干法制砂質(zhì)量控制研究

劉軍偉

（中國葛洲壩集團第一工程有限公司，湖北宜昌 443002）

0 引言

砂石產(chǎn)業(yè)作為國家經(jīng)濟建設(shè)中的重要一環(huán)，具有不可替代的作用，建筑、市政、水利、交通建設(shè)等都離不開砂石。 改革開放以來，隨著我國公路、鐵路等基礎(chǔ)建設(shè)特別是水電工程建設(shè)的快速發(fā)展， 混凝土砂石骨料生產(chǎn)技術(shù)和規(guī)模也得到了迅猛發(fā)展。 隨著國家對天然砂石的限采和環(huán)境治理保護力度越來越大，以低能耗、低排放、低污染為要求的綠色發(fā)展理念正逐步推出， 砂石骨料行業(yè)作為一個高污染、 高能耗的產(chǎn)業(yè)正面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。

砂是構(gòu)成混凝土骨架體系的重要材料之一，對混凝土的工作性能、力學(xué)性能、耐久性能及長期性能起著非常重要的作用。 2017 年以來受環(huán)保壓力的影響，天然砂石開采逐漸受到限制，采用人工砂代替天然砂已成為一種趨勢。 目前市場上機制砂石的質(zhì)量并不滿足混凝土砂石骨料質(zhì)量標準，主要由以下幾點原因造成：一是制度缺失，機制砂的質(zhì)量管理與控制未引起足夠重視， 沒有生產(chǎn)控制、出廠檢驗等環(huán)節(jié)；二是商混站在選擇和采購機制砂時主要考慮的是價格，而不是品質(zhì)。

未來機制砂石市場的競爭必然是質(zhì)量的競爭，而機制砂的質(zhì)量控制又是砂石骨料生產(chǎn)的重點和難點，因此研究機制砂質(zhì)量控制很有必要。

1 工程概況

周邦砂石加工系統(tǒng)位于廣西西林縣八達鎮(zhèn)周邦村，砂石原料料場位于周邦村猴子山，料場距砂石加工系統(tǒng)公路約5 km。 周邦砂石加工系統(tǒng)向田西高速公路各主體標段供料， 系統(tǒng)生產(chǎn)能力為1 000 t/h； 砂石骨料成品料級配包括31.5～20 mm、20～10 mm、10～4.75 mm、＜4.75 mm 四種規(guī)格， 且針對＜4.75 mm 細物料進行必要的深加工處理， 使其滿足人工砂技術(shù)指標要求。 砂石骨料供應(yīng)數(shù)量約500 萬t，加工系統(tǒng)采用全干法生產(chǎn)工藝。

2 主要研究內(nèi)容

2.1 研究方向

以成品機制砂為生產(chǎn)目的，在料源、母巖特性條件確定的前提下，采用干法制砂生產(chǎn)工藝，通過選擇適宜的生產(chǎn)工藝和加工設(shè)備，對產(chǎn)出成品砂質(zhì)量指標進行調(diào)整以保證出料滿足國標2 區(qū)中砂標準和要求；結(jié)合除塵工藝選擇風選方式以提高生產(chǎn)效率而降低生產(chǎn)能耗；避免水洗生產(chǎn)中水資源的消耗、生產(chǎn)廢水凈化的難度以及水洗細砂的流失。

2.2 石屑精加工工藝研究

人工料砂石加工系統(tǒng)生產(chǎn)過程中通過多級破碎產(chǎn)出滿足需要的各級配粗骨料， 同時在各破碎環(huán)節(jié)附帶產(chǎn)出粒徑＜5 mm 的細骨料[1]；2018 年以前在天然砂市場供應(yīng)充足條件下，很多民營加工廠均將＜5 mm這部分物料作為棄料處理或用做填筑等物料使用，近些年該部分細物料被用作混凝土生產(chǎn)中細骨料進入市場充當人工砂進入混凝土拌和材料。

