機制砂生產技術與質量控制

陳貴春

摘?要：針對天然砂資源逐步減少，品質日益下降以及限采等現實情況，推行淘汰天然砂使用機制砂已經是一種必然趨勢。在發展過程中，主要使用的制砂方式為棒磨機、立軸式沖擊破碎機、立軸式沖擊破碎機與棒磨機聯合，兩級立軸式沖擊破碎機以及最近使用的塔式制砂樓系統制砂等。

關鍵詞：機制砂;濕法;干法;細度模數;石粉含量

1?前言

砂石骨料是水電、建筑、道路、橋梁等工程建設不可或缺、不可替代的基礎材料，據不完全統計我國每年砂石骨料需求量約200億噸，占世界第一，隨著基本建設的日益發展和天然砂資源的不斷開采，天然砂資源作為一種短時間內不可再生、區域分布很不均的地方資源已近枯竭，且品質日益下降，顆粒級配也不合理。另外，出于防洪和資源的保護的考慮，國家已明文限制或禁止一些河段天然砂的采掘，進一步減少了天然砂的來源，使得天然砂資源日漸緊缺，價格不斷上漲，砂石供需矛盾日益突出，影響了工程建設的進展。因此用資源更豐富、質量更優良的機制砂替代天然砂已是大勢所趨，機制砂生產工藝和合理的設備選型也得到了砂石骨料業界內外前所未有的關注。

2?機制砂發展歷程

在上個世紀60年代的時候，歐美和日本等發達國家就已經能夠利用自己先進的工業技術，用機制砂代替天然砂混凝土，應用在實際的建筑工程中，形成了完善的機制砂材料、試驗、應用的標準和規范。

我們國家當前仍然比較依賴天然砂的使用，機制砂技術和設備的研究起步較晚，發展緩慢。

當下，機制砂的生產和使用只有水電行業比較熟練，以水電為例，我國機制砂生產線技術的發展大致可分為三個階段：摸索階段、成熟階段和不斷創新廣泛應用階段。

3?機制砂生產工藝

干法制砂和濕法制砂是機制砂的兩種主要生產工藝。從上個世紀60年代以來我國主要使用的制砂方式為棒磨機制砂、立軸破碎機制砂、立軸破碎機與棒磨機聯合制砂，兩級立軸破碎機制砂以及最近開始應用的塔式制砂樓系統等。其中干法制砂適合使用塔式制砂樓系統和立軸破碎機;濕法制砂適合使用棒磨機制砂。

3.1 濕法制砂工藝

3.1.1 棒磨機制砂

我們經常見到的濕法制砂設備就是臥式放置的棒磨機，主要由進料部、筒體部、出料部等工作部分，以及軸承部、傳動部、基礎部等組成。在筒體回轉的過程中，筒體當中的鋼棒會受到離心力和摩擦力的作用，伴隨著筒體回轉逐漸升高，在最高點時以線速度勻速拋落，于是對筒內制砂原料產生沖擊、磨削和擠壓，使其粉碎。

典型工藝流程：制砂原料（進料粒徑一般3～25mm）從棒磨機一端進入，磨細的產品借助連續給入原料的推力、水力從另一端排出機外。使用螺旋分級機，將排出的產品分成污水污泥和機制砂，污水污泥一般情況下會自流到沉砂池或者旋轉式分級機，將流失的細砂重新回收。使用濕法制砂，一般情況下都會配有凈化處理污水污泥的設備。

優點：機制砂粒形較好，顆粒級配優良，可以調整細度模數，能夠合理控制石粉的含量，生產穩定。如MBZ2136棒磨機產量為一般為28-40t/h。缺點：①設備的配套設施比較復雜，基礎較大，在使用過程中需要有污水處理設施來輔助，生產場地需求較大;②耗水量大，每生產lt機制砂需用水約1～1.5t，此外細砂會流失30～35%之間，十分嚴重;③進料粒徑一般在25mm以下，并且產量也不是很高，在運行的過程中，會對鋼棒造成很大的損耗。三峽下岸溪生產機制砂的過程中，就會使用棒磨機制砂，單機平均產砂量約25～35t/h，鋼棒消耗量約0.5～0.9kg/t。

