浅析立轴冲击破碎机在石料整形方面的认识

目前我国公路工程施工中采用的几乎都是没有经过整形的石料，其具有锐尖、边棱等特点。用未经整形的石料铺路，路面强度难以保障， 究其原因，一是强度不同的锐尖和边棱会对沥青粘结处沥青膜造成一定的破坏；二是针尖片状石料容易折碎，也会使路面强度下降； 三是由于石料是由各个规模不的一石料加工厂生产的，规格不统一，石料大小不均。

下面对砂石骨料整形研究作一定分析。



砂石骨料整形的必要性

将碎石与卵石对混凝土的影响和简单破碎砂石骨料与石料整形砂石骨料对混凝土的影响分别从粒形和界面上进行对比，如表 1、表 2 所示。

表 1 碎石与卵石对混凝土的影响

项目 碎石 卵石

粒型 棱角多，拌合物流动性差 粒形接近球形，拌合物的流动性好

界面 界面粗糙，与砂浆黏结强度高 界面光滑，与砂浆黏结强度低

表 2 简单破碎砂石骨料与颗粒

整形砂石骨料对混凝土的影响

项目 简单破碎 石料整形

粒型 棱角多，拌合物流动性差 粒形接近球形，拌合物的流动性好

界面 黏附有较多的低强度老砂浆，形成黏结薄弱点，影响与新砂浆的黏结强度 低强度老砂浆被剥离，与新砂浆黏结强度得到提高

由表 1 可知，卵石在粒形上有优势，碎石在界面上有优势。从卵石和碎石分别对混凝土工作性和力学性能、耐久性影响，并结合国外一些先进的混凝土配合比（水泥用量非常低，卵石砂石骨料所占比例较多，且粗砂石骨料颗粒形貌、粒形、级配、针片状颗粒含量都比较合理）可知，卵石粒形的优点掩盖了界面的不足，卵石混凝土性能优于碎石混凝土，且成本较低。由表 2 可知，石料整形砂石骨料与简单破碎砂石骨料相比，粒形和界面均得到了改善，能够大幅提高混凝土的性能。为了充分利用碎石资源，应对砂石骨料进行整形处理，避免直接使用简单破碎的低品质砂石骨料。通过碎石与卵石对混凝土的影响和简单破碎砂石骨料与石料整形砂石骨料对混凝土的影响，分别从粒形和界面上进行对比，可得出以下结论：

（1）卵石在粒形上有优势，碎石在界面上有优势。卵石粒形的优点掩盖了界面的不足，卵石混凝土性能优于碎石混凝土。

（2）经过整形处理后的砂石骨料同整形前相比，既具备了粒形优势，又具备了界面优势，能够显著提高混凝土的性能。因此有必要对砂石砂石骨料进行整形处理，避免直接使用未经整形处理的砂石骨料。

（3）综合（1）和（2）所得，若对碎石骨料进行整形处理，整形后碎石的颗粒形貌、粒形、级配、针片状颗粒含量均会发生很大改变，使用此碎石所配制的混凝土的性能（工作性、力学性能和耐久性）将会大大提高。因此，需对碎石进行整形研究。



1.2 砂石骨料整形设备的研究

砂石骨料整形设备的结构和工作原理见图 1。





目前市场上，利用整形破碎机进行碎石制砂生产的厂家已经有很多，且整形技术逐渐成熟。PCL立轴冲击破碎机（也称PCL制砂机）是上海巍立路桥设备有限公司研制的一种对石料进行综合处理的设备。该破碎机从研发至今，前后共经历3代，目前已推向市场，该机是目前砂石骨料行业最先进的整形制砂设备之一，在国内各大制砂生产线中得到广泛的应用。PCL立轴冲击破碎机对原材料的处理入手，将石料的强度、规范化提高了一个等级，从而为提高路面质量和延长路面使用寿命提供了设备保障。PCL立轴冲击破碎机是一种利用高速运动的颗粒间的相互冲击与摩擦作用，有效地打掉颗粒上较为突出的棱角的一种新技术。PCL立轴冲击破碎机由主机系统、除尘系统、电控系统、润滑系统和压力密封系统组成，主机系统内装有一个立轴式旋转叶轮，工作时物料由上端进料口进入主机内，一部分物料经叶轮顶部进入叶轮内腔，由于受离心力作用而加速并被高速抛射出去；另一部分物料同时由主机内的分料系统沿叶轮四周落下，并与叶轮抛射出的物料相碰撞实现粉碎。被粉碎的物料在粉碎腔内通过反复撞击、剪切和磨擦后，达到对其石料整形的目的。PCL立轴冲击破碎机的性能特点：

