再生集料的破碎性能及破碎工藝

丁龍亭，王選倉(cāng)，何 璐，翟 勇，張文剛，彭洋洋

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064； 2.山東理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，山東 淄博 255049； 3.濟(jì)南城建集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250000)

0 引 言

一些發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)對(duì)于廢舊混凝土的再生研究比較成熟，再生利用率超過(guò)90%，而國(guó)內(nèi)的廢舊混凝土再生技術(shù)剛剛起步，綜合再生利用率不超過(guò)5%，與發(fā)達(dá)國(guó)家差距很大[1-10]。Chen How-Ji通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，再生集料經(jīng)過(guò)清洗，不會(huì)導(dǎo)致再生混凝土強(qiáng)度的降低。李惠強(qiáng)等提出了包括大塊體破碎、預(yù)處理、破碎分選、強(qiáng)化處理等再生集料加工工藝[11-12]。史巍等研究出一種新型破碎加工工藝：廢舊混凝土首先通過(guò)初級(jí)破碎裝置破碎，再篩分成小于10 mm、10～40 mm這2種范圍的粒徑，然后進(jìn)行二次篩分、風(fēng)力分級(jí)，得到微粉(<0.15 mm)、再生細(xì)集料(0.15～5 mm)和再生粗集料(5～25 mm)。這種加工工藝簡(jiǎn)潔高效、結(jié)構(gòu)新穎、加工成本低，比較適合當(dāng)前中國(guó)發(fā)展需要，但是目前缺乏系統(tǒng)深入的研究[[13-15]。

針對(duì)中國(guó)目前沒(méi)有統(tǒng)一的廢舊混凝土再生集料破碎工藝這一問(wèn)題，本文通過(guò)建立破碎模型，進(jìn)行不同破碎機(jī)對(duì)再生集料和天然石材的破碎試驗(yàn)，分析各自的破碎性能，并提出新的再生集料破碎工藝，以期為再生集料的推廣應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù)。

1 破碎模型的建立

1.1 破碎模型的基本框架

相比于原礫石，新產(chǎn)生的碎石破碎面更粗糙，具有較好的棱角性、表面構(gòu)造和表面輪廓，即更高的顆粒指數(shù)。通過(guò)建立破碎模型并比選母巖破碎前的規(guī)格，能夠得出母巖預(yù)篩分的篩孔尺寸。根據(jù)破碎面與總表面兩者之間的面積比，可以求出滿足不同破碎要求的母巖尺寸[16-17]。

假定母巖的表面積破碎前是SA，破碎后是SB，新的破碎面面積則為SB-SA，記作SC。石料的破碎面面積占總面積的比例為

(1)

破碎前與破碎后相比，面積發(fā)生改變，而體積沒(méi)有變化，不同尺寸的母巖加工處理成不同粒徑的再生集料后，求出常見(jiàn)的幾種粒料特征的α值，通過(guò)研究α值與破碎后石料質(zhì)量之間的關(guān)系可間接給出破碎母巖的控制粒徑，進(jìn)而達(dá)到控制石料破碎生產(chǎn)的目的。

1.2 破碎模型的建立

(1)確定母巖的形狀特征。母巖形狀特征如圖1所示，影響母巖顆粒形狀特征的因素有很多，因此其形狀很難用單一的標(biāo)準(zhǔn)去衡量，相比之下，比表面積值較容易測(cè)量。

圖1 母巖形狀特征

(2)確定母巖破碎后的顆粒特征。集料的顆粒形狀除了可以用表面積分析儀測(cè)出的比表面積表示外，也可用規(guī)格立方體近似表示。根據(jù)工程實(shí)際，模型計(jì)算采用的四檔集料分別是5～10 mm、10～20 mm、20～40 mm、40～60 mm[18-19]。

(3)基于破碎前后表面積變化的數(shù)學(xué)模型。為了便于計(jì)算，以單位體積的表面積表征比表面積SA，母巖的表觀密度ρα假設(shè)為2.70 g·cm-3[20]。

破碎前

式中：V為單顆粒母巖的平均體積(cm3)；m0為各母巖質(zhì)量分級(jí)范圍的前值(kg)，則各檔母巖的平均質(zhì)量為1.25mo；i為變量，表示不同的粒徑，i=1、2、3、4、…。

