黃河泥沙人工防汛石材生產(chǎn)工藝及成型設備研究

□□ ， ， ，

(1.黃河水利委員會黃河水利科學研究院，河南 鄭州 450003；2.水利部堤防安全與病害防治工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450003)

引言

黃河流經(jīng)黃土高原時帶走大量泥沙，不僅在當?shù)卦斐森h(huán)境問題，還嚴重威脅中下游沿岸地區(qū)的安全，因此黃河泥沙問題是黃河治理的根本[1-5]。研究表明，黃河泥沙在制備防汛石材方面具有較大潛力，這不僅可緩解黃河下游的防洪壓力，還可滿足沿黃地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的需求，同時能夠促進泥沙資源利用技術(shù)和設備的發(fā)展與進步[6-8]。但利用黃河泥沙制造防汛石材缺乏系統(tǒng)的加工工藝和成型設備，現(xiàn)有生產(chǎn)工藝是參照碾壓混凝土的施工方法，將拌合料碾壓密實，然后采用圓盤鋸切割成型。此工藝生產(chǎn)成本較高，利潤率偏低，不利于工廠化規(guī)模生產(chǎn)，因此企業(yè)投資風險較大，導致黃河泥沙制備防汛石材技術(shù)發(fā)展緩慢[9-10]。因此，改進優(yōu)化現(xiàn)有黃河泥沙人工防汛石材生產(chǎn)技術(shù)，研究符合黃河防汛石材需求的自動化、標準化、工廠化規(guī)模式生產(chǎn)工藝和成套設備，已成為迫切需要解決的技術(shù)難題。

本文在調(diào)研黃河泥沙資源利用現(xiàn)狀的基礎上，研究了滿足不同需求的工廠化規(guī)模式生產(chǎn)技術(shù)，以降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，為黃河泥沙利用提供參考或依據(jù)。

1 利用黃河泥沙制作人工防汛石材規(guī)?；a(chǎn)目標

(1)產(chǎn)能規(guī)模：經(jīng)調(diào)研和測算，工廠化規(guī)模生產(chǎn)能力為40 m3以上。

(2)產(chǎn)品尺寸：結(jié)合搶險需要考慮，確定設備的最大成型尺寸為700 mm×700 mm×600 mm，經(jīng)過更換模具還可生產(chǎn)尺寸為600 mm×600 mm×600 mm和500 mm×500 mm×500 mm等人工防汛石材。

(3)拌合料形態(tài)：為實現(xiàn)自動化、工廠化規(guī)模生產(chǎn)，節(jié)約成本，成型的拌合料采用干硬性拌合物料。

(4)成型后表觀密度：≮1 950 kg/m3。

(5)成型工藝：干硬性拌合物料應采用干法成型工藝，一次成型。

2 振動加壓成型工藝研究

目前，建材行業(yè)常用的成型工藝為液壓成型、機械振動壓力成型等兩種。液壓成型工藝具有生產(chǎn)效率高、噪聲低等優(yōu)點，但設備體積大、成本高；機械振動壓力成型工藝中設備結(jié)構(gòu)相對簡單，容易制造，造價較低，適應性較強。在應用于建材成型時，兩種工藝的最大成型尺寸均為390 mm×190 mm×190 mm，機械振動壓力成型設備用于炭生坯成型時，可生產(chǎn)大尺寸坯體，但人工防汛石材拌合料與炭生坯拌合料形態(tài)差別較大，且炭生坯成型時需要預熱。因此，兩種成型工藝只能借鑒，不可直接采用。

2.1 模擬靜壓壓實成型工藝試驗

由于利用黃河泥沙制作的人工防汛石材產(chǎn)品體積大，為驗證壓力成型工藝的可行性，進行了靜壓成型壓力試驗，試驗分單側(cè)施壓和兩側(cè)施壓兩種。試驗模具采用直徑Φ159 mm鋼管，用于單側(cè)施壓的鋼管長為930 mm，用于兩側(cè)施壓的鋼管長為700 mm。試驗使用的拌合料是按照人工防汛石材固結(jié)膠凝技術(shù)研究的最優(yōu)配合比配制的干硬性拌合料。

2.1.1 單側(cè)施壓模擬壓實試驗

自上壓口向下施壓，壓實后試件高度為600 mm。試驗結(jié)果見表1。

2.1.2 兩側(cè)施壓模擬壓實試驗

上下壓口相向施壓，壓實后試件高度為450 mm。試驗結(jié)果見表2。

表1 單側(cè)施壓靜壓試驗結(jié)果

表2 兩側(cè)施壓靜壓試驗結(jié)果

2.1.3 試驗結(jié)果分析

單側(cè)施壓模擬壓實試驗表明，成型后試件平均濕密度為1 970 kg/m3，但壓實過程中需要壓力為700 kN，壓強為35.27 MPa。同時，由試驗結(jié)果可知，成型后試件上部壓口處物料較密實，下部物料密實度稍差，試件中距離施壓部位越遠，其壓實密度越小，說明管壁的摩擦力對壓力傳遞有一定的遞減作用。兩側(cè)施壓模擬壓實試驗表明，成型后試件平均濕密度為2 000 kg/m3，壓實過程中需要壓力為600 kN，壓強為30.23 MPa，與單側(cè)施壓時相比有所下降，但仍然過大。由表2試驗結(jié)果可知，成型后試件兩側(cè)部位的物料較為密實，中間部位物料密實度稍差。

