工程棄渣綠色制備高品質(zhì)機(jī)制砂成套技術(shù)

沈玉，巨高權(quán)

（中交二公局第三工程有限公司，陜西 西安 710016）

0 前言

近兩年國家健全環(huán)保執(zhí)法機(jī)制，加大監(jiān)管力度，為保護(hù)生態(tài)環(huán)境，全面禁止河道采砂，嚴(yán)打非法采砂、堆砂、洗砂行為。在中央及各級政府部門的高度重視下，全國各地區(qū)“整砂行動”陸續(xù)開展，國內(nèi)河砂價格屢創(chuàng)新高，且持續(xù)暴漲，2017 年至 2018 年，河砂價格瘋漲，即使高價之下，汛期仍然“一砂難求”，有錢也買不到，嚴(yán)重制約工程進(jìn)度。砂石材料的稀缺也進(jìn)一步導(dǎo)致價格的高漲，從 2013 年每噸 30～40 元上漲到目前每噸近 200 元。稀缺的砂石資源、暴漲的砂石價格，導(dǎo)致重點建設(shè)工程項目成本上升，中標(biāo)項目的施工企業(yè)處于虧本的境地，面臨巨大的經(jīng)營壓力。

各地區(qū)機(jī)制砂制作工藝的差異、生產(chǎn)工藝及流程控制不嚴(yán)，導(dǎo)致機(jī)制砂合格率低下，市場上的石料場生產(chǎn)的機(jī)制砂普遍存在級配不良、細(xì)度模數(shù)和石粉含量超標(biāo)等問題，無法滿足高速公路混凝土用砂標(biāo)準(zhǔn)。這些因素都要求項目須充分利用隧道洞渣、路基石方爆破洞渣開展材料的自加工，以保證項目砂石等地方材料的供應(yīng)，又達(dá)到材料成本可控的目的。

本研究結(jié)合施工項目自身特色，充分利用隧道洞渣、路基石方爆破洞渣等工程棄渣，通過對機(jī)制砂生產(chǎn)工藝的研究，形成全新的高品質(zhì)機(jī)制砂生產(chǎn)工藝成套技術(shù)，使機(jī)制砂各項指標(biāo)滿足規(guī)范要求，并成功應(yīng)用于項目施工，為減少河砂開采、保護(hù)環(huán)境、節(jié)約造價和建設(shè)優(yōu)質(zhì)工程提供技術(shù)保障。

1 工藝原理及流程

1.1 工藝原理

充分利用隧道工程、路基石方工程的洞渣，通過頭破進(jìn)入圓錐破，經(jīng)圓錐破破型后進(jìn)入整形機(jī)；通過整形機(jī)夾板及碎石間互相擠壓碰撞實現(xiàn)粒徑規(guī)則，增加機(jī)制砂細(xì)料含量；再經(jīng)過水洗篩分，小于 4.75mm 的細(xì)料進(jìn)入機(jī)制砂螺旋水洗機(jī)進(jìn)行沖洗及細(xì)料回收、振篩過濾，實現(xiàn)機(jī)制砂的細(xì)度模數(shù)、級配、石粉含量以及潔凈度的質(zhì)量指標(biāo)合格；沖洗機(jī)制砂產(chǎn)生的泥漿進(jìn)行發(fā)酵、壓濾處理，形成泥餅；對壓濾后的污水進(jìn)行沉淀、澄清，最終實現(xiàn)機(jī)制砂的質(zhì)量目標(biāo)以及環(huán)保目標(biāo)。高品質(zhì)機(jī)制砂生產(chǎn)工藝原理及生產(chǎn)線布設(shè)如圖 1。

圖 1 高品質(zhì)機(jī)制砂生產(chǎn)工藝原理及生產(chǎn)線布設(shè)

