機(jī)制砂性能參數(shù)影響因素分析

周玲 岳增國(guó) 陶艷俠 胡祖堯 胡建明

摘 要：機(jī)制砂的性能參數(shù)對(duì)于混凝土制品性能有很大的影響，決定了起適用性。機(jī)制砂性能參數(shù)受很多因素影響，主要包括：加載方式、母巖特性、破碎機(jī)性能、篩分等。本文分析研究了上述各影響因素與機(jī)制砂性能參數(shù)之間的關(guān)系。根據(jù)母巖特性、生產(chǎn)規(guī)模、場(chǎng)地條件合理的選擇破碎設(shè)備和生產(chǎn)工藝是生產(chǎn)機(jī)制砂質(zhì)量的保證，決定了機(jī)制砂混凝土的性能，是配置優(yōu)良機(jī)制砂混凝土的保證。

關(guān)鍵詞：機(jī)制砂 性能參數(shù) 破碎機(jī) 母巖特性 加載方式

中圖分類號(hào)：TU398 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）04（c）-0078-02

目前，機(jī)制砂在很多建筑領(lǐng)域都有應(yīng)用，包括：航道、大壩、公路、機(jī)場(chǎng)、橋梁、電力、各種工業(yè)及商業(yè)建筑、混凝土制品、砂漿制品、石膏制品等。機(jī)制砂的主要性能參數(shù)包括顆粒形狀參數(shù)、級(jí)配、細(xì)度模數(shù)以及石粉含量、含泥量、壓碎值指標(biāo)等，其中機(jī)制砂顆粒形狀參數(shù)又包括針片率、棱角性、球形度、粗糙度、尺寸等指標(biāo)。這些參數(shù)決定了其在混凝土中的適用性。但是，生產(chǎn)出的機(jī)制砂性能參數(shù)受很多因素影響，包括加載方式、破碎機(jī)類型、母巖特性、破碎比、篩分環(huán)節(jié)，本文通過對(duì)比分析研究了不同影響因素對(duì)機(jī)制砂性能參數(shù)的影響。

1 機(jī)制砂破碎機(jī)理

1.1 破碎機(jī)理

機(jī)制砂破碎機(jī)理是通過施加壓應(yīng)力和剪應(yīng)力引起巖石裂縫出現(xiàn)并擴(kuò)展，當(dāng)應(yīng)力密度達(dá)到臨界值時(shí)裂縫出現(xiàn)。當(dāng)壓力作用到巖石上時(shí)，與應(yīng)力作用垂直的裂縫，在引力作用下裂縫閉合；應(yīng)力繼續(xù)增加，微孔發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，相對(duì)位移使微孔趾端產(chǎn)生拉應(yīng)力，在拉應(yīng)力作用下，裂縫沿著荷載方向擴(kuò)展。相鄰裂縫之間的相互作用改變了應(yīng)力場(chǎng)和原始裂縫的擴(kuò)展路徑。

巖石破裂的基本模式有三種：（1）受拉破裂；（2）由于平面剪力作用引起的滑移；（3）由于平面剪力作用引起的撕裂。大多數(shù)情況下，巖石破裂是多種模式的混合。

1.2 機(jī)制砂性能參數(shù)與加載方式的關(guān)系

機(jī)制砂生產(chǎn)過程中石粉的產(chǎn)生與填料堆積狀態(tài)和加載方式有關(guān)。其中填料堆積狀態(tài)載狀態(tài)分為單顆粒、松散堆積料、密集堆積三種：?jiǎn)晤w粒堆積狀態(tài)指僅有一顆待破碎巖石，對(duì)應(yīng)于對(duì)單顆巖石進(jìn)行破碎；松散堆積料狀態(tài)指，有多顆填入料，各填入料之間接觸配對(duì)數(shù)較少；密集堆積料狀態(tài)指有多顆填入料，且各填入料之間接觸緊密，接觸配對(duì)數(shù)多。

