以上，而MB值在1.1左右。從級配分布看，變化最大的部分還是粒徑<0.16mm的微粒，即通過SHMP溶液清洗出機制砂的大部分為微粒。

表5 清洗后的10組砂質(zhì)量減少率、微粒含量、細度模數(shù)和MB值測試結(jié)果

清洗后機制砂微粒含量、MB值與清洗液SHMP濃度之間的關(guān)系如圖8、圖9?？梢钥闯觯逑匆篠HMP濃度為0.043%的2#清洗后的砂微粒含量最高，達24%以上，而MB 值為1.1，較之清洗前降低了1.25；清洗劑濃度超過0.043%后，機制砂的微粒含量反而有一定降低，后續(xù)再繼續(xù)升高的趨勢已經(jīng)很緩慢，不可能再達到24%以上。SHMP濃度為0.02%-0.06%時，SHMP與砂質(zhì)量比為1/10000-3/10000，即每噸砂SHMP用量為100g-300g，用水量為500kg-700kg之間，清洗后的砂MB值為1-1.1，微粒含量在23%左右，較之清洗前只降低了2個百分點，而MB值卻降低了1.2以上。

圖7 各組砂清洗后的級配曲線

圖8 機制砂微粒含量與SHMP濃度的關(guān)系

圖9 機制砂MB值與SHMP濃度的關(guān)系

2.4 SHMP分散黏土的模型根據(jù)公式（1）可計算前述試驗中的機制砂清洗后含泥量，從而計算出石粉含量，得出石粉含量減少率，其隨清洗液中SHMP濃度的變化趨勢如圖10，隨著清洗液SHMP的濃度增大，機制砂清洗前后的石粉減少率呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢。SHMP濃度在0.03%-0.06%時，機制砂的石粉減少率最小、石粉含量最高，而MB值又相對較低，表明洗出的黏土成分最多，SHMP對黏土的分散能力最強。

圖10 機制砂石粉減少率與SHMP 濃度的關(guān)系

根據(jù)式（1）可計算每組試驗清洗后機制砂減少的含泥量M，隨清洗液SHMP濃度δ的變化關(guān)系如圖11，擬合曲線方程（相關(guān)系數(shù)為0.96）得SHMP分散機制砂黏土的多項式模型為式（2）。

圖11 機制砂泥含量減少量與SHMP濃度的關(guān)系

當(dāng)SHMP濃度在0.03%-0.06%時，機制砂清洗后M最大，此時去除了絕大部分泥粉，而后隨著SHMP濃度的增加，M反而減小。所以，對應(yīng)于特定含泥量的機制砂清洗，存在最佳的SHMP濃度。這印證了文獻的結(jié)論：SHMP濃度較低時，對黏土的分散效果不好，但當(dāng)SHMP濃度過高時，土顆粒會重新凝絮而變大，在水中的下沉速度加快，也會影響?zhàn)ね恋姆稚⑿Ч?/span>

另有研究也認(rèn)為，SHMP將黏土的團粒結(jié)構(gòu)解體，破壞團粒結(jié)構(gòu)內(nèi)部黏土礦物片之間的結(jié)合水連結(jié)和游離氧化鐵與黏土礦物片之間的靜電引力形成的包膜膠結(jié)。黏土中一般含有鈉或鉀的礦物或化合物，六偏磷酸鈉在水中離解成為Na+、PO3-，黏土中的離子優(yōu)先選擇吸附鈉離子形成的擴散層當(dāng)達到一定厚度時黏粒就相互分離，從而使團粒結(jié)構(gòu)部分或全部解體。

3 結(jié)論（1）機制砂清洗液中SHMP的最佳濃度取決于機制砂所含黏土的類型和含量。推薦清洗每噸機制砂的用水量為500kg-700kg，使用的SHMP為100g-300g，清洗液SHMP的濃度為0.03%左右。

（2）與傳統(tǒng)的清水洗砂相比，通過在與砂特定配比的清洗水中加入SHMP清洗機制砂，能夠大幅減少石粉流失；在使用SHMP清洗石粉含量為25%的機制砂時，能降低MB值至1.2以下，且減少石粉流失達5%以上，按每噸砂150元計，扣除SHMP成本后減少約6.5元的經(jīng)濟損失。SHMP洗砂具有良好的經(jīng)濟效益，更重要的是能滿足水工碾壓混凝土等對高石粉含量機制砂的需求，具有更高的工程應(yīng)用價值。

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