一种基于悬浊液的掺砾黏土土石分离方法

1.本发明属于土工试验领域，涉及一种土石分离方法，特别是一种基于悬浊液的掺砾黏土土石分离方法。
2.

背景技术：

3.掺砾黏土作为一种在天然黏性土料中掺入砾石料的混合材料，正在被水利工程、岩土工程等领域广泛使用，逐渐成为路堤、水坝、垃圾填埋场衬垫和其他土方结构的填筑材料如今，掺砾黏土在水利工程领域多被使用于心墙土石坝的心墙建设中在掺砾黏土抗拉特性研究上，清华大学的袁会娜等人将掺砾黏土视作四相复合材料，基于图像处理和随机投放建立了考虑真实砾石形态的细观数值模型，结合物理试验的结果验证了其有效性，并分析了掺砾黏土拉伸断裂的宏细观特性。河海大学的张辉等人用自制的试验装置研究抗拉强度随试样干密度、前期固结压力和含水率等的变化规律；朱俊高等人针对3种不同砾石土，使用研制的单轴拉伸试验仪对比研究其在不同击实功、饱和度、含水率下抗拉强度的变化规律。南京水利科学研究院的吉恩跃等人基于自主研制的单向拉伸试验装置，研究了在试样各自最大干密度及最优含水率下，随着掺砾量的增加，心墙料的抗拉强度和拉应变关系；张志韬等人自主研发了一种用于土体拉伸试验的新型拉伸装置，针对不同砾石含量、不同纤维含量的砾质黏土开展了研究。可见目前对于掺砾黏土抗拉特性的研究还不多，有必要对掺砾黏土的抗拉力学特性进行深入研究。
4.目前，在土工试验领域，掺砾黏土的相关研究内容较少，而且掺砾黏土土石分离方法几乎没有。如何将掺砾黏土中的砾石料和黏土料循环使用，这是目前在掺砾黏土试验研究中遇到的问题，常规的方法需要人为手工分离，工作量大且程序繁琐，因此有必要发明一个土石分离装置代替人为分离。
5.

技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于悬浊液的掺砾黏土土石分离方法，该基于悬浊液的掺砾黏土土石分离方法可以，可以做到最大程度减少黏土跟砾石的回收，保证原材料的反复可用，避免因试验结束丢弃而产生的浪费。
7.本发明采用如下技术方案本发明所述的基于悬浊液的掺砾黏土土石分离方法，分离步骤如下：步骤一、将掺砾黏土碎块和清水倒入搅动装置进行混合；步骤一（1）、在掺砾黏土碎块与清水混合前，先将掺砾黏土碎块进行击碎；采用人工初筛方式对击碎后的掺砾黏土碎块进行筛选，筛出体积较大的掺砾黏土碎块；步骤一（2）、搅动装置的体积为v，搅动装置的高度为h，搅动装置的半径为r；搅动装置在停止状态下加入初筛后的大、小掺砾黏土碎块，大、小掺砾黏土碎块的填装高度为1/
3h；再向搅动装置内加入清水，使液面高度到达2/3h~3/4h；步骤二、启动搅动装置中伸缩旋转杆搅动从而带动空心搅动桨将掺砾黏土与清水充分搅动；搅动过程依次分为：初期慢速搅动：将大、小掺砾黏土碎块与清水搅动形成初步形成悬浊液；后期高速搅动：提高转速对初步形成悬浊液进行搅动；步骤三、将搅动完成后的搅动装置整体移动至振筛装置上方；该振筛装置的高度h’、半径r’分别大于搅动装置的高度h、半径r；步骤四、在振筛装置内的多级筛网卡槽中放置不同孔径的筛网，并根据筛网的孔径从大到小依次放置在多级筛网卡槽，由高至低排列；步骤五、将搅动装置的底端嵌入振筛装置的顶端内，由搅动装置的底端出料口向振筛装置内进行释放悬浊液；悬浊液经过高至低排列布置的筛网进行滤筛；该搅动装置底部的出口形式采用多开掩门结构；步骤六、在释放悬浊液过程中，搅动装置将底部多开掩门结构打开l1cm缝隙，首先让掺砾黏土与清水混合物中的悬浊液、泥状物及小颗粒的砾石落到振筛装置内，保持300s；然后继续打开到l2cm的缝隙，此处l2》 l1，进一步让砾石颗粒落入振筛装置中，保持250s，最后依次打开到l3cm、l4cm、l5cm...