鐵路工程高品質(zhì)機制砂生產(chǎn)關鍵技術(shù)

吳勇，舒尤波，譚崎松

（貴州鐵路投資有限責任公司，貴州 貴陽 550001）

0 引言

現(xiàn)階段我國經(jīng)濟已由高速增長階段轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段，高質(zhì)量綠色發(fā)展是保持經(jīng)濟社會持續(xù)健康發(fā)展的必然要求，也是基礎設施建設追求的目標。目前，我國基礎設施建設方興未艾，全國每年砂石骨料用量達200億t，市場需求量巨大。長期以來，建筑用砂主要來源于河道采砂和機制砂，河道采砂造成砂石資源枯竭、水源污染，易引發(fā)河堤安全等各種問題，發(fā)展產(chǎn)量和質(zhì)量都穩(wěn)定的高品質(zhì)機制砂替代河砂，既可解決建設中砂石骨料供需不平衡的矛盾，又能消納隧道洞渣[1]等固體廢渣，是一項綠色環(huán)保產(chǎn)業(yè)，對人與自然和諧可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。近年來，貴州鐵路投資有限責任公司聯(lián)合中國鐵道科學研究院集團有限公司，依托甕安—馬場坪鐵路（甕馬鐵路）建設開展面向西南地區(qū)鐵路工程高性能機制砂混凝土制備與應用關鍵技術(shù)研究，推進高品質(zhì)機制砂在鐵路工程特別是預應力構(gòu)件中的應用，以解決貴州地區(qū)天然河砂資源短缺、市場上劣質(zhì)機制砂質(zhì)量無法滿足高性能混凝土用砂需要的問題，取得了一些應用成果。

1 機制砂主要質(zhì)量問題

目前，貴州市場上的機制砂受巖石材質(zhì)和生產(chǎn)工藝影響，普遍存在級配不良、石粉含量超標、顆粒棱角多等質(zhì)量問題，對混凝土性能影響較大。一是機制砂級配呈現(xiàn)“兩頭多中間少”[2]的特點，其中粒徑大于2.360 mm顆粒篩余量高達40%，粒徑小于0.075 mm顆粒篩余量高達15%以上[3]，級配不良造成骨料間空隙率大，混凝土強度和工作性能差。二是石粉含量過高，導致混凝土強度降低、加大收縮變形等質(zhì)量問題。三是顆粒棱角多，在同等漿體用量下，機制砂混凝土比顆粒圓潤的河砂混凝土和易性、流動性和密實度差。圍繞機制砂主要質(zhì)量問題，重點從優(yōu)選礦山、改進生產(chǎn)工藝、信息化質(zhì)量監(jiān)測、環(huán)境保護等方面構(gòu)建高品質(zhì)機制砂生產(chǎn)和質(zhì)量環(huán)保控制體系。

2 高品質(zhì)機制砂生產(chǎn)工藝及質(zhì)量控制

2.1 優(yōu)選礦山

母巖質(zhì)量的優(yōu)劣從源頭上決定了機制砂的質(zhì)量。在砂場礦山選擇上應做好勘察工作，選擇覆蓋土層薄、夾層含泥較少、母巖強度高以及巖石整體性好的礦山。母巖不應具有潛在堿-集料反應活性，宜使用潔凈、質(zhì)地堅硬、無軟弱顆粒及無風化石的石灰?guī)r、白云巖、花崗巖、玄武巖等。母巖物理、化學指標應滿足表1要求。

表1 砂石礦山母巖檢驗項目[4]

貴州省地表露出的地層巖性主要以石灰?guī)r為主，在西部分布有一定的玄武巖,東南分布有淺變質(zhì)巖[5]，機制砂石料源豐富。在甕馬鐵路砂石礦山選擇上應遵循優(yōu)質(zhì)、環(huán)保、經(jīng)濟的原則，設立質(zhì)檢隊對砂石料源進行勘探、檢測、分析，選定了覆土層淺、可采儲量大于設計需要量1.5倍的貴定縣昌明鎮(zhèn)新光村礦山。該礦山以砂質(zhì)灰?guī)r為主，儲量達500萬t，母巖各項檢驗指標均符合規(guī)范要求（見表2）。

