滿滿干貨（新型制砂機制砂生產(chǎn)線dyy）機制砂設備生產(chǎn)線，

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胡建偉1聞寶聯(lián)2

（1.河北工業(yè)大學，天津，300401；2.天津市交通科學研究院，天津，300074）

摘要：機制砂作為天然河砂的替代品，在我國已有六十年左右的應用歷史。現(xiàn)代混凝土對砂的技術要求越來越高，特別是高強度等級和高性能混凝土對骨料的要求很嚴，隨著我國機制砂制砂工藝和設備的提高，越來越符合工程建設的優(yōu)質機制砂成為國內關注的焦點之一。首先，評述了國內機制砂的三種制砂工藝：干式、濕式與半干式；其次，介紹了機制砂在水電工程、橋梁工程與預拌混凝土中的實際應用；最后，根據(jù)國內研究現(xiàn)狀著重分析了機制砂的級配、配合比設計與石粉含量等熱點問題。

關鍵詞：機制砂；制砂工藝；級配；配合比設計；石粉含量

0  引言

2013年我國水泥產(chǎn)量超過24億噸,預拌混凝土超過11億m3。細集料砂作為混凝土的重要組成材料消耗量也是巨大的。天然河砂是一種短期不可再生的資源,而且在我國分布不均勻，隨著河砂的大量開采，我國多數(shù)地區(qū)已面臨無砂可采，優(yōu)質河砂匱乏的資源現(xiàn)狀。面對我國河砂資源短缺與基礎設施建設飛速發(fā)展的大背景，迫切需要新的砂資源替代天然河砂。

現(xiàn)代混凝土對砂的技術要求越來越高，特別是高強度等級和高性能混凝土對骨料的要求很嚴，而能滿足其要求的天然砂越來越少，因此尋找新的混凝土用砂資源已迫在眉睫，開發(fā)使用機制砂已成為解決建筑用砂短缺的重要途徑之一。國家建委自1973年制定《機制砂混凝土技術規(guī)程》以來，機制砂的應用得到大范圍的推廣,由建筑行業(yè)擴大到公路、鐵路、水電、冶金等系統(tǒng),由擋護工程擴大到橋梁、隧道及水工工程,從砌筑砂漿發(fā)展到普通混凝土、鋼筋混凝土,預應力混凝土、泵送混凝土、氣密性混凝土及噴錨支護等工程。

機制砂作為河砂的替代品，已經(jīng)成為未來混凝土的發(fā)展趨勢。《建筑用砂》（GB/T14684-2011）對機制砂的定義是“經(jīng)除土處理，由機械破碎、篩分制成的，粒徑小于4.75mm的巖石、尾礦或工業(yè)廢渣顆粒，但不包括軟質、風化的顆粒，俗稱人工砂”。

機制砂的主要優(yōu)點在于：1)機制砂表面粗糙且具有新鮮界面，與水泥膠材的粘結性能優(yōu)越，用機制砂配制的混凝土強度更高；2)機制砂級配可以進行人工調試，這是與天然砂的本質區(qū)別之一；3)生產(chǎn)機制砂可使大量的廢石資源再利用，變廢為寶，減少環(huán)境污染；4)機制砂中適量的石粉可以優(yōu)化機制砂級配，改善機制砂混凝土的工作性。石粉還可以起到晶核的作用，加速水泥的水化過程；5)機制砂基本不含云母、輕物質、有機物等有害物質。

本文介紹了機制砂的制砂工藝研究現(xiàn)狀以及機制砂在實際工程中的應用，對機制砂研究的熱點問題進行了重點分析。

1  機制砂制砂工藝研究現(xiàn)狀

破碎機根據(jù)破碎原理不同可分為兩大類：擠壓式破碎機和沖擊式破碎機。一般擠壓式破碎機(旋回破碎機、領式破碎機、圓錐破碎機)適用于較硬巖石(花崗巖、玄武巖等)；沖擊式破碎機(反擊式破碎機、立軸式破碎機、錘式破碎機)適用于硬度不高、磨蝕性不強的巖石(石灰?guī)r等)。