直至完全打开，首次打开缝隙比后续打开缝隙逐渐增加，保持时间递减；步骤七，振筛排泥再振筛：步骤七（1）、完成上述步骤五后打开振筛装置对砾石及悬浊液进行振筛，促使砾石与砾石上附着的黏土分离；之后通过振筛装置中的排泥阀门，排放分离出的悬浊液；使用容器盛装黏土悬浊液；步骤七（2）、打开振筛底盘对剩下的不同粒径砾石再次振筛:在排出黏土悬浊液后保持排泥阀门打开，再次启动振筛装置，对不同孔径筛网上的砾石再次进行振筛，将砾石上剩余的悬浊液振出，通过排泥阀门排出到容器中；步骤八、将容器中的悬浊液静置处理1天进行沉淀；沉淀后的悬浊液上方会出现一层清水层；采用水瓢撇清上层的清水层后形成浓稠的黏土溶液；将浓稠的黏土溶液倒入烘盘中，保持浓稠的黏土溶液高度为3cm；在温度为105
°
烘箱中烘烤36小时即可得到干燥不含水分的黏土；步骤九、烘干并再次筛分不同粒径砾石：将振筛装置转移至吹风装置上方，采用弱风档去除筛网中砾石上的多余水分；弱风档温度为105
°
时间为：10min；之后间隔10min依次升高风速档位直至所有砾石烘干。
8.本发明所述的基于悬浊液的掺砾黏土土石分离方法，其特征在于：所述的步骤一中初步筛选的砾石筛孔径规格为：0.075mm、0.15mm、0.3mm、0.6mm、1.18mm、2.36mm、4.75mm、9.5mm、13.2mm、16mm、19mm、26.5mm、31.5mm、37.5mm、53.5mm；人工初筛体积较大的掺砾黏土碎块的粒径为53mm、37.5mm与31.5mm的全部砾石和粒径为19mm与16mm的部分砾石筛出。
9.本发明所述的基于悬浊液的掺砾黏土土石分离方法，所述步骤二搅动装置中的伸缩式旋转杆初期搅动转速为183 r/min；待液面稳定后，提高转速至366 r/min，搅动时间为5min；再次提高转速至549 r/min，搅动时间为5min；最后提高转速至732 r/min，搅动时间为5min；若搅最后动时液面出现微小气泡则延长搅动时间。
10.本发明所述的基于悬浊液的掺砾黏土土石分离方法，所述搅动装置中伸缩式旋转
杆在搅动初期阶段，采用上下运动进行搅动。
11.本发明所述的基于悬浊液的掺砾黏土土石分离方法，所述的步骤六中振筛装置的振动频率由低逐渐升高，分别为：level 1：37次/min；level 2：74次/min；level 3：111次/min；level 4：148次/min；若振筛装置中的悬浊液的液面高度未到达或仅到达2/3h’时，振动频率可提升至level 4。
12.本发明所述的基于悬浊液的掺砾黏土土石分离方法，所述的步骤八中吹风装置的吹风档位为level 1、level 2、level 3、level 4；每个档位的风速分分别对应功率为：550w、850w、1000w和1200w；吹风温度可为0
°
~ 300
°
区间。
13.本发明所述的基于悬浊液的掺砾黏土土石分离方法，所述的步骤三，振筛装置中筛网卡槽设置为8层，若筛网卡槽中筛网按如下孔径：1.18mm、2.36mm、4.75mm、9.5mm、13.2mm、16mm、19mm装配时，1.18mm筛网位于最下层进行黏土与砾石的土石分离；若筛网卡槽中筛网按如下孔径：0.075mm、0.15mm、0.3mm、0.6mm、1.18mm、2.36mm、4.75mm、9.5mm、13.2mm、16mm、19mm、26.5mm、31.5mm装配时，先将2.36mm、4.75mm、9.5mm、13.2mm、16mm、19mm、26.5mm、31.5mm按从下至上装配进行黏土与砾石的土石分离，黏土与砾石的土石分离结束后取出4.75mm、9.5mm、13.2mm、16mm、19mm、26.5mm、31.5mm孔径的筛网，再将2.36mm孔径的筛网移动至振筛装置中筛网卡槽的顶层，然后从下至上依次放置0.075mm、0.15mm、0.3mm、0.6mm 、1.18mm 孔径筛网再次进行黏土与砾石的土石分离。
