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发布日期：2023-01-25 浏览次数： 70 次
关于SHMP在机制砂清洗中对MB值和石粉含量的控制作用研究
龚德新，李家正*，石妍，林育强，李杨
（长江水利委员会 长江科学院材料与结构研究所，武汉 430010）
【摘要】由于机制砂的原岩和加工运输场地中夹杂泥土，造成其MB值超过1.4。目前常用水洗的方法去除泥土，但同时造成大量的石粉流失，降低机制砂产量，且难以满足碾压混凝土等对机制砂高石粉含量的要求。采用不同清洗水、黏土分散剂SHMP与机制砂的质量比，分别进行若干组机制砂清洗试验，分析各组清洗后的机制砂级配、石粉含量、MB值等随用水量、SHMP用量的变化，研究SHMP分散黏土的规律，建立相关模型。推荐清洗每吨机制砂SHMP用量为100g-300g，用水量为500kg-700kg，MB值将从2以上降低至1.1，而石粉含量仅降低2%左右。此方法大幅降低机制砂的MB值，解决传统洗砂中石粉大量流失的问题。该方法在行业内属首创，具有良好的经济和工程应用价值。
【关键词】机制砂；MB 值；泥土；黏土；清洗；SHMP；石粉含量
0 引言 近年来，随着天然砂的大量开采，其产量和品质不断下降、成本提高，机制砂作为天然砂的一种替代材料，得到了广泛的使用。但由于生产机制砂的原岩表层土、破碎前岩石的土夹层、软弱夹层、岩石裂隙中的沉积泥质无法彻底清除，由此生产的机制砂不可避免地含有泥粉，其中除含少量腐殖质、有机质外，主要含有各种黏土矿物，产自不同地区的机制砂的泥粉中存在不同膨胀性能的黏土矿物；机制砂中泥粉与破碎原岩时产生的石粉混在一起组成了粒径小于0.16mm的微粒，这是与天然砂的主要差别。石粉的矿物组成和特性与被加工的原岩相同，而黏土与来源于机制砂原岩的石粉有着本质的区别，成分复杂，包括软质、风化的岩石颗粒，矿物成分主要是铝硅酸盐、镁硅酸盐和铁硅酸盐等。
亚甲基蓝值（Methylene Blue Value），简称MB值，单位为g/kg（以下略去单位），是机制砂中黏土吸附性能的综合评价指标。标准规定MB值小于1.4时，微粒定性以石粉为主；MB 值大于1.4时，微粒定性以泥粉为主。许多工程上生产的机制砂所含泥土中有较多膨胀性黏土，造成其MB值超过1.4。相关研究表明，黏土是造成机制砂MB值超标的最主要因素。黏土是一种典型的多孔介质复合材料，颗粒粒径小，结构强度低。相关研究表明，机制砂MB值越大，对拌制的混凝土性能影响也越大，MB值超标的机制砂将对混凝土性能产生较大的不利影响。
工程上常使用洗砂机水洗机制砂去除泥粉，降低MB值，但同时会洗出大量的石粉，使机制砂石粉含量大幅降低、总产量减少，更重要的是，无法满足碾压混凝土等对机制砂高石粉含量的需求。
六偏磷酸钠（sodium hexametaphosphate），化学式为（NaPO3）6简称为SHMP，常用作分散剂，易溶于水。目前尚无直接将SHMP用在洗砂中的研究。关于SHMP在黏土颗分试验的应用，土工试验标准规定加入4%的SHMP溶液分散黏土各粒级颗粒；文献研究不同分散剂对江西红黏土颗粒分散效果，提出 8%-10%浓度的SHMP溶液分散效果最佳；文献研究得出0.06%-0.07%浓度的SHMP溶液对柳州红黏土分散效果最佳；文献[30]研究得出，与双氧水、硅酸钠、氨水相比，采用4%到6%浓度的SHMP溶液作为分散剂可以使红土团粒结构分散得更为彻底。各研究使用SHMP溶液分散的是纯黏土，其浓度推荐值较高，而机制砂中黏土含量相对较低，在洗砂中并不适用。
开创性地使用SHMP作为黏土分散剂运用于机制砂清洗中，能更多地去除机制砂泥粉、保留大部分必需的石粉，在混凝土领域具有很好的经济性和实用性。
1 试验原材料与研究方法1.1 原材料SHMP满足HG-T2519-2007《工业六偏磷酸钠》的标准；清洗用水采用自来水。机制砂由国内某水利工程当地生产，其MB值高达2.0，如图1，下文将此未清洗过的机制砂称为原状砂。将此机制砂烘干至恒重后分别筛分成不同的粒径组分进行试验，化学成分分析结果见表1，颗粒级配如表2。