目前機制砂的制備方式有三類：干法制砂、濕法制砂和半干法制砂。干法制砂生產(chǎn)線是由多個破碎設備組合而成的，包括：給料機、粗細碎機、制砂機、圓振動篩、洗砂機等，設備與設備間的物流傳送由輸送帶來完成。濕法制砂工藝是由破碎設備和制砂機生產(chǎn)出的成品砂經(jīng)螺旋分級機和旋流器分成機制砂和廢污泥水,廢污泥水最后送至旋轉式分級機或沉淀池以回收流失的細砂。

干式制砂的優(yōu)點是減少了系統(tǒng)的耗水量,細砂、石粉流失量少,成品砂細度模數(shù)較低、石粉含量合適,無需配置石粉回收裝置和省去脫水工藝。缺點是制砂源料表面含水較低,骨料在經(jīng)過立軸式?jīng)_擊式破碎機破碎、振動篩篩分和膠帶機輸送時粉塵逸出多,對大氣環(huán)境保護不利,需設置專門的除塵系統(tǒng)。

濕式制砂的優(yōu)點是制砂源料表面含水較高,骨料在經(jīng)過立軸式?jīng)_擊式破碎機破碎、振動篩篩分和膠帶機輸送時粉塵逸出少,對大氣環(huán)境保護有利,無需設置專門的除塵系統(tǒng)。缺點是增加了系統(tǒng)的耗水量,細砂、石粉流失量大,成品砂細度模數(shù)偏大、石粉含量偏低,配置石粉回收裝置,含水量高,需要增加脫水工藝。為保護環(huán)境,需對廢水進行處理。

半干式制砂工藝可以避免干法、濕法制砂存在的缺陷， 一次性投資小， 揚長避短，砂的石粉含量、細度模數(shù)、含水率均能得到較好的控制，并可以減輕粉塵污染空氣，實現(xiàn)粉砂、廢水回收利用, 提高砂的產(chǎn)量并減少用水量。

阿海水電站新源溝砂石加工系統(tǒng)用高強度石灰?guī)r制砂，采用全干式制砂工藝，在粗碎車間設置毛料分選車間，既降低了成品砂石粉含量，又避免了成品砂含泥粉的可能性。采用干式制砂，避免了濕法生產(chǎn)帶來的水處理難題和石粉回收的難題。

濕式制砂比較有代表的項目有三峽下岸溪砂石系統(tǒng)、溪洛渡中心場砂石系統(tǒng)、彭水鴨公溪砂石系統(tǒng)等。它們的工藝流程特征是:立軸式?jīng)_擊式破碎機與檢查篩分形成閉路循環(huán),檢查篩篩網(wǎng)設3mm、5mm和部分5～40mm篩網(wǎng),3mm以下顆粒與棒磨機產(chǎn)品經(jīng)分級、脫水后直接進成品砂倉,3～5mm顆粒進棒磨機5mm以上顆粒回立軸式?jīng)_擊式破碎機。三峽工程下岸溪人工砂石系統(tǒng)采用立軸式?jīng)_擊式破碎機與棒磨機聯(lián)合制砂工藝,在我國開創(chuàng)了此類人工制砂技術的先河,將我國人工制砂技術工藝研究與應用推向了新的高度,對我國水電建設起到了積極的貢獻。

彭水水電站砂石加工系統(tǒng)采用濕法制砂生產(chǎn)工藝,針對螺旋洗砂機進行砂水分離的過程中部分石粉流失造成成品機制砂石粉不足的問題，設計了石粉回收工序,釆用了Derrick公司的2套2E48-120W-4A型細砂回收裝置。

臺山核電廠砂石系統(tǒng)采用半干式制砂工藝實施的方式為“以破代磨+高頻篩分”的破碎分級技術將砂分為0～3 mm和3～5mm兩級，根據(jù)細度模數(shù)的需求大小調整3～5mm的摻人量，經(jīng)風機抽粉然后進行部分水洗調節(jié)石粉含量，確保成品砂的質量優(yōu)良。以破代磨+高頻篩分形成多余的3～5mm的粗砂進人棒磨機車間，由棒磨機制砂輔助制砂。由以破代磨+高頻篩分和棒磨機制砂輔助生產(chǎn)的砂分別進人砂調節(jié)料倉，兩種均可生產(chǎn)為合格的成品優(yōu)質砂，在經(jīng)調節(jié)料倉后送入成品砂倉。成品砂經(jīng)三重工藝的細度磨數(shù)調整措施后級配連續(xù)性更好、含水率易控制，質量更加得以保證。