1.2 工程棄渣綠色制備高品質(zhì)機(jī)制砂生產(chǎn)工藝流程

見圖 2。

圖 2 高品質(zhì)機(jī)制砂生產(chǎn)工藝流程圖

2 操作要點

2.1 施工準(zhǔn)備

（1）場地選址。選址要設(shè)置在場地較空曠處，面積 8000m2以上，地理位置相對較高處，周邊不容易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害處，電力方便且能夠取到水源，若無現(xiàn)成的溝渠取水，可以進(jìn)行打井蓄水。

（2）設(shè)備安裝。安裝生產(chǎn)需要配備的設(shè)備，并進(jìn)行調(diào)試，設(shè)備之間要有足夠的骨料生產(chǎn)堆放空間、材料裝運(yùn)空間及其他機(jī)械設(shè)備迂回行駛空間。

2.2 生產(chǎn)過程

（1）洞渣由裝載機(jī)緩慢推進(jìn)入口處，進(jìn)入頭破工序進(jìn)行鄂式破碎，對塊石進(jìn)行粒徑分解，由塊石變成片石，由片石變成石渣。在喂料口設(shè)置緩沖輪胎，用于控制喂料速度（圖 3）。鄂式破碎機(jī)一側(cè)為固定板，另一側(cè)為活動板，對塊石進(jìn)行沖擊夾破（圖 4）。

鄂式破碎機(jī)內(nèi)部的構(gòu)造見圖 5。

圖 5 鄂式破碎機(jī)內(nèi)部構(gòu)造

（2）鄂式破碎后的石渣進(jìn)入圓錐破進(jìn)行二次破碎，使石渣粒徑進(jìn)一步細(xì)碎并產(chǎn)生 4.75mm 以下的細(xì)料。圓錐式破碎機(jī)的外觀和內(nèi)部構(gòu)造見圖 6、7。

圖 6 圓錐破

圖 7 圓錐式破碎機(jī)內(nèi)部構(gòu)造

（3）圓錐二次破碎后的石渣經(jīng)過初篩（圖 8），粒徑大于 34mm 的碎石返回圓錐破進(jìn)行第三次破碎（圖9），使碎石粒徑小于 34mm，并產(chǎn)生 4.75mm 以下的細(xì)料。

圖 8 初篩

圖 9 大于 34mm 粒徑返回圓錐破

（4）初篩后小于 34mm 的碎石輸送到整形機(jī)進(jìn)行整形（圖 10），物料由機(jī)器上部垂直落入高速旋轉(zhuǎn)的葉輪內(nèi)，在高速離心力的作用下，與另一部分以傘狀形式分流在葉輪四周的物料產(chǎn)生高速撞擊破碎，物料在相互撞擊后，又會在葉輪和機(jī)殼之間以物料形成渦流多次的互相撞擊、摩擦而粉碎，從下部直通排出，使碎石粒徑規(guī)則，減少碎石針片狀含量，提高碎石的抗壓碎能力；同時產(chǎn)生大量粒徑規(guī)則的 4.75mm 以下的細(xì)集料，用于制造機(jī)制砂；與圓錐破相比，整形機(jī)整形后的機(jī)制砂級配更加良好，細(xì)度模數(shù)達(dá) 2.8～3.0 左右。在皮帶輪下方設(shè)置細(xì)料回收刮板，增加機(jī)制砂產(chǎn)量及細(xì)料含量，減少抖落在地上的污染。圖 11 為整形機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖 10 整形機(jī)整形、制砂

圖 11 整形機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

（5）整形后的碎石進(jìn)行第二次篩分并水洗（圖12），根據(jù)預(yù)定的規(guī)格生產(chǎn)出 5～10mm 碎石、10～20mm 碎石、10～30mm 碎石（圖 13），對小于4.75mm 以下的細(xì)集料用于生產(chǎn)機(jī)制砂。

