引言
砂石廣泛用于道路、高鐵、辦公住宅、水利、人防等工程，天然砂石包括海砂、河砂和地下卵砂，機(jī)制砂石主要利用巖石、尾礦、建筑垃圾等通過(guò)破碎工藝形成。我國(guó)2011年砂石產(chǎn)量已接近100億t，其中機(jī)制砂石約占55%，為開(kāi)采量最大的資源，預(yù)計(jì)2016年總量將達(dá)到160億t[1]。與天然砂開(kāi)采對(duì)環(huán)境的破壞幾乎不可修復(fù)不同，發(fā)展機(jī)制砂產(chǎn)業(yè)：
①?gòu)U棄采石場(chǎng)具有可修復(fù)性，平均治理恢復(fù)期為5年[2]；
②有效解決我國(guó)總量龐大的尾礦資源再利用問(wèn)題，消除尾礦及尾礦庫(kù)危害[3]；
③促進(jìn)建筑垃圾資源化，并可以大量提供工程建設(shè)所需的砂石產(chǎn)品[4]。
因此，研究大規(guī)模替代天然砂石的機(jī)制砂石生產(chǎn)技術(shù)對(duì)人、社會(huì)、自然環(huán)境的和諧可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。近年來(lái)，湖州新開(kāi)元碎石有限公司(以下簡(jiǎn)稱新開(kāi)元)對(duì)立軸破碎機(jī)制砂技術(shù)、機(jī)制砂石濕法生產(chǎn)固液分離技術(shù)、細(xì)粒琴弦篩篩分技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，總結(jié)出一套機(jī)制砂生產(chǎn)工藝及質(zhì)量控制方法，為大規(guī)模生產(chǎn)可替代天然砂的機(jī)制砂奠定了基礎(chǔ)。
1 機(jī)制砂主要質(zhì)量問(wèn)題及影響研究
混凝土中70%的原料為碎石和砂。機(jī)制砂的質(zhì)量對(duì)混凝土性能影響較大[5-6]。主要表現(xiàn)：
①機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)顯著影響混凝土的工作性和強(qiáng)度，細(xì)度模數(shù)的適當(dāng)增加，混凝土的工作性和強(qiáng)度將不同程度的提高，如石灰石機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)位于2.9-3.2時(shí)，混凝土具有良好的工作性和合適的力學(xué)強(qiáng)度；
②機(jī)制砂中石粉超量摻人，混凝土力學(xué)性能略有下降、體積變形性略有增加，但能提高混凝土的抗?jié)B性、抗凍性和耐久性，并改善和易性，一般合格的機(jī)制砂級(jí)配中含量小于0.6mm顆粒不能小于30%，大于4.75mm顆粒不能超過(guò)10%[7]；
③相同級(jí)配及細(xì)度模數(shù)的天然砂和機(jī)制砂，機(jī)制砂顆粒表面凹凸不平，具有較大的比表面積，使得混凝土拌合物的坍落度顯著減小,但對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響較小[7]；
④機(jī)制砂中泥含量增加，混凝土的坍落度、抗?jié)B性能、耐久性下降，強(qiáng)度明顯下降，干縮值增大，特別對(duì)高強(qiáng)度混凝土這些影響更大，對(duì)強(qiáng)度和耐久性要求高的混凝土工程，應(yīng)嚴(yán)格控制機(jī)制砂中泥含量[9]；
⑤機(jī)制砂亞甲藍(lán)MB值與黏土含量呈正比關(guān)系，與石粉含量關(guān)系不大，當(dāng)MB超過(guò)臨界值1.4時(shí)，MB值增大使得新拌混凝土的工作性顯著降低，早期塑性開(kāi)裂程度增大，明顯降低硬化混凝土的抗折強(qiáng)度與7d抗壓強(qiáng)度，對(duì)28d抗壓強(qiáng)度影響不大，但增加了混凝土各齡期收縮值，顯著加快了混凝土的凍融破壞[10]；
⑥粗砂級(jí)配保水能力差，宜配制富槳混凝土和低流動(dòng)性混凝土；中砂級(jí)配配制普通混凝土較適宜；細(xì)砂級(jí)配配制的混合料黏性稍大、保水較好，但混凝土干縮性較大、表面易產(chǎn)生細(xì)微裂縫[11]。因此，機(jī)制砂質(zhì)量水平對(duì)混凝土性能影響非常顯著。我國(guó)建設(shè)用砂規(guī)定的機(jī)制砂質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的主要約束指標(biāo)如表1所示[12]。
2 機(jī)制砂生產(chǎn)工藝和質(zhì)量控制研究
2.1 生產(chǎn)工藝方案
機(jī)制砂生產(chǎn)主要有干法和濕法工藝，相應(yīng)工藝如圖1、2所示，其中：
(1)濕法固液分離系統(tǒng)和干法除塵脫粉系統(tǒng)目的是除去泥粉和0-1mm細(xì)砂[13-14]。
(2)一般中碎和細(xì)碎工藝所產(chǎn)普通0-5mm機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)偏高、針片狀較多，借助琴弦篩篩分出3-5mm石屑并經(jīng)立軸整形工藝進(jìn)一步破碎和整形制得0-5mm機(jī)制砂，改善了粒形、級(jí)配和細(xì)度模數(shù)[15]。