2.2 “5S+”高品質(zhì)砂石骨料加工工藝

貴州市場上的機制砂大多采用“2次破碎+篩分”的生產(chǎn)工藝，缺乏對骨料級配的調(diào)整、石粉含量及粒形的控制。針對上述問題，通過改進工藝，采用“雙脫泥、雙反擊、雙沖擊、雙循環(huán)、雙選粉”5S[6]高品質(zhì)砂石骨料加工工藝+動態(tài)顆粒顯微成像在線質(zhì)量檢測技術(shù)，確保產(chǎn)品質(zhì)量合格、性能穩(wěn)定；通過風選除塵、半成品及成品料倉封閉、廢料再利用措施，解決傳統(tǒng)工藝粉塵、水污染和廢料處理問題，工藝流程見圖1。

表2 昌明砂石礦山母巖檢驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

圖1 工藝流程

2.2.1 3級破碎、2次整形

首先采用鄂式破碎機以擠壓方式對母巖進行第1次預破碎（粗碎），減小母巖直徑，減輕反擊破碎機生產(chǎn)壓力；然后用反擊破碎機以拋石撞擊方式對母料進行第2次破碎（中碎），使鄂破產(chǎn)生的骨料微裂紋進一步發(fā)展，最終骨料從微裂紋處再次破碎,完成對骨料的第2次破碎和第1次整形；最后采用立軸沖擊破碎機以“石打石”或“石打鐵”方式對骨料進行第3次破碎（細碎）和第2次整形。

2.2.2 二次脫泥

在粗碎前采用棒條給料機加脫泥篩把粒徑小于30 mm的母巖及泥土進行第1次脫泥處理，在中碎前對粒徑小于10 mm的骨料進行第2次脫泥處理，除去骨料中泥土和石屑，保證骨料MB值小于0.5。

2.2.3 級配調(diào)整

在中碎和細碎階段均設有循環(huán)篩分系統(tǒng)，可以通過GSP調(diào)節(jié)料倉使部分骨料通過循環(huán)系統(tǒng)返回重新破碎成更小粒徑顆粒，根據(jù)需要調(diào)整不同粒徑骨料生產(chǎn)比例，再通過風選控粉調(diào)整小顆粒含量，解決級配“兩頭多中間少”的問題。

2.2.4 風選控粉

細碎后的骨料先進行1次重力風選控粉，將石粉含量控制在10%左右，在成品砂進入料倉前，根據(jù)需要調(diào)整風選機抽取石粉的風壓再次調(diào)整石粉含量，滿足不同強度混凝土對機制砂石粉含量的要求。

2.2.5 自動加濕

在風選工序完成后對機制砂成品自動加濕，將機制砂含水率控制在2.5%～3.5%。穩(wěn)定的含水率便于混凝土生產(chǎn)及質(zhì)量控制，可有效避免生產(chǎn)、運輸過程揚塵，防止在裝卸和運輸中造成骨料離析。

2.3 動態(tài)顆粒顯微成像在線質(zhì)量檢測系統(tǒng)