3.1.2 立軸式沖擊破碎機與棒磨機聯合制砂：

基于提升立軸沖擊式破碎機制砂的產品質量，解決中徑含量較少等問題，使用棒磨機和立軸式沖擊破碎機兩種工藝一同制砂。

典型工藝流程：立軸沖擊式破碎機將石料破碎，然后使用篩分機進行分級，將小于3mm的石粉混合進入成品倉;在3～5mm之間的石料投入棒磨機進行再次破碎，進行分級，與3mm以下的石粉混合;大于5mm的石料重新返回轉料倉。

優點：這種工藝制作出來的機制砂質量上乘、粒型也不錯。將棒磨機和立軸沖擊式破碎機的優點結合在一起，擺脫了兩種工藝缺點的限制，讓中徑含量顯著提升，石粉流失問題也能得到根本性解決。缺點：①棒磨機的不足之處仍然沒有實現根本性解決;②整個工作流程中需要使用多種設備，比較復雜。

3.2 干法制砂工藝

3.2.1 立軸沖擊式破碎機制砂

新一代以“石打石”為代表的制砂設備，讓人工砂生產技術實現了突破。立軸式沖擊破碎機基本原理：利用高速自旋轉子將物料加速，從通道拋射腔口射出與破碎腔進行撞擊，使物料受沖擊產生破碎。在立軸式沖擊破碎機的物料破碎方式上可分為兩類：“石打鐵”型立軸式沖擊破碎機和我們前面提到的“石打石”立軸式沖擊破碎機，石打鐵破碎腔制砂時，轉子總成的線速度最好在65-76m/s，這時制砂較好，如選用石打石破碎腔制砂時，轉子線速度可選在68-80m/s，雖然制砂效率稍遜石打鐵型，但砂石粒型較好。

典型工藝流程：進料-破碎-篩分-返回（或進料倉），即制砂原料（進料粒徑一般5～40mm）供給立軸式沖擊破碎機進行破碎，然后從排料斗排出后通過輸送系統進入篩分分級設備，其中篩出的大于5mm的碎石和部分3-5mm的粗砂返回立軸式沖擊破碎機再次破碎加工，部分3-5mm的粗砂和小于3mm的細砂進入成品砂倉。

優點：單位能耗低。缺點：①3-5mm粗砂反復循環破碎，破碎效果差，能量損耗略偏大;②機制砂級配不合理，粗顆粒多細顆粒少，2.5～1.25mm、1.25～0.63mm粒徑的顆粒偏少，即“兩頭大，中間小”;③砂細度模數控制難，如采用干法生產，石粉含量普遍偏高。

為降低石粉含量、降低制砂機工作損耗、縮減工藝流程，降低設備破碎壁、調整進料粒徑不失為一種有效的方式。

3.2.2 常速與高速立軸式沖擊破碎機聯合制砂

典型工藝流程：進料-常速立軸式沖擊破碎機破碎-篩分-返回常速立軸式沖擊破碎機破碎（大于5mm的碎石）+高速立軸式沖擊破碎機破碎（部分3～5mm的粗砂）-進料倉，即制砂原料（進料粒徑一般5～40mm）供給常速立軸式沖擊破碎機（V=50～70m/s）進行破碎，然后從排料斗排出后通過輸送系統進入篩分分級設備，其中篩出的大于5mm的碎石全部返回常速立軸式沖擊破碎機再次破碎加工，部分3-5mm的粗砂過輸送系統進入高速立軸式沖擊破碎機（V>75m/s）進行整形，經整形的機制砂和篩分出的小于3mm的細砂混合進入成品倉。