對(duì)于單顆粒狀態(tài)，其加載方式又分為軸心受壓、彎曲、劈裂等。對(duì)比不同加載方式，縱向壓力產(chǎn)生的石粉最多，而當(dāng)加載方式產(chǎn)生拉應(yīng)力時(shí)石粉產(chǎn)生最少。四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)產(chǎn)生很少的石粉，而劈裂試驗(yàn)在加載裝置和巖石接觸處產(chǎn)生少量石粉。四點(diǎn)加載試驗(yàn)破壞面較光滑。軸心受壓試驗(yàn)產(chǎn)生較多的石粉，加載面越大，石粉越多。受壓試驗(yàn)的破壞面上出現(xiàn)大量的淺橫向裂紋，破壞形態(tài)為齒形紋理，破壞面上的石粉表明粗骨料之間的存在相互磨損。

顆粒級(jí)加載狀態(tài)決定了失效模式進(jìn)而決定了顆粒形狀及石粉的產(chǎn)生。承受線性、縱向或劈裂荷載的單顆粒其受力狀態(tài)可以歸結(jié)為點(diǎn)荷載，配對(duì)數(shù)較低的松散堆積料破碎模式相類似。單顆粒加載其破壞模式為模式1破壞，產(chǎn)生的石粉量少，破裂面平滑。與之相對(duì)應(yīng)，高配對(duì)數(shù)的密集堆積料或加載面積較大的單顆粒，其破碎模式為混合破壞模式，在新產(chǎn)生的骨料面上存在微裂縫，同時(shí)產(chǎn)生大量石粉。

球形度的隨著顆粒尺寸的增大而增大，破碎比越大，球形度越小。填料在不同尺寸組分的顆粒性狀不同，破碎過程中隨著破碎比增長(zhǎng)，顆粒變的扁平和細(xì)長(zhǎng)，而且對(duì)于擠壓式破碎機(jī)影響較大，而沖擊式破碎機(jī)影響較小。破碎機(jī)的速度也影響顆粒形狀。

2 巖石結(jié)構(gòu)與破碎模式的關(guān)系

我國(guó)幅員遼闊，用于生產(chǎn)機(jī)制砂的巖石資源分布廣而不均，機(jī)制砂的母巖有分布最廣泛的石灰?guī)r以及花崗巖、砂巖、石英巖、流紋巖、玄武巖、閃長(zhǎng)巖、片麻巖、輝綠巖、凝灰?guī)r等多種。母巖的強(qiáng)度、礦物組成、巖石構(gòu)造、化學(xué)成分各不相同，對(duì)機(jī)制砂破碎過程中的能耗、石粉含量、粒型有重要影響。裂縫的擴(kuò)展與巖石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和巖粒的特性密切相關(guān)。

（1）密集的細(xì)粒度石灰?guī)r，破壞時(shí)多為直線型針狀破裂，各裂紋很少相互作用，導(dǎo)致爆破型破裂。

（2）大理石與石灰石礦物特性相似，但是顆粒較大，因而在剪切帶產(chǎn)生較大尺度的宏觀裂縫，而且由于方解石顆粒的塑性變形減小了裂縫趾端的應(yīng)力集中，因而裂縫擴(kuò)展受阻。因而，巖粒顆粒的細(xì)度及方解石的力學(xué)性能不同導(dǎo)致了石灰石和大理石不同的開裂機(jī)理，很少為爆破型破裂。

（3）花崗巖由三種不同的成分組成，各成分之間存在界面?；◢弾r的破碎與巖體內(nèi)的微孔和裂縫有關(guān)，微孔指寬度和長(zhǎng)度比大于1/10的孔隙，裂縫指寬度與長(zhǎng)度比小于1/10的孔隙。裂縫比微孔危害要大，裂縫約占孔隙的15%～36%，裂縫長(zhǎng)度約為無(wú)應(yīng)力花崗巖范圍內(nèi)巖粒尺寸的10%～20%，花崗巖中裂縫多出現(xiàn)在巖粒的邊界處，裂縫的出現(xiàn)多是由于內(nèi)應(yīng)力及溫度變化引起。各成分之間的剛度比有關(guān)。花崗巖中的云母可以起到緩沖作用，減少破碎過程中的破損。