索風營水電站人工砂石骨料系統(tǒng)的設計針對石灰?guī)r的特性,采用立軸式制砂機“以破代磨”半干式制砂工藝,結合粉砂、水回收利用與環(huán)保工程配套,消除了粉塵對大氣的污染,建成了綠色環(huán)保的砂石生產(chǎn)系統(tǒng)。

蘇家河口水電站采用半干式制砂技術，破碎采用粗、中、細碎三段破碎。粗碎、細碎采用開路;中碎采用與相應的篩分車間形成閉路循環(huán)生產(chǎn)工藝。中碎采用調整排料口的開度,細碎采用調整速度等方法適應各種粒徑級配的生產(chǎn)要求。

一個好的生產(chǎn)工藝流程必須充分考慮到物料性質,工藝合理性、可靠性、先進性、經(jīng)濟性及相互的匹配性。此外，開發(fā)符合生產(chǎn)規(guī)模的自動化控制系統(tǒng)，在滿足環(huán)保要求的前提下，走一條低碳綠色的發(fā)展之路，是未來機制砂生產(chǎn)的發(fā)展趨勢。而且，我們還需要大量,吸收國內外同行業(yè)先進經(jīng)驗、技術,最后進行系統(tǒng)優(yōu)勢整合,開發(fā)出一條適合目標工程的機制砂生產(chǎn)模式。

2  機制砂混凝土在實際工程中的應用

機制砂在我國的應用研究始于貴州省對石灰?guī)r機制砂的生產(chǎn)和應用研究。到目前為止，我國在機制砂混凝土的應用主要集中在水電工程、橋梁工程以及預拌混凝土等方面。

水電工程是我國最早使用機制砂石的工程項目，從上世紀五、六十年代西南山區(qū)的獅子灘、貓?zhí)铀娬鹃_始使用，多年來積累了較為豐富的經(jīng)驗。在三峽大壩二期、三期工程中全部采用花崗巖機制砂做細骨料。湖北宣恩洞坪水利樞紐工程采用石灰?guī)r生產(chǎn)機制砂，湖北天堂抽水蓄能電站、皂市水利樞紐工程均采用灰?guī)r生產(chǎn)機制砂，并采用天然砂和機制砂混合的辦法進行施工。棉花灘大壩和黃河小浪底等工程都采用了機制砂混凝土。此外，蘇家河水電站和沙沱水電站采用半干式制砂工藝生產(chǎn)的機制砂進行實際應用。

在橋梁工程中的應用主要是指在高速公路和鐵路工程上的應用。從C20-C80機制砂混凝土均有所應用。湖南省吉茶高速公路、永藍高速公路、懷新高速公路等橋梁工程均使用了機制砂配制混凝土，混凝土等級有C25普通混凝土，C25水下混凝土，C30普通混凝土，C40普通混凝土和C50T梁用混凝土。山東省東明黃河大橋工程為了更好的應用機制砂，制定了針對機制砂的應用技術規(guī)程。在湖北省滬蓉高速公路、三峽翻壩、宜巴高速公路等均采用機制砂配制混凝土，而且依托滬蓉高速公路，湖北滬蓉西高速公路建設指揮部和武漢理工大學聯(lián)合編制了《機制砂在混凝土中應用技術指南》。四川省巴南高速公路10個標段采用機制砂配制高性能混凝土。在重慶嘉陵江黃花園大橋建設中，通過對機制砂與渠河砂取代簡陽砂配制黃花園大橋主橋箱梁C50混凝土，各項工作性能指標和力學性能指標均符合規(guī)范要求，工程應用效果良好。貴州省余慶縣境內的構皮灘烏江大橋采用機制砂與河砂復摻配置出泵送距離達820m的C50機制砂混凝土。此外，福建省福永高速公路，山西省左黎高速公路，重慶渝澳大橋，菜園壩大橋等工程均應用機制砂配制混凝土。在鐵路橋梁中，云南省玉蒙鐵路第五標段，在混凝土結構中全部使用了機制砂。貴州省水柏線北盤江大橋鋼管拱內混凝土，利用機制砂配制自密實混凝土經(jīng)大橋局橋科院檢測,混凝土充盈飽滿,達到優(yōu)良等級。在株六線南山河特大橋C55高性能混凝土成功應用機制砂配置。京滬高鐵和武廣高鐵等高速鐵路的需求，將會改善目前機制砂質量，提高機制砂生產(chǎn)設備和技術。