優點：在保證優質砂的前提下，解決了棒磨機制砂運行成本高，產能低等問題。缺點：流程復雜。

3.2.3 塔式制砂樓系統制砂

目前塔式制砂樓系統被譽為頂級制砂技術的代表，最高等級的機制砂制造設備。該樓采用全封閉式輸送、生產，及負壓除塵設計，以制砂機和空氣篩為核心的生產裝備，并由給料機、除塵器、調控板、鼓風機、回收過濾器五個部分組成的閉環控制系統。

典型工藝流程：制砂原料（粒徑20或30mm以下）使用底層制砂機深度破碎原料，接下來使用斗提機，將破碎后的原料砂石提升到頂層的擴散機上，最總使用空氣振動篩、級配調整機以及拌濕機，共同制作出精品機制砂和石粉，將傳統機制砂細度模數不合格、級配差和石粉含量不好控制等問題從根本上解決，對工程質量也有著明顯的提升。

制砂樓的優勢：1）噪音低、無排放。由于制砂樓采用全封閉結構，完全與外界隔絕，具有防塵、隔絕噪音的優勢;2）分離合格砂與石粉。制砂樓采用空氣篩，比一般制砂生產線的分級精度更細、更準確，并可以使機器進行調控，然后進行級配調整;3）返回式閉路系統。有了這個系統可以使制砂樓通過加水混合機根據需要，設置產品的含水率，提高機制砂的粒型和大小。

4?機制砂質量控制

不管使用哪種方法，干法制砂或者濕法制砂，要保障細度模數和粒度特性，還需要將產品中多余的石粉和泥土去除掉，讓成品砂含水率更加穩定。

4.1 原料質量控制

在勘探設計階段選定滿足要求的礦山，母巖強度高（火成巖>80MPa;變質巖>60MPa;水成巖>30Mpa），質地堅硬，無潛在堿活性危害。但實際開采過程中，往往會發生與勘探結論不完全一致的情況，如出現意外的斷層帶、嚴重夾帶碎屑和泥塊、溶蝕、溶溝充泥增加、出現較多的軟弱帶或其他不良的地質現象，遇到這種情況，就需采取必要的質量控制手段，對加工原料進行控制。

4.1.1 原石在取料中的軟弱顆?？刂?/p>

一般來說，內部混凝土的軟弱顆粒含量不能夠超過15%，對于有抗磨要求和對外的混凝土也不能超過5%。對于混凝土來說，過多的軟弱顆粒會影響強度和穩定性，需剔除軟弱顆粒。通常在料源開采源頭采用肉眼分析判斷，在開采過程中進行剔除，或在砂石料生產線粗碎環節設置棄料篩分車間，篩出軟弱顆粒作為棄料棄出。

4.1.2 無用層與有用層的分界線開采

之所以進行無用層和有用層的分界線開采，目的就是避免無用層混入有用層，一般來說，無用層和有用層的分界線是弱風化帶下部，作為棄料，礦山無用層往往先采用玻璃無用層，然后對有用巖石進行開采的步驟。

4.1.3 夾層中開采

在實際的開采過程中我們發現，一旦巖層出現了夾層，地質人員就必須分析判斷夾層的狀態，分析夾層石料會不會影響混凝土質量，做出相應的決策，一般如夾層規模較小，不含有害物質時就可開采使用，如夾層規模較大，而且夾層中存在有害物質或者其他難以辨別的物質，應能剔除或舍棄。

4.2 生產過程質量控制

機制砂的質量控制主要重點是石粉含量、細度模數、含水率等。

4.2.1 石粉含量控制

在機制砂的生產過程中，石粉含量是一個十分重要的質量指標。干法制砂生產的機制砂石粉含量往往更高，質量一般都能滿足或者高于標準，這時應考慮選用選粉設備如選粉機分離多余石粉或部分濕式生產，洗去部分石粉，從而滿足標準要求。