破碎后

式中：ni為破碎后單顆粒母巖的各種形狀或是各種粒徑的粒料數(shù)量平均值；Vi為破碎后各粒級(jí)單顆粒體積，本項(xiàng)目中為4種形狀按一定比例合成后的體積(cm3)；SBi為破碎后的各種形狀或者各種粒徑的表面積(cm2)。

2 再生集料破碎流程

2.1 試驗(yàn)儀器與材料

(1)顎式破碎機(jī)，型號(hào)為Y132S-4，功率為5.5 kW。

(2)錘式破碎機(jī)，型號(hào)為YX3 132S-4，功率為5.5 kW。

(3)圓形方孔篩，所需篩孔依次為：16、9.6、4.75、2.36、1.18、0.6、0.3、0.15、0.075 mm。

(4)廢舊的混凝土試塊要求完整，試塊數(shù)量要滿足試驗(yàn)所需。

(5)天然石材要求硬度要大，不得含有黏土巖、片巖等，以石灰?guī)r、花崗巖為宜。

2.2 試驗(yàn)方法

取滿足試驗(yàn)要求的4組廢舊混凝土和4組天然石材，其中1號(hào)天然石材、2號(hào)天然石材、1號(hào)廢舊混凝土、2號(hào)廢舊混凝土均使用顎式破碎機(jī)破碎，3號(hào)天然石材、4號(hào)天然石材、3號(hào)廢舊混凝土、4號(hào)廢舊混凝土用錘式破碎機(jī)破碎。破碎結(jié)束后將破碎集料收集好，之后用圓形方孔篩篩分，分別裝袋并做好編號(hào)。篩分結(jié)束之后觀察采用2種破碎方式破碎后與破碎前破碎面的變化，并分析2種破碎方式破碎集料的石屑比和破碎比。

3 再生集料的破碎性能

3.1 破碎前后的表觀特征

3.1.1 廢舊混凝土破碎的表觀特征

(1)廢舊混凝土用顎式破碎機(jī)破碎后的表觀特征如圖2所示。破碎后的破碎面數(shù)量基本保持不變，都是6個(gè)；集料顆粒棱角分明，介于卵石和碎石之間，含有較多的孔隙，表面附有硬化的水泥砂漿，破碎面粗糙不規(guī)則。

圖2 顎式破碎機(jī)破碎的廢舊混凝土

(2)廢舊混凝土用錘式破碎機(jī)破碎后的表觀特征如圖3所示。再生集料通過(guò)錘式破碎機(jī)破碎后，破碎面有明顯變化，破碎前破碎面為6個(gè)，破碎后破碎面變得圓滑，數(shù)量出現(xiàn)4、6、7、8個(gè)；大多數(shù)的集料表面都附有硬化的水泥砂漿，其中一部分是破碎時(shí)的砂漿顆粒，另一部分是已經(jīng)脫離砂漿的石子。

圖3 錘式破碎機(jī)破碎的廢舊混凝土

3.1.2 天然石材破碎的表觀特征

(1)天然石材用顎式破碎機(jī)破碎后的表觀特征如圖 4所示。破碎后破碎面數(shù)量無(wú)顯著變化，集料表面帶有棱角，表面無(wú)明顯孔隙，破碎面較規(guī)則。

圖4 顎式破碎機(jī)破碎的天然石材

(2)天然石材用錘式破碎機(jī)破碎后的表觀特征如圖5所示，破碎后破碎面有明顯變化，破碎前為6個(gè)，破碎后破碎面出現(xiàn)4、6、7、8個(gè)，破碎面較圓滑，與廢舊混凝土的表觀特征無(wú)明顯差別。

圖5 錘式破碎機(jī)破碎的天然石材

3.1.3 破碎結(jié)果對(duì)比

顎式破碎機(jī)破碎出的再生集料粒徑較大，且破碎面無(wú)明顯的數(shù)量變化，基本為6個(gè)；廢舊混凝土的破碎面不規(guī)則，天然石材破碎面較規(guī)則，但兩者破碎面都比較尖銳。錘式破碎機(jī)破碎出的再生集料粒徑較小，破碎面有明顯數(shù)量變化，且更為圓滑。

廢舊混凝土破碎后的形狀特征介于卵石和碎石之間，集料表面有棱角和較多的孔隙，且表面附著有硬化的水泥砂漿，其中一部分是破碎時(shí)的砂漿顆粒，另外一部分是已經(jīng)脫離砂漿的石子；天然石材破碎后破碎面比較光滑，表面不存在明顯的孔隙。