在預拌混凝土中，北京世紀財富中心C60混凝土全為機制砂高性能混凝土。北京恒坤混凝土有限公司和北京恒坤拓峰采石有限公司采用干法工藝生產(chǎn)石灰?guī)r機制砂，在一年多的時間里累計生產(chǎn)預拌混凝土40多萬方，多數(shù)使用純人工砂，石粉含量應用范圍達8％～15％，應用于各種工程取得了很好的效益。天津西爾斯混凝土工業(yè)有限公司已成功生產(chǎn)機制砂127萬噸，生產(chǎn)預拌混凝土180萬m3，并成功應用于南水北調西河閘工程。浙江湖州新開元碎石有限公司已生產(chǎn)人工砂100萬噸，用機制砂配制高強度泵送混凝土已成功應用于上海世貿濱江花園、徐匯苑等工程。瑞科爾建筑材料（天津）有限公司用機制砂配制普通泵送混凝土，以及C60以上的高強高性能混凝土和大流動性混凝土，并成功應用于海河堤岸改造（金剛橋至獅子林橋的灌注樁）、中心城區(qū)快速環(huán)路（津塘路至張貴莊）工程、家世界購物廣場等工程，開創(chuàng)了天津市機制砂在預拌混凝土中大規(guī)模應用的先例

3  機制砂研究的熱點問題

3.1  機制砂級配

機制砂由于自身的特性，表面粗糙，棱角尖銳，表面球形度弱于天然河砂。換句話說，適用于天然河砂的顆粒級配，并不完全適用于機制砂，甚至會引起新拌機制砂混凝土離析泌水，缺乏良好的工作狀態(tài)。

艾長發(fā)等以1.18mm篩孔為分界點，將機制砂顆粒組成分成Ⅰ（粒徑≥1.18mm 顆粒）Ⅱ（粒徑≤1.18mm顆粒）組分，設計并進行了6種不同級配類型機制砂及其混凝土性能的試驗.試驗結果表明：①細度模數(shù)僅是表征機制砂的粗細程度的宏觀指標，無法反映顆粒級配的真實情況，決定機制砂品質好壞的內在因素是顆粒級配,生產(chǎn)時應得到嚴格控制，為提高混凝土強度及工作性能，應盡量使顆粒級配曲線具有骨架密實特征；②機制砂 Ⅰ組分主要影響混凝土的泌水性，Ⅱ組分主要影響混凝土的保水性及黏聚性，為保證混凝土的工作性能，應使 Ⅰ、Ⅱ 組分的含量比例保持在 1：2左右，并有效控制 Ⅰ組分顆粒組成比例；③為充分發(fā)揮 Ⅰ組分的填充密實與次骨架結構作用效應，以提高混凝土的整體性能，宜將1.18mm篩檔累計篩余百分率控制在級配中值附近，且4.75、2.36、1.18mm三篩檔累計篩余百分率按 2:3:1 進行控制。

張禮華等認為對中低強度等級混凝土而言，適量石粉能使機制砂的級配更完善，機制砂混凝土中漿體含量增加，有利于機制砂混凝土坍落度的提高和擴展度的增加，并減少拌合物泌水。