（1）被粉碎物料的颗粒形状好，无针状和片状颗粒，粉碎物料的堆积密度高，颗粒表面清洁度好；

（2）合理的粉碎结构，实现了物料与物料之间的碰撞，没有其它介质掺入，物料纯度高；

（3）该机压力密封系统保证了主机工作正常和运行稳定，延长轴承的使用寿命；

（4）设备体积小、产量大、操作简便、噪音低，安装和维修方便，易损件及动力消耗低。



PCL立轴冲击式破碎机用于碎石整形制砂现场



1.3 砂石骨料整形后对混凝土性能的影响

根据卵石与碎石、简单破碎砂石骨料与石料整形砂石骨料分别对混凝土性能的影响，以及国外与国内混凝土配合比的差异，并结合砂石骨料整形原理，粗颗粒砂石骨料整形后可对混凝土性能产生以下影响：

（1）简单破碎的砂石骨料颗粒棱角多，表面粗糙，且含有较多的微裂缝，导致砂石骨料的吸水率大、堆积密度和密实密度小。

（2）石料整形不仅可以改变砂石骨料的粒形，减少骨料中的微裂缝含量，同时也使砂石骨料中的较小颗粒增多。

（3）石料整形后的砂石骨料级配好、粒型较好，颗粒堆积密度较整形前平均提高 15% 左右，甚至提高更多。

（4）石料整形后的砂石骨料的堆积密度和密实密度均较整形前提高了约 100～200kg/m3，空隙率降低 10% 左右，压碎指标降低 30%～40%。

（5）石料整形后砂石骨料的表观密度、吸水率较简单破碎的砂石骨料有提高。



2.砂石骨料整形后的粒形变化

简单破碎后的砂石骨料粒形差、表面粗糙、棱角较多，表面含有大量的水泥砂浆块( 如图3 所示)。经过颗粒整形后的砂石骨料与简单破碎的砂石骨料相比:表面干净、光滑，棱角较少，水泥砂浆块含量减少(如图4 所示)。

表3 砂石骨料的吸水率%

粒径范围/mm 简单破碎砂石骨料 颗粒整形砂石骨料

2． 5 ～ 5． 0 6.7 5.3

1． 25 ～ 2． 5 7.6 6.2

0． 63 ～ 1． 25 7.1 6.7

0． 315 ～ 0． 63 9.1 8.2

0． 16 ～ 0． 315 11.1 10.1

平均 8.3 7.8



2.2 砂石骨料的颗粒级配

通过试验测出简单破碎的砂石骨料和颗粒整形的砂石骨料的颗粒级配，级配情况见表4。数据分析结果显示:两种砂石骨料的级配均能满足JGJ 53-92 普通混凝土用碎石或卵石质量标准及检验方法的要求。

表4 砂石骨料颗粒级配%

粒径范围/mm 简单破碎的砂石骨料 破碎整形的砂石骨料

分计筛余 累计筛余 分计筛余 累计筛余

25 ～ 31． 5 5． 0 5.0 3.6 3.6

20 ～ 25 13.4 18.4 18.0 21.6

16 ～ 20 24.0 42.4 17.9 39.5

10 ～ 16 32.8 75.2 32.8 72.3

5 ～ 10 24.8 100 27.6 100



2.3 砂石骨料的堆积密度

经测试不同粒级的简单破碎的砂石骨料和颗粒整形的砂石骨料的堆积密度见表5。数据分析表明，通过整形处理可以使砂石骨料的堆积密度提高4%～14.5%，整形的效果是十分显著的。

表5 砂石骨料堆积密度kg /m3

粒径范围/mm 简单砂石骨料 颗粒整形砂石骨料

5． 0 ～ 10 1 057 1210

10． 0 ～ 16 1 132 1270

16． 0 ～ 20 1 197 1244

20． 0 ～ 25 1182 1291

25． 0 ～ 31． 5 1170 1248



2.4 砂石骨料的堆积密度和密实密度

砂石骨料混凝土的配合比直接受连续级配砂石骨料的堆积密度大小的影响。砂石骨料的堆积密度愈大，由其配制的混凝土的砂率则愈小，水泥用量也相对减少。连续级配的天然砂石骨料、简单破碎砂石骨料及颗粒整形砂石骨料的堆积密度实验结果见表6。