图1 国内某水利工程机制砂
表1 机制砂化学成分/%
表2 烘干后砂的级配
1.2 研究方法 为分析只因清洗方案带来的原状砂级配和MB值的精确变化，避免每次所取原状砂样品由于取样的不均匀性带来的级配、微粒含量和MB值的差异，事先将该原状砂烘干至恒重，用筛孔尺寸为5mm、2.5mm、1.25mm、0.63mm、0.315mm、0.16m、<0.16mm的标准筛进行全级配筛分，并按试验需要的级配重新配制每试验组原状砂各 1000g，确保各级配完全相同。
将清洗每吨原状砂的用水量、SHMP用量作为输入的自变量参数，通过二者若干组合的清洗试验，测试清洗后的机制砂微粒含量、级配分布、MB值，将其作为因变量参数，建立前后参数的关系、研究变化规律，综合对比分析确定优化的清洗方案。
2 试验结果及讨论2.1 原状砂MB值与含泥量的关系使用水、砂的重量之比为0.5的清水清洗原状砂，清洗后较清洗前减少7.92%，视为经水洗后微粒（石粉与泥粉之和）的减少。作为对比，用清水清洗相同级配MB值为0.5的不含泥机制砂，清洗后其重量减少3.52%，视为纯石粉减少，即原状砂也洗出同样比例的石粉。所以，在同等条件下近似认为原状砂洗出的石粉与泥粉之和，减去仅洗出的石粉，得原状砂经水洗后的泥粉减少为4.4%，又可测得MB值降低值为1.1。根据机制砂MB值与含泥量（%）呈线性关系，可知直线斜率为1.1/4.4=0.25，而不含泥机制砂（含泥量为 0）时MB值为 0.5，由此可推导出原状砂MB值（MBV）与含泥量λ的关系式为式（1）。
2.2 原状砂清洗试验 按水与砂、SHMP与砂的质量之比分为10组清洗试验，配比见表3，其中9#、10#为未添加SHMP的基准试验组。按表2的级配配制每组砂原状砂各1000g。
表3 10组砂清洗配比
将清洗后的10组砂烘干至恒重，测试其颗粒级配。清洗前后各组砂累计筛余百分比曲线见图2。经清洗后的10组机制砂颗粒级配都很接近，且基本都在标准的2区颗粒级配机制砂的级配包络线以内，符合标准要求。
图2 清洗前后各组砂级配曲线
从图3看，在同一水砂重量之比下，机制砂微粒含量随着SHMP与砂的重量之比的增大逐渐增加，相应地，质量减少率逐渐减小，二者呈此消彼长的关系，说明机制砂清洗过程中去除的主要是粒径小于0.16mm的微粒。水砂重量之比为0.5的清洗砂的微粒含量、质量减少率均高于水砂重量之比为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分散后形成的悬浊液浓度相对于小水量的低，石粉下沉与泥形成更大的分离层，更易与水一同被洗出，而泥的密度小于石粉，以致所剩下的微粒质量更大，微粒含量更高。因此，清洗砂的用水量不宜过少。另外，清洗砂被带走部分稍大于0.16mm的颗粒和部分可溶性物质，且由于计算公式不同，砂清洗后的质量减少率并不等同于清洗前、后微粒含量差，但存在正相关性。
图3 清洗后质量减少率、微粒含量与SHMP量的关系
水砂重量之比分别为0.5和0.3的两组砂清洗后MB值如图4，水与砂重量比越大的组，砂清洗后的MB值越低，但从SHMP与砂重量比和MB值关系上看，并非SHMP量越大，清洗砂的MB值越小。两种水砂配比下，SHMP与砂的重量比分别为1/10000和3/10000时，砂的MB值最小分别为0.85和1.0。
图4 清洗后MB值与SHMP量的关系
各组砂清洗后微粒含量和MB值随清洗液SHMP浓度变化关系如图5、图6。在水砂重量之比分别为0.3和0.5时，分别在清洗液SHMP浓度为0.03%和0.06%时，MB值达到最小值1.0 和0.85，微粒含量达到相对的最大值15.91%和16.06%，但由于水砂重量之比为0.3时，用水量太小，MB值反而偏高。因此，采用的清洗溶液SHMP浓度在0.03%-0.06%之间，对应在每吨砂中的SHMP用量在100g-300g之间，用水量在300kg-500kg之间，此时的微粒含量在15.91%-16.06%之间，MB值在0.85-1.0之间，清洗砂的微粒含量、MB值都处于相对优化的范围。
图5 清洗后微粒含量与清洗液SHMP 浓度的关系
图6 清洗后MB值与清洗液SHMP浓度的关系