岳海軍等試驗表明，使用石粉含量超過現(xiàn)行國標限值、級配不符合規(guī)范級配區(qū)要求的機制砂，仍然可以配制出工作性優(yōu)良的機制砂混凝土。根據(jù)機制砂的實際生產(chǎn)狀況和國外機制砂級配劃分標準，提出了一個適合我國機制砂生產(chǎn)的全級配標準，該級配標準對現(xiàn)行規(guī)范中2.36、1.18、0.3、0.15mm篩孔的累計篩余適當放寬，并新增了 0.075mm篩孔的累計篩余控制值，有利于拓寬機制砂的級配和高石粉機制砂的利用。

芮捷等利用單因素分析法，對高強混凝土機制砂顆粒級配進行研究，推薦使用級配在Ⅱ區(qū)中值和下限之間的機制砂配制高強混凝土。

機制砂的級配不僅影響新拌機制砂混凝土的和易行，也直接關系到膠凝材料的用量。良好的機制砂級配不僅節(jié)約水泥用量，而且空隙率低，提高混凝土的密實性。此外，石粉作為重要的填充材料，可以優(yōu)化機制砂顆粒級配，應當在應用中適當放寬對石粉含量限制的要求。

3.2  機制砂混凝土配合比

進行機制砂混凝土配合比的研究，對于推廣機制砂用于我國建設工程項目，具有極為深遠的現(xiàn)實意義，尤其是進行高強高性能機制砂混凝土的配合比研究，符合我國混凝土來來應用的發(fā)展方向。

張會芝等進行配合比試驗發(fā)現(xiàn)，全機制砂混凝土砂率對各齡期立方體抗壓強度的影響為一階指數(shù)衰減型曲線,7 d、14 d和28d立方體抗壓強度均隨砂率的增加而降低。

鄭忠雙等認為Abrams的水灰比定律對全機制砂混凝土同樣有效,在配制全機制砂混凝土時,砂率宜控制在37%-43%。

Tao Ji等根據(jù)最小漿體理論得出，較低含量的石粉不影響機制砂混凝土的流動性，一定量的石粉具有凝聚水河保水的作用。石粉含量不超過24%，添加石粉可以提高機制砂混凝土的密實性，改善混凝土的力學性能。

余川提出了全計算法設計機制砂高性能混凝土配合比的可行性,并對已有的機制砂配合比設計的全計算法進行參數(shù)改進,以適用于現(xiàn)有的機制砂混凝土的配制,并用改進后的全計算法設計雙慘礦物外加劑的機制砂高性能混凝土,并探討粉煤灰和礦粉合理的摻加方式和摻加比例,驗證改進后的全計算法制備的機制砂高性能混凝土的力學性能和耐久性能。

楊玉輝等試驗表明，C80機制砂混凝土的合理砂率應略大于相應的河砂混凝土,合理砂率選擇在42%～45%較好。機制砂中一定量的石粉對混凝土強度有促進作用,在7%石粉含量情況下,C80機制砂混凝土的工作性和強度均達到最佳。

蔣正武等通過混凝土配合比基本參數(shù)優(yōu)化技術、外加劑復摻技術、大摻量礦物摻和料復摻技術等,可配制出初始坍落度大于24 cm、坍落擴展度大于60 cm、倒坍落度筒流出時間在5～15 s、抗壓強度等級達到C50以上的大摻量礦物摻和料機制砂自密實混凝土。

由于機制砂具有明顯的地域差異，不同巖性，不同生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的機制砂具有較大的區(qū)別，這為機制砂進行配合比的研究帶來了不小的問題。雖然許多學者根據(jù)當?shù)氐膶嶋H情況，配置出了符合要求的機制砂混凝土，包括高強高性能機制砂混凝土。但是，為了制定相對統(tǒng)一的機制砂混凝土配合比設計規(guī)程，建議制定不同巖性機制砂的配合比修正系數(shù)，嚴格規(guī)范控制全國機制砂生產(chǎn)質量指標，編制適用于機制砂混凝土的配合比國家規(guī)范。

3.3  石粉含量

機制砂與天然砂最顯著的區(qū)別是機制砂中含有大量粒徑小于0.075mm的顆粒,但機制砂中小于0.075mm的顆粒與河砂中小于0.075mm的顆粒性質完全不同。河砂中的泥粉對混凝土的工作性、體積穩(wěn)定性和耐久性都有不利的影響,但機制砂中的石粉與母巖的物理化學性質完全一樣,且大量的研究表明,適量的石粉對機制砂混凝土的工作性和強度無不利影響,甚至還可以改善混凝土的性能。石粉作為機制砂生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)品，國內學者對不同石粉摻量進行了大量研究。   