（4）玄武巖機(jī)制砂石粉含量是石英質(zhì)機(jī)制砂的兩倍[6]，而石粉產(chǎn)物的能耗是相同質(zhì)量機(jī)制砂的10倍。

3 破碎機(jī)類型與機(jī)制砂性能參數(shù)關(guān)系

目前用于生產(chǎn)機(jī)制砂的破碎機(jī)種類繁多，主要分為兩大類：（1）沖擊式；（2）擠壓式。其中沖擊式破碎機(jī)將能量傳遞到顆粒上，然后顆粒將能量傳遞到腔壁或腔底消散。擠壓式破碎機(jī)原理是當(dāng)顆粒被壓縮到一定程度開始破碎。

立軸沖擊破碎機(jī)是生產(chǎn)立方性的細(xì)、中細(xì)骨料的有效方法，但是這種破碎機(jī)，在20世紀(jì)80、90年代一度非常流行。但是此類機(jī)器往往用于破碎的最后一步，產(chǎn)品修型，由于前期生產(chǎn)中產(chǎn)生的骨料粒型無(wú)法令人滿意，這樣在此類機(jī)器使用過程中會(huì)產(chǎn)生大量尺寸小于4mm的粉末，情況嚴(yán)重還會(huì)在粗骨料表面形成石粉涂層。

棒磨機(jī)生產(chǎn)的機(jī)制砂級(jí)配良好，反擊式破碎機(jī)生產(chǎn)的機(jī)制砂級(jí)配良好但粒型較差，而沖擊式破碎機(jī)生產(chǎn)的機(jī)制砂級(jí)配不良但粒型較好。但是棒磨機(jī)存在產(chǎn)量低、運(yùn)行成本高、人工勞動(dòng)強(qiáng)度大等缺陷，不適合機(jī)制砂大規(guī)模生產(chǎn)。

圓錐型破碎機(jī)主要的優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)生的廢料少，缺點(diǎn)是在大部分組分尺寸下粒型差。而影響粒型的主要因素是閉合邊尺寸及進(jìn)料尺寸。從理論上說，各種尺寸分布的進(jìn)料都可以通過圓錐破碎機(jī)破碎成立方性顆粒。但實(shí)際上，由于最大擠壓力的存在，限制了破碎過程，阻礙了顆粒立方性的進(jìn)程。為了使產(chǎn)品的立方性極可能好，應(yīng)該使進(jìn)料尺寸分布廣，細(xì)骨料進(jìn)料盡可能少，因?yàn)榧?xì)骨料降低了料層的孔隙率進(jìn)而增加了能耗降低破碎比。鄂式破碎機(jī)適用于硬質(zhì)巖的破碎，但對(duì)于軟質(zhì)巖及粘性巖則不適用。

4 篩分環(huán)節(jié)對(duì)機(jī)制砂性能參數(shù)的影響

篩分環(huán)節(jié)對(duì)于機(jī)制砂性能參數(shù)的影響主要體現(xiàn)在產(chǎn)品級(jí)配上。篩孔尺寸的選擇直接影響機(jī)制砂的質(zhì)量和生產(chǎn)量篩網(wǎng)尺寸越大生產(chǎn)的機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)越大，石粉含量越低；篩網(wǎng)尺寸越小生產(chǎn)的機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)越小而石粉含量越大。振動(dòng)篩的篩孔形狀、尺寸及篩面傾斜角大小是影響機(jī)制砂質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)；機(jī)制砂生產(chǎn)中有較大含量的石粉顆粒，且對(duì)級(jí)配要求較高，不宜選用長(zhǎng)方形和圓形篩孔，一般采用正方形方孔篩。

5 結(jié)語(yǔ)

機(jī)制砂性能參數(shù)受很多因素的影響，根據(jù)母巖特性、生產(chǎn)規(guī)模、場(chǎng)地條件合理的選擇破碎設(shè)備和生產(chǎn)工藝是生產(chǎn)機(jī)制砂質(zhì)量的保證，決定了機(jī)制砂混凝土的性能，是配置優(yōu)良機(jī)制砂混凝土的保證。

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