基于混煉造粒設(shè)備的盾構(gòu)土砂化

侯建強(qiáng)

（福建南方路面機(jī)械股份有限公司，福建 泉州 362021）

0 引言

城市產(chǎn)業(yè)發(fā)展的過程中，各類建構(gòu)物、交通、市政建設(shè)每年都會(huì)產(chǎn)生大量的建筑渣土，這些渣土的堆存和處理已成為城市發(fā)展的難題，處理不好將占用土地、污染環(huán)境，還有可能引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害等。如何對(duì)這些建筑渣土進(jìn)行綜合利用，變廢為寶，是城市發(fā)展必須面對(duì)的問題，而資源化是循環(huán)利用、可持續(xù)發(fā)展的最佳途徑之一[1]。

目前，城市渣土產(chǎn)生的大量來源是地鐵工程，新建地鐵工程所面臨的問題有盾構(gòu)渣土的堆積和運(yùn)輸、環(huán)境污染、回填原材料短缺等[2]。為此，該文使用一種新型混煉造粒設(shè)備，將盾構(gòu)渣土進(jìn)行回收利用，重新混煉成具有一定形狀和強(qiáng)度的固化顆粒，滿足盾構(gòu)砂漿的使用要求。通過該文的研究，渣土混煉造粒設(shè)備能夠?qū)⒌罔F盾構(gòu)設(shè)備所產(chǎn)生的盾構(gòu)渣土進(jìn)行重新造粒，經(jīng)過一些定期的養(yǎng)護(hù)使其能充當(dāng)回填原材料中的機(jī)制砂使用。該研究不僅充分利用了盾構(gòu)渣土，減少了渣土產(chǎn)生的一系列后果，還解決了回填原材料短缺、原料成本高等問題。

1 混煉造粒設(shè)備

1.1 工作原理

混煉造粒設(shè)備（如圖1所示）是指將原料渣土通過送泥機(jī)→進(jìn)料輸送帶→混煉造粒機(jī)，置入攪拌容器中，一邊加入外加劑，一邊用旋轉(zhuǎn)的葉片攪拌，經(jīng)過四個(gè)工藝流程后使原料和外加劑混合均勻，同時(shí)團(tuán)聚成顆粒狀的一種處理設(shè)備。各工藝流程的時(shí)間由控制室嚴(yán)格控制，使設(shè)備能夠更快更好地生產(chǎn)出所需產(chǎn)品。該混煉造粒的工藝充分地展現(xiàn)了攪拌造粒的原理。在攪拌造粒中，通過旋轉(zhuǎn)葉片的攪拌作用，被攪拌的顆粒在強(qiáng)大的剪切力和壓縮力的作用下被混合、翻轉(zhuǎn)和分散，然后在離心力的作用下，在造粒容器的內(nèi)壁上碰撞滾動(dòng)，聚結(jié)成顆粒。凝聚力較差的顆粒與葉片碰撞或相互碰撞后就會(huì)崩解，但碎片又會(huì)再次凝聚成長(zhǎng)，最終形成具有一定強(qiáng)度的顆粒物。

圖1 混煉造粒設(shè)備系統(tǒng)

控制室可精確計(jì)量、穩(wěn)定計(jì)量、在線控制和緊急制動(dòng)，防止攪拌室內(nèi)有限料、電流過大等現(xiàn)象發(fā)生；進(jìn)料輸送帶和出料輸送能夠做到不堵塞、不卡料，迅速進(jìn)行進(jìn)出料使用；送泥機(jī)為原料供給機(jī)，用于接收、儲(chǔ)存建筑渣土，并將渣土相對(duì)均勻地輸送至下一處理模塊，均勻可控，較少黏料且易維護(hù)，除塵罐能夠?qū)a(chǎn)生的灰塵進(jìn)行處理。

1.2 工藝流程

混煉造粒設(shè)備的工藝流程（如圖2所示）包括4個(gè)處理步驟：破碎、混合、造粒和整粒。四個(gè)工藝實(shí)現(xiàn)分離但又緊密相連，通過控制室嚴(yán)格分配各工藝流程的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)原料和外加劑混合均勻并同時(shí)團(tuán)聚成顆粒狀。破碎過程將泥餅、渣土等原料充分打散；混合過程將原料與水泥、固化材或外加劑充分混煉均勻，筒內(nèi)無死角；造粒過程將混合好的材料造粒至一定尺寸以獲得?；a(chǎn)品；整粒過程進(jìn)一步軋制以調(diào)節(jié)?；镔|(zhì)的粒度、表面粗糙度等，做到粒徑均勻、粒形圓整，可根據(jù)產(chǎn)品需要調(diào)整粒徑大小。整機(jī)傳動(dòng)性能平穩(wěn)，設(shè)備密封不漏料。