14.有益效果（1）由于黏土的特殊性，不像传统的土石混合物可以通过干分离的方式分离，本发明提供的掺砾黏土土石分离方法利用土溶于水的原理，提出基于悬浊液的方法分离掺砾黏土块中的黏土和砾石。
15.（2）本发明提供的掺砾黏土土石分离方法，不仅可以将土石分离，还可对多种粒径的砾石进行筛分，通过重复其中的几个步骤，可以筛分下至0.075mm，上至53mm的砾石。
16.（3）本发明提供的掺砾黏土土石分离方法，是任何掺砾黏土土工试验的后处理方法，可以做到最大程度减少黏土跟砾石的回收，保证原材料的反复可用，避免因试验结束丢弃而产生的浪费。
17.附图说明
18.图1显示了本发明中整个装置的使用过程示意图：在图1a中，显示了添加掺砾黏土块和清水的状态图。
19.在图1b中，显示了在图1a的基础上启动可变搅动杆，将掺砾黏土块分离的状态示意图。
20.在图1c中，显示了在图1b的基础上将搅动装置提升的状态示意图。
21.在图1d中，显示了在图1c的基础上打开振筛装置的多开掩门，在振筛装置中放入所需筛网的状态示意图。
22.在图1e中，显示了在图1d的基础上将旋转油压杆旋转的状态示意图。
23.在图1f中，显示了在图1e的基础上将搅动装置对其振筛装置，并将砾石和黏土悬
浊液倒入振筛装置的状态示意图。
24.在图1g中，显示了在图1f的基础上进行振筛的状态示意图。
25.在图1h中，显示了在图1g的基础上将搅动装置复位，并将黏土悬浊液倒出的状态示意图。
26.在图1i中，显示了在图1h的基础上将振筛装置旋转到吹风装置上，进行内部及砾石烘干的状态示意图。
27.具体实施方式
28.为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.如图1所示：基于悬浊液的掺砾黏土土石分离方法，包括如下步骤。
30.步骤一，将掺砾黏土碎块和清水倒入搅动装置，具体包括如下步骤：步骤一（1），击碎掺砾黏土块并人为初筛：利用5kg锤头与200mm长钢钉的组合，用手将钢钉稳定在掺砾黏土的缝隙或薄弱部位上方，用锤头将钢钉打入掺砾黏土，晃动钢钉从而松解掺砾黏土结构。取下松解下来的掺砾黏土块，人为进行初筛，筛选粒径较大方便拾取分离的一部分砾石，可以有效防止可变搅动杆带动空心搅动桨转动时在搅动装置内卡死的情况。
31.常规砾石筛套装的孔径规格：0.075mm、0.15mm、0.3mm、0.6mm、1.18mm、2.36mm、4.75mm、9.5mm、13.2mm、16mm、19mm、26.5mm、31.5mm、37.5mm、53.5mm。人为初筛时，将一些粒径过大的砾石挑出时，基本能够将粒径为53mm、37.5mm与31.5mm的全部砾石和粒径为19mm与16mm的一部分砾石筛出。
32.步骤一（2），根据搅动装置容积加入掺砾黏土碎块与清水：假设搅动装置体积为v，高度为h，半径为r，先向搅动装置内加入掺砾黏土，加入的高度约为1/3h；再向搅动装置内加入清水，使掺砾黏土与清水的混合物高度约到达2/3~3/4h处的。随后通过卡扣将搅动装置固定在旋转油压杆上。
33.对于向搅动装置中放置掺砾黏土块和清水的顺序不能颠倒。应该先放掺砾黏土块，再放清水，如果先放清水再放掺砾黏土会造成搅动装置内部已经溶解于清水形成的黏土悬浊液飞溅。
34.步骤二，启动搅动装置中的伸缩旋转杆搅动从而带动空心搅动桨将掺砾黏土与清水充分搅动：搅动初期搅动装置中的掺砾黏土快较大，直接使用高速挡会造成搅动不顺畅甚至黏土悬浊液飞溅的现象。因此先选用最低档搅动，使较大块掺砾黏土溶于水的同时将黏土中的空气充分排出，从而使清水充分浸入黏土中，初步形成悬浊液。待初步形成悬浊液后，由于黏土内部空气排出，掺砾黏土与清水的混合物液面会下降一定高度，有利于进一步提高空心搅动桨的转速。