3.2 破碎比分析

3.2.1 廢舊混凝土的破碎比分析

(1)顎式破碎機(jī)破碎廢舊混凝土的破碎比如表1所示。

表1 顎式破碎機(jī)破碎廢舊混凝土的破碎比

(2)錘式破碎機(jī)破碎廢舊混凝土的破碎比如表2所示。

表2 錘式破碎機(jī)破碎廢舊混凝土的破碎比

3.2.2 天然石材的破碎比分析

(1)顎式破碎機(jī)破碎天然石材的破碎比如表3所示。

表3 顎式破碎機(jī)破碎天然石材的破碎比

(2)錘式破碎機(jī)破碎天然石材的破碎比如表4所示。

表4 錘式破碎機(jī)破碎天然石材的破碎比

3.2.3 破碎比對(duì)比分析

由表1～4可以得出：廢舊混凝土和天然石材破碎比只與破碎方式有關(guān)系，顎式破碎機(jī)破碎的集料破碎比為6.25，而錘式破碎機(jī)的破碎比為10.416；顎式破碎機(jī)和錘式破碎機(jī)的效果不同，二者的集料比率見(jiàn)表5，前者破碎后的大粒徑集料比較多，原材料的減少程度較小，后者破碎的石屑比較大，原材料減少程度較大。

表5 顎式與錘式破碎機(jī)集料比率

3.3 石屑比分析

本文石屑比是指大于4.75 mm、2.36～4.75 mm、小于2.36 mm這3個(gè)粒徑范圍內(nèi)的石屑所占比率。顎式破碎機(jī)破碎石屑比如表6所示，錘式破碎機(jī)破碎石屑比如表7所示。

表6 顎式破碎機(jī)破碎的石屑比

表7 錘式破碎機(jī)破碎的石屑比

通過(guò)表6、7可以發(fā)現(xiàn)，顎式破碎機(jī)破碎出的集料石屑比較小，錘式破碎機(jī)破碎出的集料石屑比較大，可見(jiàn)石屑比的大小和破碎方式有直接的關(guān)系。顎式破碎機(jī)破碎的集料中有90%的粒徑不小于4.75 mm，而錘式破碎機(jī)破碎的集料中有60%以上的粒徑不大于2.36 mm，相比于顎式破碎機(jī)，錘式破碎機(jī)破碎后的石屑比更大。

4 再生集料破碎工藝

通過(guò)分析2種不同的破碎方式，提出新的破碎工藝如下。

(1)對(duì)廢舊混凝土進(jìn)行預(yù)處理，先進(jìn)行初步破碎，然后分離雜質(zhì)和混凝土塊。

(2)預(yù)篩分，除去多余的雜質(zhì)。

(3)用顎式破碎機(jī)做初步破碎，并對(duì)廢料進(jìn)行處理。

(4)進(jìn)行二次雜物分選，去除顆粒較小的雜質(zhì)。

(5)錘式破碎機(jī)實(shí)現(xiàn)最后一步破碎，確保破碎質(zhì)量。

(6)通過(guò)風(fēng)力將破碎集料充分分級(jí)，獲得高品質(zhì)再生破碎集料。

再生集料破碎加工工藝流程如圖6所示。

圖6 破碎加工工藝流程

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)本文建立了再生集料的破碎模型，分別使用顎式、錘式破碎機(jī)破碎廢舊混凝土和天然石材，對(duì)比分析破碎表觀特征、破碎比和石屑比等指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)不同的破碎方式對(duì)集料的關(guān)鍵性指標(biāo)有很大的影響。

(2)顎式破碎機(jī)破碎出的集料粒徑較大，破碎前后基本都為6個(gè)破碎面，廢舊混凝土的破碎面不規(guī)則，天然石材的破碎面較規(guī)則；錘式破碎機(jī)破碎出的集料粒徑較小，破碎面有明顯數(shù)量變化，且破碎面更加圓滑，破碎的廢舊混凝土和天然石材表觀特征無(wú)明顯差別。

(3)相比顎式破碎機(jī)，錘式破碎機(jī)的破碎比和石屑比更大，大粒徑集料更少，原材料減少程度更大。