（6）對 4.75mm 以下細(xì)集料進(jìn)行二次螺旋水洗（圖 14），沖洗水管順著螺旋水洗機(jī)由低到高一字排開，共設(shè) 15 個水龍頭，水龍頭開放個數(shù)可以有效調(diào)控機(jī)制砂的石粉含量；在泥漿池中設(shè)置兩臺泥漿泵，開動泥漿泵，對泥漿池中 0.075～0.6mm 的粉料進(jìn)行循環(huán)回收，與前序機(jī)制砂一起循環(huán)沖洗，再經(jīng)過機(jī)制砂振濾機(jī)（圖 15）濾水后生產(chǎn)出機(jī)制砂。振濾機(jī)采用 80 目篩網(wǎng)，篩網(wǎng)尺寸不宜大，大了將導(dǎo)致機(jī)制砂細(xì)料少，細(xì)度模數(shù)變粗；篩網(wǎng)尺寸也不宜太小，小了容易導(dǎo)致石粉含量超標(biāo)。

圖 12 整形后水洗篩分

圖 13 篩分出三檔碎石

圖 14 螺旋式機(jī)制砂水洗機(jī)

圖 15 機(jī)制砂水份振濾機(jī)

（7）采用三個 80t 水泥罐作為泥漿發(fā)酵罐、污水沉淀罐、凈水循環(huán)罐，通過在發(fā)酵罐內(nèi)添加聚氯化鋁與絮凝劑等化學(xué)試劑，對泥漿發(fā)酵，而后泥漿進(jìn)入壓濾機(jī)（圖 16）進(jìn)行壓濾處理，形成泥餅后轉(zhuǎn)運(yùn)；將壓濾后的污水抽至沉淀罐進(jìn)污水沉淀，下部沉淀后的泥漿進(jìn)行壓濾（圖 17），上部澄清的水流入凈水罐，凈水罐內(nèi)的水循環(huán)用于機(jī)制砂沖洗，實現(xiàn)污水零排放。

圖 16 泥漿壓濾設(shè)備

圖 17 壓濾后的泥漿

3 原材料與設(shè)備

3.1 原材料

用于生產(chǎn)機(jī)制砂的原材料為隧道洞渣或者路基石方爆破洞渣，要求母巖抗壓強(qiáng)度及堿活性反應(yīng)滿足：I 類不宜小于 80MPa，母巖應(yīng)不具有堿活性反應(yīng)；Ⅱ類不宜小于 60MPa，Ⅲ 類不宜小于 30MPa，母巖若含有堿—硅酸反應(yīng)活性礦物且具有堿活性反應(yīng)性，應(yīng)根據(jù)使用要求進(jìn)行堿集料反應(yīng)試驗；不宜使用具有堿—碳酸鹽反應(yīng)活性的巖石制作機(jī)制砂。

3.2 設(shè)備配置

工程棄渣綠色制備高品質(zhì)機(jī)制砂生產(chǎn)工藝機(jī)械設(shè)備見表 1。

表 1 機(jī)械設(shè)備配置表

4 質(zhì)量控制

4.1 質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)

（1）巖石母材抗壓強(qiáng)度應(yīng)滿足 JT/T 819—2011《公路工程水泥混凝土用機(jī)制砂》標(biāo)準(zhǔn)中第 5.1.1 條款要求以及 JTG/TF 50—2011《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)范第 6.4.1 條款要求。

（2）機(jī)制砂各項指標(biāo)應(yīng)滿足 JT/T 819—2011《公路工程水泥混凝土用機(jī)制砂》標(biāo)準(zhǔn)要求，其中石粉含量、吸水率應(yīng)滿足 GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）根據(jù)規(guī)范要求的試驗檢測頻率，對生產(chǎn)的機(jī)制砂進(jìn)行抽樣檢測，檢測結(jié)果均符合上述質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，可用于各強(qiáng)度等級的混凝土工程。