35.伸缩旋转杆先用最低档level 1（转速183r/min左右）进行搅动，待液面稳定后，提高转速到level 2（转速366 r/min左右）搅动5min，随后依次升高到level 3（转速549 r/
min左右）和level 4（转速732 r/min左右），分别搅动5min。只有空心搅动桨转速逐渐提高，才可以使砾石上附着的黏土充分溶解于水，此时还会伴随着少量微小气泡浮出液面。搅动装置中伸缩旋转杆旋转搅动至液面不在有气泡后停止，若仍有气泡产生，则适当延长空心搅动桨转速level 4（转速732 r/min左右）搅动的时间。
36.在伸缩旋转杆的初期，为了让掺砾黏土块中的黏土与清水充分接触形成悬浊液，可以控制伸缩旋转杆上升或者下降，从而带动空心搅动桨上升或者下降，最大效率将掺砾黏土搅动。但是要避免上升的太高、搅动转速过快造成的悬浊液飞溅。
37.步骤三，搅动装置移动至振筛装置内，进行振筛的具体步骤如下：步骤三（1），将搅动装置与旋转油压杆上的卡扣松解：由于搅动装置与可变搅动杆的外部固定杆固定连接，为了旋转搅动装置至振筛装置上方，需要将搅动装置与旋转油压杆上的卡扣松解。
38.步骤三（2），提升搅动装置：通过升高升降杆，同时带动可变搅动杆上的外部固定杆以及连接在外部固定杆上的搅动装置一起上升。振筛装置高度h’和半径r’分别大于搅动装置的高度h和半径r。因此搅动装置上升的高度要保证大于振筛装置高度h’，以便搅动装置底部不被振筛装置卡主，可以顺利旋转到振筛装置上方区域。
39.步骤四，放置所需不同孔径砾石级配的筛网组合：将振筛装置与振筛底盘柔性法兰连接。打开振筛装置的保险卡扣并打开双开掩门；将所需不同孔径砾石级配的筛网组合按照孔径从大到小依次从上到下放置在多级筛网卡槽中，关闭双开掩门，并且闭合双开掩门上的卡扣。多级筛网卡槽优选为八级，即可放入八个不同粒径的筛网，最大程度满足不同试验所需不同孔径的砾石。
40.步骤五，搅动装置旋至振筛装置上方：将搅动装置旋至振筛装置上方，打开搅动装置的多开掩门上的保险卡扣，方便搅动装置中的掺砾黏土和清水混合物落入振筛装置中。
41.在打开搅动装置中多开掩门上的卡扣，将搅动装置旋转至振筛装置上方时，可以控制搅动装置稍微下降，使搅动装置底部一部分进入到振筛装置中，这样有利于砾石和黏土顺利的进入振筛装置内部。
42.步骤六，向振筛装置投入混合料：控制搅动装置多开掩门打开一个较小的约为l1cm缝隙，首先让掺砾黏土与清水混合物中的悬浊液、泥状物以及小颗粒的砾石落到振筛装置内，保持300s；然后继续打开到约为l2cm的缝隙，此处l2》 l1，进一步让稍大一些的砾石颗粒落入振筛装置中，保持250s，最后依次打开到不同大小的缝隙，如l3cm、l4cm、l5cm、......，每一次打开的缝隙都比上一次要大，保持时间递减。之所以缓慢的打开搅动装置的多开掩门，是为了让掺砾黏土与清水的混合物缓慢落入振筛装置，避免悬浊液和砾石飞溅出来的情况。
43.步骤七，振筛排泥再振筛，具体包括如下步骤：（1）打开振筛底盘进行初步振筛：打开振筛底盘对振筛装置内的砾石及悬浊液进行振筛，进一步促使砾石与砾石上附着的黏土分离。振动频率由低逐渐升高（level 1：37次/min；level 2：74次/min；level 3：111次/min；level 4：148次/min），选择不会将悬浊液和砾石振筛溅出的最大振动频率：若搅动装置中的砾石与悬浊液混合物全部释放进入振筛装置内，液面高度未到达或仅到达2/3h’时，则可以使用level 4频率振筛，若超过2/3h’则需要根据情况选择合适的振筛频率。
44.（2）打开振筛装置上的排泥阀门，排放分离出的悬浊液：使用类似不锈钢桶等容器盛装黏土悬浊液。
45.（3）打开振筛装置对剩下的不同粒径砾石再次振筛:由于在悬浊液中振筛不能保证振筛装置中的砾石全部落在所需粒径的晒网上。在排出黏土悬浊液后保持排泥阀门打开，再次启动振筛装置，对湿润的砾石进行振筛，可以将砾石上剩余的悬浊液振出，通过排泥阀门排出到不锈钢桶中。并从振筛装置中取出振筛底板。