但根據(jù)對應(yīng)成品砂規(guī)范資料顯示， 該部分物料各項質(zhì)量技術(shù)指標均與成品砂參數(shù)偏離， 行業(yè)內(nèi)定義為“石屑”；粗加工生產(chǎn)的石屑粒形較差，細度模數(shù)偏大。 根據(jù)現(xiàn)場取樣對該部分“石屑”進行試驗數(shù)據(jù)分析， 曲線如圖1 所示， 其級配曲線偏離2 區(qū)砂下限，細度模數(shù)為3.5，不滿足國標2 區(qū)中砂的要求。

圖1 石屑篩余量曲線

為進一步提高人工砂的產(chǎn)量和質(zhì)量， 降低能耗，提出干法制砂和風選分級的工藝思路[2-4]。 結(jié)合車間封閉、除塵的負壓原理，利用高速氣流對物料進行分散和分離， 粗細顆粒在向前運行過程中，再依慣性下降， 從而可以選擇性的分離出＞5 mm、2.5～5 mm、＜2.5 mm， 細粉從上部直接排除進入石粉倉如圖2 所示。

圖2 制砂工藝流程

該工藝通過風選分級，0.075 mm 以下顆粒溢出進入石粉倉，0.075～2.5 mm 粒級物料直接進入成品倉，2.5～5 mm 粒級物料進入整形制砂車間破碎，考慮2.5～5 mm 粒級物料顆粒粒徑較小，直接破碎沖擊效果較差、棒磨能耗及資源消耗過量等，對該部分物料采用如輥磨、研磨、柱碎等方式以實現(xiàn)對該部分的再細碎和整形過程，并抑制粉料的產(chǎn)生、同時盡量降低過流從而控制能耗。 該工藝通過風選的方式分離出0.075～2.5 mm 粒級物料，＞2.5 mm 物料又進入立沖整形車間破碎，＜0.075 mm 顆粒從頂部溢出，有效解決石屑“中間少，兩頭多”的問題。

對“石屑”按照上述工藝進行加工，通過理論推算和借助立沖再破碎工藝（條件限制）進行試驗，其產(chǎn)出物料中成品砂品質(zhì)得到了很好的改善，產(chǎn)出物料細度模數(shù)為2.8， 各項參數(shù)均滿足規(guī)范規(guī)定的2區(qū)中砂品質(zhì)要求，其曲線顯示如圖3 所示。

圖3 成品砂篩余量曲線

2.3 石屑與瓜米石摻配制砂工藝

結(jié)合目前該行業(yè)現(xiàn)狀及市場銷售、混凝土配合比中各級配物料比例關(guān)系、砂石加工系統(tǒng)生產(chǎn)工藝及設(shè)備的破碎特性等綜合因素；5～10 mm 的瓜米石使用量相對較小、加工生產(chǎn)過程中產(chǎn)出量雖然較小但產(chǎn)出量仍大于了混凝土配合比中需求量，因此出現(xiàn)了該粒徑區(qū)間的瓜米石“過?！爆F(xiàn)象；為達到成品料產(chǎn)出的平衡，并考慮加工系統(tǒng)破碎和生產(chǎn)因素以及混凝土拌制過程中細骨料需求量相對較高的特點，通常將瓜米石通過制砂系統(tǒng)生產(chǎn)為機制砂。

由于2.5～5 mm 粒級物料顆粒粒徑較小，且在提高機制砂產(chǎn)量的條件下，在破碎機破碎腔內(nèi)動能較小，破碎效果差，因此補充一部分5～10 mm 物料與＜5 mm 粒徑以下物料進行制砂的效果均優(yōu)于單純用碎石制砂的效果、產(chǎn)量及能耗等經(jīng)濟性。