2.3 高石粉含量机制砂清洗试验
2.3.1 原状砂石粉含量的调整为使清洗后的机制砂石粉含量满足碾压混凝土的需求（微粒含量大于20%），重新按表4配制每组机制砂各1000g，使清洗前的机制砂微粒含量由原状砂的17.42%提升至25%。由于微粒含量提高，机制砂的MB值相应也增加至2.35，细度模数为2.48。
表4 高石粉含量机制砂级配
2.3.2 结果分析
清洗前、后各组砂基本数据见表5，级配曲线见图7所示，除两组清水清洗的机制砂微粒含量在20%以下外，其余8组通过SHMP溶液清洗的机制砂微粒含量均在20%以上，而MB值在1.1左右。从级配分布看，变化最大的部分还是粒径<0.16mm的微粒，即通过SHMP溶液清洗出机制砂的大部分为微粒。
表5 清洗后的10组砂质量减少率、微粒含量、细度模数和MB值测试结果
清洗后机制砂微粒含量、MB值与清洗液SHMP浓度之间的关系如图8、图9。可以看出，清洗液SHMP浓度为0.043%的2#清洗后的砂微粒含量最高，达24%以上，而MB 值为1.1，较之清洗前降低了1.25；清洗剂浓度超过0.043%后，机制砂的微粒含量反而有一定降低，后续再继续升高的趋势已经很缓慢，不可能再达到24%以上。SHMP浓度为0.02%-0.06%时，SHMP与砂质量比为1/10000-3/10000，即每吨砂SHMP用量为100g-300g，用水量为500kg-700kg之间，清洗后的砂MB值为1-1.1，微粒含量在23%左右，较之清洗前只降低了2个百分点，而MB值却降低了1.2以上。
图7 各组砂清洗后的级配曲线
图8 机制砂微粒含量与SHMP浓度的关系
图9 机制砂MB值与SHMP浓度的关系
2.4 SHMP分散黏土的模型根据公式（1）可计算前述试验中的机制砂清洗后含泥量，从而计算出石粉含量，得出石粉含量减少率，其随清洗液中SHMP浓度的变化趋势如图10，随着清洗液SHMP的浓度增大，机制砂清洗前后的石粉减少率呈现出先减小后增大的趋势。SHMP浓度在0.03%-0.06%时，机制砂的石粉减少率最小、石粉含量最高，而MB值又相对较低，表明洗出的黏土成分最多，SHMP对黏土的分散能力最强。
图10 机制砂石粉减少率与SHMP 浓度的关系
根据式（1）可计算每组试验清洗后机制砂减少的含泥量M，随清洗液SHMP浓度δ的变化关系如图11，拟合曲线方程（相关系数为0.96）得SHMP分散机制砂黏土的多项式模型为式（2）。
图11 机制砂泥含量减少量与SHMP浓度的关系
当SHMP浓度在0.03%-0.06%时，机制砂清洗后M最大，此时去除了绝大部分泥粉，而后随着SHMP浓度的增加，M反而减小。所以，对应于特定含泥量的机制砂清洗，存在最佳的SHMP浓度。这印证了文献的结论：SHMP浓度较低时，对黏土的分散效果不好，但当SHMP浓度过高时，土颗粒会重新凝絮而变大，在水中的下沉速度加快，也会影响黏土的分散效果。
另有研究也认为，SHMP将黏土的团粒结构解体，破坏团粒结构内部黏土矿物片之间的结合水连结和游离氧化铁与黏土矿物片之间的静电引力形成的包膜胶结。黏土中一般含有钠或钾的矿物或化合物，六偏磷酸钠在水中离解成为Na+、PO3-，黏土中的离子优先选择吸附钠离子形成的扩散层当达到一定厚度时黏粒就相互分离，从而使团粒结构部分或全部解体。
3 结论（1）机制砂清洗液中SHMP的最佳浓度取决于机制砂所含黏土的类型和含量。推荐清洗每吨机制砂的用水量为500kg-700kg，使用的SHMP为100g-300g，清洗液SHMP的浓度为0.03%左右。
（2）与传统的清水洗砂相比，通过在与砂特定配比的清洗水中加入SHMP清洗机制砂，能够大幅减少石粉流失；在使用SHMP清洗石粉含量为25%的机制砂时，能降低MB值至1.2以下，且减少石粉流失达5%以上，按每吨砂150元计，扣除SHMP成本后减少约6.5元的经济损失。SHMP洗砂具有良好的经济效益，更重要的是能满足水工碾压混凝土等对高石粉含量机制砂的需求，具有更高的工程应用价值。
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