(3)依據(jù)表1，0-1mm細(xì)砂、普通0-5mm機(jī)制砂、琴弦篩篩下0-3mm細(xì)砂、整型0-5mm機(jī)制砂通過(guò)配料系統(tǒng)均勻混合。
上述工藝可以以較低的成本代價(jià)達(dá)到優(yōu)化機(jī)制砂產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)的效果。
2.2 質(zhì)量控制模型
假設(shè)：B4.75(m)、B2.36(m)、B1.18(m)、B0.6(m)、B0.3(m)、B0.15(m)分別為質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的機(jī)制砂通過(guò)不同方孔篩篩余比例區(qū)間，m取值為1、2、3，分別代表機(jī)制砂級(jí)配1、2、3區(qū)；S(j)代表標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的機(jī)制砂細(xì)度模數(shù)區(qū)間，j取值為1、2、3、4，分別代表粗砂、中砂、細(xì)砂和特細(xì)砂；C11(n)、C21(n)分別代表MB≤1.4和MB>1.4的最大石粉含量標(biāo)準(zhǔn)；C12(n)、C22(n)分別代表MB≤1.4和MB>1.4時(shí)最大泥塊含量標(biāo)準(zhǔn)；以上n為建筑用砂類別，取值為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ；A4.75(i)、A2.36(i)、A1.18(i)、A0.6(i)、A0.3(i)、A0.15(i)，i取值1、2、3、4，分別代表0-1mm細(xì)砂、整形0-5mm機(jī)制砂、普通0-5mm機(jī)制砂、0-3mm細(xì)砂四個(gè)規(guī)格的方孔篩篩余比例檢測(cè)值，其他參數(shù)定義如表3所示。
假設(shè)：需要生產(chǎn)m區(qū)、n類別、亞甲藍(lán)測(cè)試結(jié)果大于1.4的中砂。則：
級(jí)配約束：
細(xì)度模數(shù)約束：
產(chǎn)量約束：
石粉含量量約束：
泥塊含量約束：
根據(jù)工藝特征，四個(gè)規(guī)格半成品砂的加工成本排序結(jié)果X3＞X4＞X1＞X2，因此，為降低工藝成本，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，配料量最佳決策原則X3＞X4＞X1＞X2。
依據(jù)上述模型，通過(guò)控制四個(gè)規(guī)格半成品砂的配料皮帶帶速，利用均勻配料機(jī)實(shí)現(xiàn)均勻混合，生產(chǎn)出符合標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量要求的高品質(zhì)機(jī)制砂。模型同時(shí)要求經(jīng)常性測(cè)試四個(gè)規(guī)格半成品砂的級(jí)配、亞甲藍(lán)、石粉含量和泥塊含量參數(shù)以及有害物質(zhì)、堅(jiān)固性、壓碎指標(biāo)、堆積密度、含水率等指標(biāo)值，確保機(jī)制砂產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性。
3 應(yīng)用研究
根據(jù)以上研究成果，2011年新開(kāi)元設(shè)計(jì)了如圖1所示的機(jī)制砂生產(chǎn)工藝，并進(jìn)行了小批量生產(chǎn)，其中2區(qū)III類中砂產(chǎn)品配料參數(shù)和質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果如表4所示（-75μm細(xì)粉為微級(jí)配），委托上海建工材料工程有限公司測(cè)試中心取樣進(jìn)行C40混凝土試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，即配方基本一致時(shí)，用機(jī)制砂替代天然中砂，在工作性能、力學(xué)性能方面均能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求,特別是機(jī)制砂混凝土7、28、56d強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果比純天然中砂混凝土稍強(qiáng)一些。因此，本研究的大規(guī)模替代天然砂的高品質(zhì)機(jī)制砂生產(chǎn)工藝及質(zhì)量控制技術(shù)是可行的。
4 結(jié)論
面對(duì)可采天然砂資源的日益減少，發(fā)展高品質(zhì)機(jī)制砂生產(chǎn)技術(shù)意義重大。本文論證了先級(jí)配分離、再深加工、后按標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行混配的機(jī)制砂生產(chǎn)工藝及質(zhì)量控制技術(shù)。應(yīng)用實(shí)例表明該技術(shù)是可完全替代天然砂的機(jī)制砂大規(guī)模生產(chǎn)的有效解決方案之一。
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作者：
邵建峰，姚紹武，張文彬，姚一帆。
編輯：趙虹旭