但對5～10 mm 物料的補充量與制砂環(huán)節(jié)的生產(chǎn)經(jīng)濟性有一定的關(guān)聯(lián)； 補充過多或過少都會影響成品的產(chǎn)量，因此在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，選擇合適的摻兌比例是本次研究的重點。

生產(chǎn)現(xiàn)場采用立軸破結(jié)合風選的工藝對 “石屑”+“5～10 mm” 摻兌后作為制砂原材料進行了生產(chǎn)性試驗； 其試驗按照生產(chǎn)能力為200 t/h 為基礎(chǔ)開展，通過現(xiàn)場試驗測試，石屑（0～5 mm）與瓜米石（5～10 mm）摻配的最優(yōu)比例為7∶3，其生產(chǎn)工藝的成品砂產(chǎn)出量最高，接近200 t/h；且該狀態(tài)下成品砂品質(zhì)滿足2 區(qū)中砂的標準要求。

生產(chǎn)能力與摻兌比例之間關(guān)系如圖4 所示。產(chǎn)出成品砂細度模數(shù)為2.6， 各項指標均滿足2區(qū)中砂要求，其石粉含量試驗結(jié)果平均值為6.6%。

圖4 石屑占比與成品產(chǎn)能關(guān)系曲線

2.4 機制砂的級配、細度模數(shù)與石粉含量的控制

機制砂的級配和針片狀含量關(guān)系到機制砂混凝土拌和物的工作性能。 傳統(tǒng)機制砂2.5～5 mm 及0.075 mm 以下的顆粒較多，其中間顆粒較少，導(dǎo)致顆粒級配不連續(xù)，細度模數(shù)較大，不滿足標準規(guī)范中砂的級配要求，配制的混凝土易出現(xiàn)泌水泌漿，漏石嚴重，保水性、和易性較差。 0.075 mm 以下細顆粉偏多，導(dǎo)致集料比表面積增大，相同膠凝材料用量的情況下混凝土強度較低。因此控制機制砂的級配、細度模數(shù)與石粉含量是機制砂質(zhì)量控制的重點。

在本工藝中， 通過風選的方式分離出0.075～2.5 mm 粒級物料，＞2.5 mm 物料以及＜0.075 mm 的物料， 通過調(diào)整風力大小的方式精準控制砂的石粉含量，同時在篩分車間分離部分＞2.5 mm 的物料來調(diào)整砂的級配和細度模數(shù)， 經(jīng)調(diào)整后的機制砂級配曲線見圖5，該物料細度模數(shù)為2.9，滿足2 區(qū)中砂的要求。

圖5 機制砂級配曲線（周邦項目）

2.5 細骨料防離析措施

采用干法制砂工藝后由于成品砂進入堆場時輸送膠帶機落料點與地面之間高差較大； 直接落料會產(chǎn)生較大的揚塵， 同時在風力和重力的作用下，進入堆場成品砂均呈現(xiàn)順出料皮帶機方向大粒徑物料占比大，而逆出料方向小粒徑物料占比大，且在料堆表面形成明顯的離析分布。

為防止干物料在下落的過程中發(fā)生離析以及產(chǎn)生揚塵，在末端設(shè)置濕拌器，使物料達到飽和面干的狀態(tài)，保證物料成分均勻。

3 結(jié)論

（1）對照水洗工藝，其細砂流失量約占成品砂總量的10%，反推資源利用率約為95%；如采用干法風選制砂工藝，在加工系統(tǒng)中僅需考慮產(chǎn)出石粉的損耗，資源利用率不低于97%；相對減小資源損耗率2%。 采用干法制砂不僅節(jié)約了水資源，還節(jié)約了礦產(chǎn)資源。

（2）通過用風選分級替代洗選分級，通過風力大小控制成品砂細度模數(shù)、石粉含量節(jié)約能耗，有效解決石屑“中間少，兩頭多”的問題，將石屑高效益地制備成優(yōu)質(zhì)機制砂，為機制砂生產(chǎn)提供了新思路。