表6 砂石骨料的堆积密度和密实密度kg /m3

砂石骨料种类 天然砂石骨料 简单破碎的砂石骨料 颗粒整形的砂石骨料

粒级 5 mm ～ 31． 5 mm 5 mm ～ 31． 5 mm 5 mm ～ 31． 5 mm

堆积密度 1330 1195 1335

密实密度 1480 1355 1525

实验数据表明，颗粒整形砂石骨料的堆积密度和密实密度最大，天然砂石骨料的堆积密度和密实密度次之，简单破碎的再生砂石骨料的堆积密度和密实密度最小。



2.5 砂石骨料的表观密度

砂石骨料的堆积密度和表观密度均比天然碎石骨料要低，这是由于砂石骨料表面粗糙、多棱角，内部存在大量微裂缝，表面裹着大量的水泥砂浆的缘故。在混凝土中最薄弱的部位是界面，通过颗粒的整形处理，既把粘附在骨料表面的部分水泥砂浆从界面处剥离掉了，又改变了砂石骨料的颗粒形态，不仅使再生砂石骨料的表观密度提高了，而且降低了吸水率。砂石骨料的表观密度试验数据表明( 见表7)，经过整形处理后表观密度略有提高。砂石骨料的堆积空隙率试验结果见表8，表明通过整形处理砂石骨料的堆积空隙率下降比较明显，堆积密度提高，整形效果显著。

表7 砂石骨料的表观密度g /cm3

粒级/mm 简单破碎的骨料 破碎整形的骨料

25 ～ 31． 5 2． 58 2． 57

20 ～ 25 2． 52 2． 60

16 ～ 20 2． 59 2． 63

10 ～ 16 2． 58 2． 60

5 ～ 10 2． 54 2． 57

5 ～ 31． 5 2． 56 2． 59

表8 砂石骨料的空隙率%

粒级/mm 简单破碎的骨料 破碎整形的骨料

25 ～ 31． 5 0． 547 0． 514

20 ～ 25 0． 531 0． 503

16 ～ 20 0． 538 0． 527

10 ～ 16 0． 561 0． 512

5 ～ 10 0． 584 0． 529

5 ～ 31． 5 0． 533 0． 485



2.6 砂石骨料的吸水率

由于整形处理把粘附在骨料表面的水泥砂浆从界面处剥离掉了，因而降低了砂石骨料的吸水率。砂石骨料的吸水率试验结果见表9，表明整形处理后的砂石骨料比简单破碎的再生砂石骨料的吸水率显著降低。

表9 砂石骨料的吸水率

粒级/mm 简单破碎的骨料 破碎整形的骨料

25 ～ 31． 5 2． 41 1.21

20 ～ 25 3． 08 1.34

16 ～ 20 3.15 2.14

10 ～ 16 4.86 3.50

5 ～ 10 7.52 4.26

5 ～ 31． 5 4.70 2.90



2.7 压碎指标

压碎指标是衡量砂石骨料强度的一个重要参数。因为受再生砂石骨料表面包裹物(即水泥石和水泥砂浆)的影响，砂石骨料的压碎指标值远远大于天然砂石骨料。原混凝土的强度和制备方法等因素影响了砂石骨料压碎指标值的大小。简单破碎再生粗骨料、颗粒整形砂石骨料和天然砂石骨料的压碎指标值的试验结果见表10。试验表明:砂石骨料颗粒的三维尺寸愈接近，则压碎指标值愈低;原混凝土的强度愈高，砂石骨料的压碎指标值则愈低;砂石骨料表面水泥石和水泥砂浆附着率愈小，则压碎指标值愈低。这说明整形处理可以显著地降低砂石骨料的压碎指标值，提高砂石骨料的强度，其值完全满足JGJ 53-92 普通混凝土用碎石或卵石质量标准及检验方法的所有规定，JGJ 53-92 普通混凝土用碎石或卵石质量标准及检验方法要求的碎石压碎指标值如表11所示。

表10砂石骨料的压碎指标%

序号 简单破碎的砂石骨料 破碎整形的砂石骨料 天然骨料

1 16.2 9.8 6.3

2 16.8 9.6 5.4

3 14.4 8.8 5.6

平均值 15.8 9.4 5.8

表11 碎石的压碎指标(JGJ 53-92) %

岩石品种 混凝土强度等级 压碎指标值

水成岩 C55 ～ C40 ≤10

≤C35 ≤16

变质岩或深成的火成岩 C55 ～ C40 ≤12

≤C35 ≤20

火成岩 C55 ～ C40 ≤13

≤C35 ≤30

2.8 针片状颗粒的含量

针片状颗粒的含量是影响砂石骨料性能的一个重要指标，在再生砂石骨料中存在大量的片状颗粒。砂石骨料颗粒整形前后针片状颗粒含量的变化值见表12，试验表明砂石骨料的颗粒整形效果显著。

表12 针片状颗粒含量%

骨料种类 简单破碎的砂石骨料 颗粒整形的砂石骨料

实测值 5.1 1.5

JGJ 53-92 要求 ≥C30 的混凝土，≤15



通过PCL立轴冲击式破碎机整形过的砂石骨料较简单破碎砂石骨料的级配好、粒形好，堆积密度、密实密度和表观密度提高，吸水率降低，砂石骨料的细度模数减小，砂石骨料的压碎指标值降低，针片状颗粒含量比天然碎石骨料还少。颗粒整形后的砂石骨料完全符合混凝土用砂( 中砂)和石的要求。



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