周明凱等研究含20%石粉的機制砂，利用高標號水泥配置低強度混凝土，水泥用量少，由于機制砂中的石粉增加了固體表面積對水的比例,保水性增強,泌水情況得到改善。同時石粉還起到微滾珠作用,減少砂與砂之間磨擦而改善棍凝十的和易性。機制砂中的石粉在水泥水化反應中起晶核作用和微集料填充作用,增加了混凝土的密實度,改善了抗?jié)B性能,在一定程度上提高了棍凝十的強度。這在水泥用量少的貧混凝土中,石粉對強度的貢獻比較明顯。

李北星等研究表明，石粉可以增加機制砂混凝土拌合物的黏聚性和保水性,有利于改善離析泌水現(xiàn)象, 且石粉含量對混凝土坍落度的影響不如對坍擴度影響敏感, C30、C60、C80 機制砂混凝土工作性較佳的石粉含量范圍分別在 10%～15%、7%～10%及 3%～5%范圍。石粉含量的增加對C30、C60 機制砂混凝土的強度基本上有提高作用, 而對 C80 機制砂混凝土的強度有降低作用,C30、C60、C80 機制砂混凝土抗壓強度最高的石粉含量約為20%、10%、3%。

王雨利等研究得出，適量的石粉可以改善機制砂混凝土的抗凍性;適當提高機制砂混凝土中膠凝材料與石粉的比例,可以改善機制砂混凝土的抗凍性能。當石粉含量在5%～10%時,混凝土的工作性能、抗壓強度較好。此外，適量的石粉可以優(yōu)化硬化水泥砂漿的孔結構。

王立華等試驗得出在配合比相同時，石粉含量增大，人工砂混凝土的含氣量和坍落度線性減小，抗壓強度線性增大。石粉含量增大 10%，含氣量減小 2.5%，坍落度平均減小 5.5cm，抗壓強度平均增大 15.8%。

趙順波等對機制砂水泥砂漿進行研究發(fā)現(xiàn)，機制砂石粉具有吸水效應、形態(tài)效應和填充效應。M5、M10、M15砂漿最佳石粉含量為10%～15%之間，M20 砂漿最佳石粉摻量為 15%～20%之間。

劉秀美等配制C40機制砂混凝土認為石粉含量的適度增加可以改善混凝土工作性，增加抗壓強度。石粉的最大摻量在不同機制砂中其值不同，球形度越好的機制砂，石粉含量限值越大。

王稷良選取石灰?guī)r石粉進行石粉含量的試驗，認為對于不同強度等級的機制砂混凝土石粉含量存在不同的最佳范圍。C30混凝土最佳范圍在10%～15%，而C60混凝土的最佳含量介于7%～10%，而C80混凝土的最佳石粉含量介于3%～5%之間。

以上關于石粉含量的研究均說明，機制砂中適量石粉含量不但可以提高混凝土的力學性能，而且在一定范圍內可以改善抗凍性、抗腐蝕性等耐久性指標。

4  結語

總結文獻資料的研究得出以下結論：

1  目前機制砂制砂設備和工藝，能夠生產(chǎn)優(yōu)質的機制砂替代天然河砂，滿足機制砂混凝土的工作性、強度、體積穩(wěn)定性和耐久性的要求。

2  利用機制砂完全可以配制出滿足設計和施工要求的高性能機制砂混凝土。

3  機制砂混凝土配合比設計區(qū)別于天然河砂混凝土配合比設計。建議重新選取計算公式的修正系數(shù)，綜合考慮強度、和易性、體積穩(wěn)定性等對水膠比、砂率和漿骨比等得影響。

4  機制砂中適量的石粉可以改善混凝土的各項性能。石粉的最佳含量主要受機制砂的級配、細度模數(shù)、水泥標號、外加劑和混凝土強度等因素的影響。

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