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發布日期：2023-01-25 瀏覽次數： 70 次
關于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 長江科學院材料與結構研究所，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分散黏土的規律，建立相關模型。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，解決傳統洗砂中石粉大量流失的問題。該方法在行業內屬首創，具有良好的經濟和工程應用價值。
【關鍵詞】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，其產量和品質不斷下降、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無法徹底清除，由此生產的機制砂不可避免地含有泥粉，其中除含少量腐殖質、有機質外，主要含有各種黏土礦物，產自不同地區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的區別，成分復雜，包括軟質、風化的巖石顆粒，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。標準規定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。相關研究表明，黏土是造成機制砂MB值超標的最主要因素。黏土是一種典型的多孔介質復合材料，顆粒粒徑小，結構強度低。相關研究表明，機制砂MB值越大，對拌制的混凝土性能影響也越大，MB值超標的機制砂將對混凝土性能產生較大的不利影響。
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。關于SHMP在黏土顆分試驗的應用，土工試驗標準規定加入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構分散得更為徹底。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，在混凝土領域具有很好的經濟性和實用性。
1 試驗原材料與研究方法1.1 原材料SHMP滿足HG-T2519-2007《工業六偏磷酸鈉》的標準；清洗用水采用自來水。機制砂由國內某水利工程當地生產，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，化學成分分析結果見表1，顆粒級配如表2。
圖1 國內某水利工程機制砂
表1 機制砂化學成分/%
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的標準篩進行全級配篩分，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，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，建立前后參數的關系、研究變化規律，綜合對比分析確定優化的清洗方案。
2 試驗結果及討論2.1 原狀砂MB值與含泥量的關系使用水、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。根據機制砂MB值與含泥量（%）呈線性關系，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，由此可推導出原狀砂MB值（MBV）與含泥量λ的關系式為式（1）。
2.2 原狀砂清洗試驗 按水與砂、SHMP與砂的質量之比分為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。經清洗后的10組機制砂顆粒級配都很接近，且基本都在標準的2區顆粒級配機制砂的級配包絡線以內，符合標準要求。
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，相應地，質量減少率逐漸減小，二者呈此消彼長的關系，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，且由于計算公式不同，砂清洗后的質量減少率并不等同于清洗前、后微粒含量差，但存在正相關性。
圖3 清洗后質量減少率、微粒含量與SHMP量的關系
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量的關系
各組砂清洗后微粒含量和MB值隨清洗液SHMP濃度變化關系如圖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值都處于相對優化的范圍。
圖5 清洗后微粒含量與清洗液SHMP 濃度的關系
圖6 清洗后MB值與清洗液SHMP濃度的關系
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值相應也增加至2.35，細度模數為2.48。
表4 高石粉含量機制砂級配
2.3.2 結果分析
清洗前、后各組砂基本數據見表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組砂質量減少率、微粒含量、細度模數和MB值測試結果
清洗后機制砂微粒含量、MB值與清洗液SHMP濃度之間的關系如圖8、圖9?？梢钥闯?，清洗液SHMP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，后續再繼續升高的趨勢已經很緩慢，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濃度的關系
圖9 機制砂MB值與SHMP濃度的關系
2.4 SHMP分散黏土的模型根據公式（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 濃度的關系
根據式（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的變化關系如圖11，擬合曲線方程（相關系數為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濃度的關系
當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。這印證了文獻的結論：SHMP濃度較低時，對黏土的分散效果不好，但當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，也會影響黏土的分散效果。
另有研究也認為，SHMP將黏土的團粒結構解體，破壞團粒結構內部黏土礦物片之間的結合水連結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。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-，黏土中的離子優先選擇吸附鈉離子形成的擴散層當達到一定厚度時黏粒就相互分離，從而使團粒結構部分或全部解體。
3 結論（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元的經濟損失。SHMP洗砂具有良好的經濟效益，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，具有更高的工程應用價值。
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