引言

砂石广泛用于道路、高铁、办公住宅、水利、人防等工程，天然砂石包括海砂、河砂和地下卵砂，机制砂石主要利用岩石、尾矿、建筑垃圾等通过破碎工艺形成。我国2011年砂石产量已接近100亿t，其中机制砂石约占55%，为开采量最大的资源，预计2016年总量将达到160亿t[1]。与天然砂开采对环境的破坏几乎不可修复不同，发展机制砂产业：

①废弃采石场具有可修复性，平均治理恢复期为5年[2]；

②有效解决我国总量庞大的尾矿资源再利用问题，消除尾矿及尾矿库危害[3]；

③促进建筑垃圾资源化，并可以大量提供工程建设所需的砂石产品[4]。

因此，研究大规模替代天然砂石的机制砂石生产技术对人、社会、自然环境的和谐可持续发展具有重要的意义。近年来，湖州新开元碎石有限公司(以下简称新开元)对立轴破碎机制砂技术、机制砂石湿法生产固液分离技术、细粒琴弦筛筛分技术进行了系统的研究，总结出一套机制砂生产工艺及质量控制方法，为大规模生产可替代天然砂的机制砂奠定了基础。

1 机制砂主要质量问题及影响研究

混凝土中70%的原料为碎石和砂。机制砂的质量对混凝土性能影响较大[5-6]。主要表现：

①机制砂细度模数显著影响混凝土的工作性和强度，细度模数的适当增加，混凝土的工作性和强度将不同程度的提高，如石灰石机制砂细度模数位于2.9-3.2时，混凝土具有良好的工作性和合适的力学强度；

②机制砂中石粉超量掺人，混凝土力学性能略有下降、体积变形性略有增加，但能提高混凝土的抗渗性、抗冻性和耐久性，并改善和易性，一般合格的机制砂级配中含量小于0.6mm颗粒不能小于30%，大于4.75mm颗粒不能超过10%[7]；

③相同级配及细度模数的天然砂和机制砂，机制砂颗粒表面凹凸不平，具有较大的比表面积，使得混凝土拌合物的坍落度显著减小,但对混凝土强度的影响较小[7]；

④机制砂中泥含量增加，混凝土的坍落度、抗渗性能、耐久性下降，强度明显下降，干缩值增大，特别对高强度混凝土这些影响更大，对强度和耐久性要求高的混凝土工程，应严格控制机制砂中泥含量[9]；

⑤机制砂亚甲蓝MB值与黏土含量呈正比关系，与石粉含量关系不大，当MB超过临界值1.4时，MB值增大使得新拌混凝土的工作性显著降低，早期塑性开裂程度增大，明显降低硬化混凝土的抗折强度与7d抗压强度，对28d抗压强度影响不大，但增加了混凝土各龄期收缩值，显著加快了混凝土的冻融破坏[10]；

⑥粗砂级配保水能力差，宜配制富桨混凝土和低流动性混凝土；中砂级配配制普通混凝土较适宜；细砂级配配制的混合料黏性稍大、保水较好，但混凝土干缩性较大、表面易产生细微裂缝[11]。因此，机制砂质量水平对混凝土性能影响非常显著。我国建设用砂规定的机制砂质量标准的主要约束指标如表1所示[12]。

2 机制砂生产工艺和质量控制研究

2.1 生产工艺方案

机制砂生产主要有干法和湿法工艺，相应工艺如图1、2所示，其中：

(1)湿法固液分离系统和干法除尘脱粉系统目的是除去泥粉和0-1mm细砂[13-14]。

(2)一般中碎和细碎工艺所产普通0-5mm机制砂细度模数偏高、针片状较多，借助琴弦筛筛分出3-5mm石屑并经立轴整形工艺进一步破碎和整形制得0-5mm机制砂，改善了粒形、级配和细度模数[15]。

(3)依据表1，0-1mm细砂、普通0-5mm机制砂、琴弦筛筛下0-3mm细砂、整型0-5mm机制砂通过配料系统均匀混合。

上述工艺可以以较低的成本代价达到优化机制砂产品质量指标的效果。

2.2 质量控制模型

假设：B4.75(m)、B2.36(m)、B1.18(m)、B0.6(m)、B0.3(m)、B0.15(m)分别为质量标准规定的机制砂通过不同方孔筛筛余比例区间，m取值为1、2、3，分别代表机制砂级配1、2、3区；S(j)代表标准规定的机制砂细度模数区间，j取值为1、2、3、4，分别代表粗砂、中砂、细砂和特细砂；C11(n)、C21(n)分别代表MB≤1.4和MB>1.4的最大石粉含量标准；C12(n)、C22(n)分别代表MB≤1.4和MB>1.4时最大泥块含量标准；以上n为建筑用砂类别，取值为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，分别代表0-1mm细砂、整形0-5mm机制砂、普通0-5mm机制砂、0-3mm细砂四个规格的方孔筛筛余比例检测值，其他参数定义如表3所示。

假设：需要生产m区、n类别、亚甲蓝测试结果大于1.4的中砂。则：

级配约束：

细度模数约束：

产量约束：

石粉含量量约束：

泥块含量约束：

根据工艺特征，四个规格半成品砂的加工成本排序结果X3＞X4＞X1＞X2，因此，为降低工艺成本，提高产品竞争力，配料量最佳决策原则X3＞X4＞X1＞X2。

依据上述模型，通过控制四个规格半成品砂的配料皮带带速，利用均匀配料机实现均匀混合，生产出符合标准质量要求的高品质机制砂。模型同时要求经常性测试四个规格半成品砂的级配、亚甲蓝、石粉含量和泥块含量参数以及有害物质、坚固性、压碎指标、堆积密度、含水率等指标值，确保机制砂产品质量的稳定性和可靠性。

3 应用研究

根据以上研究成果，2011年新开元设计了如图1所示的机制砂生产工艺，并进行了小批量生产，其中2区III类中砂产品配料参数和质量检测结果如表4所示（-75μm细粉为微级配），委托上海建工材料工程有限公司测试中心取样进行C40混凝土试验结果如表5所示，即配方基本一致时，用机制砂替代天然中砂，在工作性能、力学性能方面均能达到标准要求,特别是机制砂混凝土7、28、56d强度测试结果比纯天然中砂混凝土稍强一些。因此，本研究的大规模替代天然砂的高品质机制砂生产工艺及质量控制技术是可行的。

4 结论

面对可采天然砂资源的日益减少，发展高品质机制砂生产技术意义重大。本文论证了先级配分离、再深加工、后按标准质量参数进行混配的机制砂生产工艺及质量控制技术。应用实例表明该技术是可完全替代天然砂的机制砂大规模生产的有效解决方案之一。

参考文献

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[15]李永杰,毛铁牛.立轴式冲击破碎机制砂工艺与研究[J].贵州水利发电,2008(2):1-5.

作者：

邵建峰，姚绍武，张文彬，姚一帆。

编辑：赵虹旭