4.2 質(zhì)量保證措施

（1）生產(chǎn)前由生產(chǎn)隊長組織工人對工藝流程進(jìn)行生產(chǎn)技術(shù)交底，明確機(jī)制砂生產(chǎn)質(zhì)量控制要點。

（2）生產(chǎn)全過程由生產(chǎn)隊長進(jìn)行管控，以確保生產(chǎn)的機(jī)制砂質(zhì)量滿足規(guī)范要求，落實過程控制。

（3）對成品機(jī)制砂進(jìn)行檢測，包括破碎場自檢與試驗室抽檢，特別是對關(guān)鍵指標(biāo)，如細(xì)度模數(shù)、級配、石粉含量及亞甲藍(lán) MB 值加大抽檢頻率，針對檢測出的不合格指標(biāo)及時調(diào)整生產(chǎn)過程中影響質(zhì)量的環(huán)節(jié)，使最終檢測結(jié)果符合規(guī)范要求。

5 技術(shù)優(yōu)勢

（1） 機(jī)制砂生產(chǎn)線技術(shù)改進(jìn)。改進(jìn)常規(guī)的生產(chǎn)線布置，由顎式破碎機(jī)（頭破）—圓錐破碎機(jī)（二破）—振動篩（初篩）—整形機(jī)（細(xì)碎、制砂）—振動篩（水洗篩分）—螺旋式機(jī)制砂水洗機(jī)—機(jī)制砂濾水機(jī)—泥漿壓濾機(jī)—污水處理系統(tǒng)組成。

（2）機(jī)制砂各項指標(biāo)均在可控范圍。使用該工法生產(chǎn)出來的高品質(zhì)機(jī)制砂有以下優(yōu)點：粒徑規(guī)則，級配良好，細(xì)度模數(shù) 2.8～3.0 達(dá)中砂水平，石粉含量 3%～5%，亞甲藍(lán)指標(biāo)小于 1.4，其余指標(biāo)均符合規(guī)范要求。

（3）機(jī)制砂含水率得到有效控制。采用普通工藝生產(chǎn)出來的機(jī)制砂含水率高達(dá) 17%～20%，采用本工藝生產(chǎn)的機(jī)制砂含水率達(dá) 10% 左右，可有效地控制其含水率，使生產(chǎn)出的混凝土質(zhì)量得到較好的控制。

（4）降塵除塵效果明顯。采用全過程水洗機(jī)制砂工藝，在各個環(huán)節(jié)均實現(xiàn)無塵生產(chǎn)，降低對周邊環(huán)境的粉塵污染。

（5）水洗后產(chǎn)生的泥漿零排放。通過壓濾設(shè)備對泥漿進(jìn)行發(fā)酵、脫水并壓制成泥塊處理，實現(xiàn)特定區(qū)域的泥漿零排放。

（6）實現(xiàn)污水零排放。通過添加試劑，對壓濾后的污水進(jìn)行沉淀、澄清，澄清后的水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，循環(huán)用于進(jìn)行沖洗機(jī)制砂、碎石，可有效地節(jié)約水資源，并對周邊水資源環(huán)境形成保護(hù)。

（7）可減少后期的污染治理。采用該工藝生產(chǎn)機(jī)制砂，可減少工程結(jié)束后期治理，實現(xiàn)環(huán)保目標(biāo)。

（8）自生產(chǎn)機(jī)制砂質(zhì)量可控，不受外界因素干擾。自產(chǎn)機(jī)制砂與外購相比，能夠更加有效地管控產(chǎn)品質(zhì)量，項目部對機(jī)制砂支配有自主權(quán)，減少對當(dāng)?shù)氐夭氖袌龅囊蕾?，為現(xiàn)場混凝土順利施工提供保障。

（9）適用于隧道工程、路基石方工程的洞渣消耗及碎石、機(jī)制砂生產(chǎn)，本技術(shù)實用性強(qiáng)，在環(huán)境保護(hù)區(qū)域與自然區(qū)域均適用。當(dāng)河砂資源嚴(yán)重匱乏、水資源使用受限制時采用本技術(shù)經(jīng)濟(jì)性最佳。