圖2 混煉造粒設(shè)備的工藝流程

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)原料

目前，我國(guó)處于城市基礎(chǔ)建設(shè)高峰期，交通等工程施工產(chǎn)生的渣土越來越多，城市無法消化，“渣土圍城”等問題屢見不鮮，成為城市發(fā)展的痛點(diǎn)。廢棄渣土的來源包括各類建（構(gòu)）筑物、管網(wǎng)、道橋等在建設(shè)過程中開挖土石方所產(chǎn)生的棄土以及各類建（構(gòu)）筑物樁基礎(chǔ)、基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、泥水盾構(gòu)、管網(wǎng)暗挖等施工產(chǎn)生的廢置和剩余泥漿[3]。因此該文針對(duì)地鐵工程產(chǎn)生的廢棄渣土進(jìn)行研究，探索其重新利用的價(jià)值。

該試驗(yàn)所用原料為南京某盾構(gòu)公司修建地鐵所產(chǎn)生的砂質(zhì)土（如圖3所示）。在地鐵等工程施工過程中，經(jīng)常遇到透水性強(qiáng)的砂質(zhì)土層，如果地下水位高，基坑開挖后，邊坡會(huì)出現(xiàn)滲水流沙，滑坡坍塌，會(huì)給施工帶來影響或造成安全事故。同時(shí)基底會(huì)出現(xiàn)涌水冒沙、基底浸水、土體蠕動(dòng)變形等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響工程質(zhì)量。為確?；自瓲钔敛唤⒉粨蟿?dòng)，工程質(zhì)量及基坑邊坡穩(wěn)定安全，必須采取有效措施進(jìn)行防治。根據(jù)《YS/T 5225-2016 土工試驗(yàn)規(guī)程》，通過實(shí)驗(yàn)室測(cè)定砂質(zhì)土含水比約為20%，再通過數(shù)顯液塑限測(cè)定儀測(cè)定液限約為29.9%，塑限約為19.1%，塑性指數(shù)為10.8%。另外，細(xì)度模數(shù)的計(jì)算方法如公式（1）所示。

圖3 砂質(zhì)土樣貌

式中：Mx為細(xì)度模數(shù)；A1、A2、A3、A4、A5、A6分別為4.75mm、2.36mm、1.18mm、600μm、300μm、15μm篩的累計(jì)篩余百分率。

砂質(zhì)土指的是粒徑大于2mm，顆粒含量不超過全重的50%，而粒徑大于0.075mm的顆粒含量超過全重50%的土。砂質(zhì)土根據(jù)粒組含量不同可分為礫砂、粗砂、中砂、細(xì)砂和粉砂。該試驗(yàn)測(cè)定砂質(zhì)土原料的細(xì)度模數(shù)為0.80，為粉砂，其粒度分布見表1。

表1 砂質(zhì)土粒徑分布

2.2 輸入?yún)?shù)

通過編寫控制程序，使控制室體現(xiàn)出計(jì)量、測(cè)量、運(yùn)行、處理故障等作用。同時(shí)還能夠觀測(cè)送泥機(jī)、輸送設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)，做到不堵塞、不卡料，能迅速工作，提高產(chǎn)量，通過在線控制也能夠減少工作人員的負(fù)擔(dān)。此外，該控制室中設(shè)置有控制面板，能夠清晰地設(shè)置每個(gè)步驟中設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，通過簡(jiǎn)單的學(xué)習(xí)就能夠完美地掌握此設(shè)備的運(yùn)行情況。

該試驗(yàn)通過記錄混煉造粒設(shè)備的輸入?yún)?shù)來設(shè)計(jì)配方，由控制室控制輸入?yún)?shù)的具體用量。砂質(zhì)土由送泥機(jī)通過進(jìn)料輸送帶輸送到混煉造粒設(shè)備中，粉煤灰與水泥通過外接輸送機(jī)進(jìn)行輸送，嚴(yán)格控制用量。該試驗(yàn)的輸入?yún)?shù)：包括砂質(zhì)土添加量、粉煤灰添加量、水泥添加量和各工藝流程時(shí)間。

2.3 配方設(shè)計(jì)

固化材的種類有生石灰或水泥基材料等，從中選擇試驗(yàn)后能達(dá)到合適強(qiáng)度的固化材。添加量因泥餅的特性、含水率、固化材的種類、混煉方法、養(yǎng)護(hù)時(shí)間和處理土的用途等而不同，不可一概而論。因此，該試驗(yàn)的固化材選擇粉煤灰與水泥。此外，固化材的供給由罐車（袋裝或拆包）輸送到粉罐中存儲(chǔ)，通過螺旋輸送到粉料暫存?zhèn)}中。根據(jù)生產(chǎn)用量需求，通過變頻螺旋輸送到精計(jì)量螺旋，再輸送到混煉造粒機(jī)中進(jìn)行攪拌。