傳統(tǒng)砂石料質(zhì)量檢驗主要為原材料進場抽檢和日常監(jiān)督檢查，缺少生產(chǎn)過程監(jiān)控和出廠檢驗，如果進場檢驗把關不嚴，使用過程缺乏有效監(jiān)控，將給工程造成質(zhì)量隱患。結(jié)合云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，研發(fā)動態(tài)顆粒顯微成像在線質(zhì)量檢測系統(tǒng)，通過實時獲取機制砂生產(chǎn)關鍵技術(shù)指標數(shù)據(jù)，實現(xiàn)生產(chǎn)過程產(chǎn)品質(zhì)量實時監(jiān)控，骨料指標超標時及時調(diào)整設備生產(chǎn)參數(shù)，確保產(chǎn)品質(zhì)量合格，并將數(shù)據(jù)上傳總部統(tǒng)一監(jiān)管，全面提升產(chǎn)品質(zhì)量和信息化控制水平。系統(tǒng)主要采用動態(tài)顆粒顯微圖像分析法[7]對骨料進行在線實時監(jiān)測（見圖2），原理是通過高速CCD成像系統(tǒng)和遠心鏡頭精確捕捉下落中的顆粒圖像并進行分析處理[8]，得出每幅圖像中每個顆粒的粒度和粒形數(shù)據(jù)，經(jīng)過累積計算得到粒度粒形分布數(shù)據(jù)，通過測試數(shù)據(jù)與標準數(shù)據(jù)對比可以判斷機制砂產(chǎn)品的質(zhì)量狀況，在產(chǎn)品檢測參數(shù)不滿足設定參數(shù)時設備報警，生產(chǎn)人員可及時調(diào)整設備生產(chǎn)參數(shù)，保證產(chǎn)品質(zhì)量合格、性能穩(wěn)定。對采用圖像分析法測試出的數(shù)據(jù)進行試驗驗證，在石粉含量測定中，取不同產(chǎn)地機制砂進行圖像分析法和濕法測試對比，隨著濕法所測石粉含量增大，圖像分析法所測石粉含量也不斷增大，具有較高的相關性（相關系數(shù)達0.967），可通過2種方法相關關系推導得到機制砂的實際石粉含量，說明用圖像分析法便捷測試機制砂的實際石粉含量可行。在測定骨料顆粒形貌時，發(fā)現(xiàn)顆粒粒級和微粉含量與顆粒形貌的圓形度和長徑比具有一定相關性，用圖像分析法可快速便捷表征機制砂顆粒形貌。在顆粒級配測試中，發(fā)現(xiàn)用軟件計算相機捕捉顆粒投影短徑與篩分法結(jié)果趨近程度高，圖像分析法中采用短徑表征顆粒級配具有較好的可行性。對采用圖像分析法原理制造的質(zhì)量檢測系統(tǒng)各模塊進行現(xiàn)場適用性驗證，系統(tǒng)間的相容性、模塊穩(wěn)定性、設備準確性等方面有較強的可靠性，對骨料質(zhì)量在線實時檢測具有現(xiàn)實意義。

圖2 動態(tài)顆粒顯微成像檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

2.4 高品質(zhì)機制砂試驗

機制砂試驗嚴格按相關試驗檢驗規(guī)范執(zhí)行，取樣后對機制砂的級配、MB值、泥塊含量、輕物質(zhì)含量、吸水率、石粉含量、堅固性、壓碎指標值、有機物含量等指標進行檢驗，檢驗結(jié)果符合規(guī)范要求（見表3、表4和圖3）。

表3 高品質(zhì)機制砂檢測結(jié)果

表4 高品質(zhì)機制砂級配

圖3 機制砂篩分樣品

2.5 對比試驗

通過改進機制砂生產(chǎn)工藝、創(chuàng)新質(zhì)量檢測技術(shù)，生產(chǎn)出的機制砂成品質(zhì)量滿足規(guī)范要求，機制砂級配不良、石粉含量超標等質(zhì)量問題得到解決，粒形得到明顯改善，更接近于天然河砂粒形，機制砂品質(zhì)得到有效提升，其細度模數(shù)為2.90，長徑比平均為1.24（見圖4），圓形度為0.90（見圖5），相關試驗結(jié)果見表5、圖6。

圖4 高品質(zhì)機制砂與河砂長徑比對比

長徑比用來表述顆粒形貌，以判斷其形狀是否接近于正方體，在針狀顆粒的判斷中具有實用價值。LW=L/W，其中，LW為長徑比；L為投影顆粒最小外接矩形的長；W為投影顆粒最小外接矩形的寬。

圖5 高品質(zhì)機制砂與河砂圓形度對比

表5 砂檢測指標對比

圖6 顆粒級配曲線對比

3 高品質(zhì)機制砂在鐵路混凝土結(jié)構(gòu)中的應用

采用該工藝生產(chǎn)的高品質(zhì)機制砂試制了6片32 m T梁和1 700根軌枕，并與河砂T梁和軌枕進行對比試驗，通過試驗檢測驗證機制砂混凝土制備梁體和軌枕的可行性，形成機制砂混凝土T梁和軌枕制備技術(shù)。