6 經(jīng)濟(jì)效益分析

項目自產(chǎn)機(jī)制砂用于水泥混凝土施工，普通混凝土本次暫不統(tǒng)計在內(nèi)，僅統(tǒng)計在預(yù)應(yīng)力混凝土中使用量，預(yù)應(yīng)力混凝土有 96870m3，其中預(yù)應(yīng)力高性能海工混凝土共有 37694m3，根據(jù)施工配合比計算，預(yù)應(yīng)力混凝土需要砂用量約 68777t。

自產(chǎn)機(jī)制砂、外購機(jī)制砂、外購河砂綜合成本計算見表 2。

通過對自產(chǎn)機(jī)制砂、外購機(jī)制砂、外購河砂之間發(fā)生的成本進(jìn)行計算分析，自產(chǎn)機(jī)制砂產(chǎn)生的效益見表3。

表 2 自產(chǎn)機(jī)制砂、外購機(jī)制砂、外購河砂綜合成本計算表

表 3 自產(chǎn)機(jī)制砂效益計算表

綜上所述，本研究成果的機(jī)制砂直接替代河砂用于預(yù)應(yīng)力混凝土，通過試驗室配合比數(shù)據(jù)統(tǒng)計，機(jī)制砂等量替換河砂使用，其他材料用量一致，混凝土各項指標(biāo)均滿足配合比設(shè)計及規(guī)范要求。自產(chǎn)機(jī)制砂折算綜合成本后，單價較低，與外購河砂相比節(jié)約 432.6 萬元；與外購機(jī)制砂相比節(jié)約178.1萬元。外購機(jī)制砂與河砂相比可節(jié)約 254.5 萬元。由此可見，本研究成果取得的經(jīng)濟(jì)效果可觀。

7 結(jié)語

隧道及路基爆破洞渣常規(guī)處理方法是：征地棄方或經(jīng)破碎后用于工程建設(shè)。前者會造成大量土地資源浪費，后者則帶來粉塵污染。即便后者對破碎設(shè)備加裝水洗系統(tǒng)，泥漿一般也會直接排入河道，形成堵塞和水資源污染，后期不得不進(jìn)行費用昂貴的治理，得不償失。這些方法對環(huán)境帶來巨大影響，且先污染后治理的做法，違背了可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。

工程棄渣綠色制備高品質(zhì)機(jī)制砂成套技術(shù)，減少了隧道洞渣棄方，減少棄渣場征地，生產(chǎn)出來的機(jī)制砂取代河砂應(yīng)用于各強(qiáng)度等級混凝土中，克服了項目生產(chǎn)過程中河砂資源短缺的困難，機(jī)制砂完全等量取代了河砂，且混凝土中其他材料用量與河砂配合比一致，減少了河砂資源的開采，節(jié)約了混凝土成本，解決了洞渣破碎帶來的粉塵污染和水洗帶來的水污染難題，保護(hù)了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。

在洞渣破碎環(huán)節(jié)中，采用工程棄渣綠色制備高品質(zhì)機(jī)制砂成套技術(shù)，帶來一系列的社會效益，降低了生產(chǎn)過程中的粉塵污染，對景區(qū)和周邊環(huán)境影響降到最低程度；水洗篩分產(chǎn)生的泥漿通過壓濾凈化系統(tǒng)，將泥漿與水干濕分離，泥漿壓濾成餅塊狀運(yùn)輸至場外集中存放，污水經(jīng)高效聚氯化鋁澄清濾凈沉淀，現(xiàn)場取樣檢驗達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，可確保水資源不受污染；同時澄清濾凈處理后的水再用于機(jī)制砂生產(chǎn)循環(huán)使用，有效減少水污染和節(jié)約水資源。