結(jié)合模擬靜壓壓實試驗結(jié)果分析可知，成型時需要的壓力很大，單側(cè)施壓時比兩側(cè)施壓要求的更大；靜壓成型后的試件平均濕密度可滿足目標要求，但試件內(nèi)部存在不均勻現(xiàn)象，且距離施壓面越遠，物料的壓實密度越小。如采用壓力成型工藝壓制尺寸為700 mm×700 mm×600 mm的制品，則單側(cè)加壓時需要壓力機壓頭壓力>17 300 kN，兩側(cè)加壓時需壓頭壓力>14 800 kN(實際模擬高度為500 mm)，壓力機的實際設計能力還需高于試驗值。因此，就人工防汛石材產(chǎn)品工廠化規(guī)模生產(chǎn)能力目標而言，不適宜采用壓力成型工藝。

2.2 機械振動壓力成型工藝試驗

2.2.1 試驗設計

室內(nèi)振動加壓成型設備主要結(jié)構(gòu)包括液壓加載系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及平臺支架等。

原材料為：黃河沙、P·O 42.5水泥、Ⅱ級粉煤灰和自制添加劑，試件配合比見表3。

表3 室內(nèi)振動加壓成型配合比

2.2.2 成型工藝參數(shù)與試件表觀密度的關系

室內(nèi)振動加壓成型過程中，壓縮比、取樣深度、振動時間、含水率與成型試件表觀密度的關系如圖1所示。

(a) 壓縮比與試件表觀密度的關系

(b) 取樣深度與試件表觀密度的關系

(c) 振動時間與試件表觀密度的關系

(d) 含水率與試件表觀密度的關系圖1 成型工藝參數(shù)與試件表觀密度的關系

2.2.3 成型工藝參數(shù)影響分析

由圖1(a)可知，試件的表觀密度隨壓縮比的增加而增大，呈現(xiàn)一定的線性關系，壓縮比在1.3左右時，試件表觀密度離散性較小。由圖1(b)可知，成型壓力為0.4 MPa時，試件表觀密度比較均勻；試件表觀密度與取樣深度成反比關系，分析其原因為受試驗裝置限制，振動臺激振力偏小，液壓加壓系統(tǒng)直接連接到振動平臺，使試驗施加壓力全部作用到振動臺上，施加較大壓力時，振幅會大大減小，振動對拌合料的密實作用減弱，壓力成為試件密實的主要影響因素。當壓力自上向下傳導時，需要克服摩擦阻力和物料間的粘結(jié)力。因此，機械振動壓力成型時，成型壓力直接作用于振動平臺上會減弱振動效果，在成型設備研發(fā)時應予以避免。從圖1(c)、(d)可知，成型過程中振動時間控制在30～45 s為宜，而物料含水率控制在12%～14%為宜。

3 振動加壓成型設備研發(fā)

結(jié)合機械振動壓力成型試驗結(jié)果，成型系統(tǒng)以振動加壓為設計原理，即下振上壓一次成型。振動成型系統(tǒng)由壓頭、液壓油缸、鎖模機構(gòu)、鏈條、模具、振動平臺等組成，其結(jié)構(gòu)見圖2。在振動平臺內(nèi)有對稱布置的振動電機，能夠產(chǎn)生垂直向上的周期性簡諧激振力，在壓頭接觸物料前，振動電機進行振動，液壓油缸的下降用節(jié)流閥控制緩慢下降。壓頭受自身重力、液壓缸推力、物料支撐力等共同作用下將物料壓制密實。液壓油缸通過鏈條和機架柔性連接，振動不宜傳遞到機架上。該成型系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、振動加壓穩(wěn)定、生產(chǎn)成本較低、產(chǎn)能合理等特點，不僅能滿足不同物料生產(chǎn)，而且設備體積較小，可適應野外條件下生產(chǎn)。

圖2 振動成型機結(jié)構(gòu)圖

4 振動加壓成型生產(chǎn)線案例

黃河泥沙人工防汛石材生產(chǎn)線由配料系統(tǒng)、振動成型系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)及液壓系統(tǒng)等組成，其示意圖見圖3。自2016年10月至2017年11月，以孟州黃河泥沙為主要原材料，以粉煤灰、礦渣粉、爐灰(紅色煤泥)為主要摻合料，以氫氧化鈣和氫氧化鈉為添加劑，采用非水泥基膠凝技術(shù)，通過對成套生產(chǎn)設備不斷地調(diào)試、優(yōu)化、改進和維護，保證了整套振動加壓成型設備和供料系統(tǒng)的正常運行，生產(chǎn)規(guī)格尺寸為700 mm×700 mm×600 mm的黃河泥沙人工防汛石材共計1 500 m3，其中以粉煤灰為主要摻合料的產(chǎn)品900 m3，分別以礦渣粉和爐灰為主要摻合料的產(chǎn)品各300 m3。經(jīng)試驗檢測，生產(chǎn)的黃河泥沙人工防汛石材各項性能基本達到設計要求。

圖3 黃河泥沙人工防汛石材生產(chǎn)線示意圖

5 結(jié)語

(1)通過試驗確定了黃河泥沙人工防汛石材的振動加壓成型工藝參數(shù)。試件的表觀密度隨壓縮比增加而增大，成型后試件的表觀密度隨取樣深度增加而減小，振動時間以30～45 s為宜，物料含水率控制在12%～14%為宜。

(2)以機械振動加壓成型工藝參數(shù)為基礎，研發(fā)了黃河泥沙人工防汛石材成套生產(chǎn)設備，降低了生產(chǎn)成本，實現(xiàn)了工廠化規(guī)模式生產(chǎn)需求和自動化生產(chǎn)控制，并且其產(chǎn)品各項性能基本達到設計要求。