機制砂石粉的流失在濕法制砂過程中更加明顯，想要滿足石粉含量的基本要求，都需要將石粉回收。在回收石粉的過程中，也有著人工和機械兩種方式，機械回收是設計出石粉回收車間，也就是將制砂車間和篩分車間螺旋分級機溢流水中帶走的石粉，借由刮砂機、黑旋風等設備進行回收，再回收利用。人工回收方式：也就是將洗砂機排放的西流水自然存放脫水，脫水后的細砂摻配到機制砂中。

4.2.2 細度模數控制

細度模數是機制砂質量控制的重點和難點，主要控制手段是依靠棒磨機、粗砂整形和細砂回收工藝進行調節，以及檢查篩分機有效篩面面積與控制篩孔尺寸。

在濕法制砂過程中，棒磨機制砂是常用的方式，對機制砂細度模數的控制，是由棒磨機和細砂回收工藝決定的。干式生產時，一般配置立軸沖擊式破碎機制砂。在機制砂質量控制中，能夠解決多級破碎后粗砂和立軸破碎制砂細度模數偏大的問題，在工藝上將篩分出的3～5mm的粗顆粒返回立軸沖擊式破碎機再次加工破碎，讓細度能夠得到明顯的把控。此外，對<0.16mm（或0.15mm）細顆粒含量進行重點關注，控制好機制砂細度模數。

針對控制機制砂細度模數的目的，經常會使用以下幾種措施：①借助取樣測試砂的細度模數，保證細度模數在合理的范圍內;②一旦出現細度模數過大的現象，就可以通過棒磨機的生產線來調整進料顆粒徑、量和裝棒量等，調整生產量;配備高速立軸破碎機的生產線可進行粗砂整形和再破碎，對砂的級配組成和細度模數進行合理調整;③對篩分機的篩網孔徑進行合理調整，也可以通過顆粒級配和細度模數進行調整。

4.2.3 含水率的控制

采用濕式制砂時，機制砂脫水是生產質量控制的難題。為了讓機制砂的含水率得到有效控制，當前主要是使用自然脫水和機械脫水兩種形式。在實際應用中主要有以下方式：①首先，使用機械將機制砂中的大多數水分脫離，一般會使用振動篩脫水技術，這樣的方式能夠將含水率從20～23%降低到14～17%，另外也可采用真空脫水或離心脫水，脫水效果好，但投資費用較高。②將機制砂堆存脫水、下料和取料等各個環節區分開來，一般來說，堆存脫水三到五天之后就能夠將含水率穩定到6%以下。③將脫水篩和干法生產的機制砂混合到砂倉當中，也能使含水率降低。④在機制砂倉頂部搭設防雨棚，砂倉底部設盲溝排水設施，及時清理盲溝，讓自然脫水時間得到縮減，也能夠讓機制砂的含水率明顯降低。

5?結語

砂作為混凝土的一種重要結構材料，在工程建設過程中有著至關重要的作用。在滿足機制砂的基本性能的基礎上，選擇更具經濟效益的生產方案，讓機制砂能夠發揮出應有的作用，又能節省更多的生產成本。隨著天然砂資源的減少，生產機制砂將會是未來主要的發展方向，也是對可持續發展理念的貫徹。

參考文獻：

[1]蔣正武，任啟欣，吳建林，張長貴.機制砂特性及其在混凝土中應用相關問題研究[C].中國砂石協會.首屆機制砂石生產與應用技術論壇論文匯編.中國砂石協會：中國砂石協會，2010：29-34.

[2]楊記芳.機制砂的制備及在混凝土中的應用[J].山西建筑，2009，35（34）：166-167.

[3]制砂工藝是砂石生產技術的核心[J].建材發展導向，2014，12（04）：97.

[4]蔡肅川， 任榮. 淺析立軸沖擊式破碎機與棒磨機聯合制砂工藝[J]. 水力發電， 2007， 033（001）：48-50.

[5]蘇斌. 淺談機制砂的研究與應用[J]. 山西建筑， 2007， 033（004）：186-187.