3.1 32 m C55混凝土T梁性能研究

參考梁場內(nèi)制備河砂混凝土梁體配合比等強度配制機制砂混凝土梁，相關性能見表6—表8。

3.2 Ⅲa型混凝土軌枕性能研究

參考軌枕廠內(nèi)制備河砂混凝土軌枕配合比等強度配制機制砂混凝土軌枕，相關性能見表9—表11。

表6 梁體混凝土配合比及工作性能

表7 梁體混凝土力學、耐久及收縮疲勞性能（56 d）

表8 混凝土抗凍性能（300次凍融循環(huán)）

以上試驗數(shù)據(jù)表明，高品質(zhì)機制砂混凝土與河砂混凝土性能相當，且滿足設計和標準要求，采用高品質(zhì)機制砂制備預應力混凝土是可行的。2018年9月，高性能機制砂混凝土制備與應用關鍵技術(shù)研究課題通過原中國鐵路總公司試用評審，可在新建甕馬鐵路選擇工點開展機制砂混凝土T梁和軌枕的工程試用[10]。

表9 軌枕混凝土配合比及工作性能

表10 軌枕混凝土力學、耐久及收縮疲勞性能(56 d)

表11 軌枕混凝土抗凍性能（300次凍融循環(huán)）

4 環(huán)境保護

在礦山開采方面，按照綠色礦山的建設要求做好環(huán)境保護、恢復與治理、復綠復墾、節(jié)能減排、水土保持、地質(zhì)災害預防等工作。在爆破過程中采用噴霧或水袋覆蓋的方式進行粉塵控制。在生產(chǎn)設備選型方面，選擇降噪性能優(yōu)越、產(chǎn)生粉塵少的破碎、篩分設備。在除塵工藝設計與布局方面，每個產(chǎn)生粉塵的部位均設置吸塵裝置，再采用箱式與V型除塵機進行集中除塵，半成品及成品料倉用彩鋼瓦進行全封閉隔離。廢料再利用方面，將2次脫出的泥石再進行分離，將石料進行二次加工用做路基填料及混凝土磚原料，泥單獨堆放用作后期植被恢復，以此提高材料利用率，增加經(jīng)濟效益，減少廢渣存放占用土地，減小廢渣堆載安全隱患。

5 結(jié)束語

面對天然河砂資源日漸枯竭，市場上劣質(zhì)機制砂質(zhì)量無法滿足鐵路工程高性能混凝土用砂要求的突出問題，通過“3級破碎+2次脫泥+GSP料倉級配調(diào)整+風選控粉+自動加濕”的5S生產(chǎn)工藝和動態(tài)顆粒顯微成像在線質(zhì)量檢測技術(shù)，有效解決了傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝造成的機制砂成品質(zhì)量缺陷問題，生產(chǎn)出的高品質(zhì)機制砂滿足鐵路工程質(zhì)量驗收標準要求。對高品質(zhì)機制砂與河砂制備的混凝土T梁和軌枕進行性能對比試驗，論證了采用高品質(zhì)機制砂制備鐵路T梁和軌枕的可行性，為高品質(zhì)機制砂在鐵路預應力構(gòu)件中的應用提供了技術(shù)支撐，也為川藏鐵路建設中機制砂替代河砂制備混凝土提供了技術(shù)參考。川藏鐵路沿線山高谷深，河流落差大，建筑用河砂資源匱乏，大量外運河砂成本極高，而全線隧道總長達1 400 km，巨量的隧道棄渣排放將造成極大資源浪費和生態(tài)次生災害。建議在川藏鐵路沿線選擇礦山或利用隧道棄渣就地生產(chǎn)高品質(zhì)機制砂替代短缺的河砂用于項目建設，既可大幅降低建設成本，又可減少棄渣對環(huán)境的影響，極具經(jīng)濟價值和環(huán)保意義，是西南地區(qū)社會經(jīng)濟高質(zhì)量綠色發(fā)展的重要實踐。