46.步骤八，对悬浊液静置之后烘干保存：将装有黏土悬浊液的容器放在一旁静置处理1天的时间。静置1天后黏土会发生一定程度的沉淀，此时黏土悬浊液上方会出现一层清水层，用水瓢撇清上层的清水层，一方面可以减少烘干时间，另一方面撇出的清水可供下次搅动分离掺砾黏土块时使用。将剩下较浓稠的黏土溶液倒入烘盘中，保证烘盘中较黏稠黏土溶液的高度为3cm左右，否则高度太高会造成难以烘干的问题。将烘盘分层放入烘箱内烘干。设置烘箱温度为105
°
，烘烤36小时即可得到干燥不含水分的黏土。
47.烘干后的黏土板可以经过锤头简单的敲击，敲碎成直径小于2cm的碎黏土块，便于通过研磨机进行研磨，可供下次试验循环使用。
48.步骤九，烘干并再次筛分不同粒径砾石：将振筛装置与振筛底盘的柔性法兰连接解除，控制旋转油压杆3带动振筛装置6旋转120
°
直至吹风装置7上方，先打开吹风装置level 1弱风档，对砾石进行一定程度的预烘干，去除表面多余水分，防止过多水分被下方暖风从振筛装置上方开口吹出，可以设置level 1弱风档温度105
°
维持10分钟；逐渐依次升高风速档位至level 4，每个档位之间间隔10分钟，之后维持level 4强风挡直至所有砾石烘干。
49.采用吹风装置对振筛装置内的砾石采用逐级增强方式进行烘干，每个级别风速分分别对应功率为：550 w、850 w、1000 w和1200 w。吹风温度可以设置为0
°
~ 300
°
。
50.振筛装置中在挑选所需不同孔径砾石级配的筛网组合时，当所需筛网级配组合个数不足8个，例如所需孔径为1.18mm、2.36mm、4.75mm、9.5mm、13.2mm、16mm和19mm这7个规格，则将这七个孔径的筛网按照1.18mm在最下面、19mm在最上面的顺序依次排列，放入振筛装置内部，按照上述step 4
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step 9依次进行黏土与砾石的土石分离；当所需筛网级配组合个数超过8个，例如所需孔径为0.075mm、0.15mm、0.3mm、0.6mm、1.18mm、2.36mm、4.75mm、9.5mm、13.2mm、16mm、19mm、26.5mm、31.5mm这13个规格，则先将2.36mm至31.5mm这八个孔径的筛网按照2.36mm在最下面、31.5mm在最上面的顺序依次排列，放入振筛装置内部，按照振筛步骤依次进行黏土与砾石的土石分离；待分离完成后，打开双开掩门上防止双开掩门在振筛过程中打开的保险卡扣，控制双开掩门打开，取出4.75mm、9.5mm、13.2mm、16mm、19mm、26.5mm、31.5mm孔径的筛网及筛网内的砾石，并对不同粒径的砾石进行分装；分装完成后，将2.36mm孔径筛网及筛网内的砾石从多级筛网卡槽中的最下层取出，放置在多级筛网卡槽中的最上层，再将0.075mm、0.15mm、0.3mm、0.6mm、1.18mm这5个孔径筛网按照0.075mm在最下面、1.18mm在最上面的顺序依次排列，依次放入多级筛网卡槽中2.36mm孔径筛网下方的卡槽内，最后使用控制装置再次打开振筛装置对2.36mm孔径筛网内的砾石进行振筛，根据砾石大小调节振筛频率，振筛30分钟后即可，取出0.075mm、0.15mm、0.3mm、0.6mm、1.18mm、2.36mm孔径的筛网及筛网内的砾石，并对不同粒径的砾石进行分装。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，
任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。