該試驗(yàn)通過設(shè)計(jì)不同造粒配方，探索不同添加劑比例對(duì)造粒產(chǎn)品粒度的影響。先要保持原料砂質(zhì)土的添加量為1.6t；粉煤灰添加量占原料的比例為8%、10%、12%、14%；水泥添加量占原料的比例也為8%、10%、12%、14%；保持四個(gè)工藝流程運(yùn)行的時(shí)間不變。因此，該試驗(yàn)通過粉煤灰與水泥用量的組合排列共進(jìn)行16組試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果處理與分析

3.1 粒形分析

在很多領(lǐng)域中，顆粒形態(tài)均對(duì)顆粒性能有重要影響。顆粒形態(tài)對(duì)生產(chǎn)流程的工業(yè)來說是一個(gè)重要參數(shù)。通過分析顆粒形狀，能夠?qū)⒉煌浞?、不同工藝得到的產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比，尋求其規(guī)律和共同點(diǎn)。經(jīng)過試驗(yàn)及配方設(shè)計(jì)，分析砂質(zhì)土經(jīng)過混煉造粒設(shè)備后得出的產(chǎn)品。

經(jīng)過造粒后的產(chǎn)品如圖4所示，可以看出，產(chǎn)品粒形較為圓整且顆粒均勻。產(chǎn)品1的質(zhì)量較高，制成的顆粒均勻，松實(shí)適宜，外形圓整，流動(dòng)性好，顆粒間色差小，可以制備所要求的顆粒。而根據(jù)不同配方進(jìn)行造粒的產(chǎn)品2中粒度差別較大，且細(xì)粉較多，這就說明添加的固化材料不足，為此將繼續(xù)分析各配方的產(chǎn)品粒度，以研究不同配方的規(guī)律。

圖4 造粒產(chǎn)品示意圖

3.2 粒度分析

將造粒得出的產(chǎn)品進(jìn)行粒度分析，并與《GB/T 14684—2011建設(shè)用砂》中的機(jī)制砂二區(qū)進(jìn)行對(duì)比，判定產(chǎn)品粒徑的分布情況。將16組配方進(jìn)行細(xì)度模數(shù)計(jì)算，得出的結(jié)果見表2。從表2中可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)粉煤灰含量不變時(shí)，隨著水泥含量的增加，細(xì)度模數(shù)不斷增大，水泥含量和細(xì)度模數(shù)呈正相關(guān)。同時(shí)根據(jù)機(jī)制砂的分類，當(dāng)添加8%水泥時(shí)，對(duì)應(yīng)的是細(xì)砂；添加10%和12%水泥時(shí)，對(duì)應(yīng)的是中砂；而添加14%水泥時(shí)，對(duì)應(yīng)的是粗砂。因此，添加水泥的含量對(duì)產(chǎn)品粒度的影響非常大。

表2 16組配方的細(xì)度模數(shù)計(jì)算結(jié)果

16組配方中第二組配方的詳細(xì)細(xì)度模數(shù)計(jì)算表見表3，此配方細(xì)度模數(shù)為2.67，屬于中砂。8%粉煤灰、10%水泥配方時(shí)粒度與機(jī)制砂二區(qū)的對(duì)比如圖5所示。能夠看出，經(jīng)過混煉造粒，產(chǎn)品的粒度基本上符合機(jī)制砂二區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)。目前建筑渣土處置費(fèi)用高昂，回填原材料因緊缺而價(jià)格上漲，如果能將建筑渣土變廢為寶，不但消納的渣土可緩解環(huán)境污染，生產(chǎn)產(chǎn)品又可創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價(jià)值，因此渣土資源化利用的市場(chǎng)前景非常可觀[4]。

圖5 配方為8%粉煤灰10%水泥時(shí)與機(jī)制砂二區(qū)的粒度對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

混煉造粒設(shè)備和工藝的發(fā)展可促進(jìn)建筑渣土資源化利用，能夠解決當(dāng)前建筑渣土冗余且原材料短缺的現(xiàn)象。該文混煉造粒設(shè)備所生產(chǎn)的產(chǎn)品粒形圓整且均勻。另外，當(dāng)粉煤灰含量不變時(shí)，水泥含量和細(xì)度模數(shù)呈正相關(guān)；當(dāng)添加8%粉煤灰、10%水泥時(shí)，產(chǎn)品粒度能夠基本上符合機(jī)制砂二區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)。因此，該方法能夠促進(jìn)渣土資源化利用，這也是未來渣土處理的趨勢(shì)。