引言
砂石廣泛用于道路、高鐵、辦公住宅、水利、人防等工程，天然砂石包括海砂、河砂和地下卵砂，機制砂石主要利用巖石、尾礦、建筑垃圾等通過破碎工藝形成。我國2011年砂石產量已接近100億t，其中機制砂石約占55%，為開采量最大的資源，預計2016年總量將達到160億t[1]。與天然砂開采對環境的破壞幾乎不可修復不同，發展機制砂產業：
①廢棄采石場具有可修復性，平均治理恢復期為5年[2]；
②有效解決我國總量龐大的尾礦資源再利用問題，消除尾礦及尾礦庫危害[3]；
③促進建筑垃圾資源化，并可以大量提供工程建設所需的砂石產品[4]。
因此，研究大規模替代天然砂石的機制砂石生產技術對人、社會、自然環境的和諧可持續發展具有重要的意義。近年來，湖州新開元碎石有限公司(以下簡稱新開元)對立軸破碎機制砂技術、機制砂石濕法生產固液分離技術、細粒琴弦篩篩分技術進行了系統的研究，總結出一套機制砂生產工藝及質量控制方法，為大規模生產可替代天然砂的機制砂奠定了基礎。
1 機制砂主要質量問題及影響研究
混凝土中70%的原料為碎石和砂。機制砂的質量對混凝土性能影響較大[5-6]。主要表現：
①機制砂細度模數顯著影響混凝土的工作性和強度，細度模數的適當增加，混凝土的工作性和強度將不同程度的提高，如石灰石機制砂細度模數位于2.9-3.2時，混凝土具有良好的工作性和合適的力學強度；
②機制砂中石粉超量摻人，混凝土力學性能略有下降、體積變形性略有增加，但能提高混凝土的抗滲性、抗凍性和耐久性，并改善和易性，一般合格的機制砂級配中含量小于0.6mm顆粒不能小于30%，大于4.75mm顆粒不能超過10%[7]；
③相同級配及細度模數的天然砂和機制砂，機制砂顆粒表面凹凸不平，具有較大的比表面積，使得混凝土拌合物的坍落度顯著減小,但對混凝土強度的影響較小[7]；
④機制砂中泥含量增加，混凝土的坍落度、抗滲性能、耐久性下降，強度明顯下降，干縮值增大，特別對高強度混凝土這些影響更大，對強度和耐久性要求高的混凝土工程，應嚴格控制機制砂中泥含量[9]；
⑤機制砂亞甲藍MB值與黏土含量呈正比關系，與石粉含量關系不大，當MB超過臨界值1.4時，MB值增大使得新拌混凝土的工作性顯著降低，早期塑性開裂程度增大，明顯降低硬化混凝土的抗折強度與7d抗壓強度，對28d抗壓強度影響不大，但增加了混凝土各齡期收縮值，顯著加快了混凝土的凍融破壞[10]；
⑥粗砂級配保水能力差，宜配制富槳混凝土和低流動性混凝土；中砂級配配制普通混凝土較適宜；細砂級配配制的混合料黏性稍大、保水較好，但混凝土干縮性較大、表面易產生細微裂縫[11]。因此，機制砂質量水平對混凝土性能影響非常顯著。我國建設用砂規定的機制砂質量標準的主要約束指標如表1所示[12]。
2 機制砂生產工藝和質量控制研究
2.1 生產工藝方案
機制砂生產主要有干法和濕法工藝，相應工藝如圖1、2所示，其中：
(1)濕法固液分離系統和干法除塵脫粉系統目的是除去泥粉和0-1mm細砂[13-14]。
(2)一般中碎和細碎工藝所產普通0-5mm機制砂細度模數偏高、針片狀較多，借助琴弦篩篩分出3-5mm石屑并經立軸整形工藝進一步破碎和整形制得0-5mm機制砂，改善了粒形、級配和細度模數[15]。
(3)依據表1，0-1mm細砂、普通0-5mm機制砂、琴弦篩篩下0-3mm細砂、整型0-5mm機制砂通過配料系統均勻混合。
上述工藝可以以較低的成本代價達到優化機制砂產品質量指標的效果。
2.2 質量控制模型
假設：B4.75(m)、B2.36(m)、B1.18(m)、B0.6(m)、B0.3(m)、B0.15(m)分別為質量標準規定的機制砂通過不同方孔篩篩余比例區間，m取值為1、2、3，分別代表機制砂級配1、2、3區；S(j)代表標準規定的機制砂細度模數區間，j取值為1、2、3、4，分別代表粗砂、中砂、細砂和特細砂；C11(n)、C21(n)分別代表MB≤1.4和MB>1.4的最大石粉含量標準；C12(n)、C22(n)分別代表MB≤1.4和MB>1.4時最大泥塊含量標準；以上n為建筑用砂類別，取值為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，分別代表0-1mm細砂、整形0-5mm機制砂、普通0-5mm機制砂、0-3mm細砂四個規格的方孔篩篩余比例檢測值，其他參數定義如表3所示。
假設：需要生產m區、n類別、亞甲藍測試結果大于1.4的中砂。則：
級配約束：
細度模數約束：
產量約束：
石粉含量量約束：
泥塊含量約束：
根據工藝特征，四個規格半成品砂的加工成本排序結果X3＞X4＞X1＞X2，因此，為降低工藝成本，提高產品競爭力，配料量最佳決策原則X3＞X4＞X1＞X2。
依據上述模型，通過控制四個規格半成品砂的配料皮帶帶速，利用均勻配料機實現均勻混合，生產出符合標準質量要求的高品質機制砂。模型同時要求經常性測試四個規格半成品砂的級配、亞甲藍、石粉含量和泥塊含量參數以及有害物質、堅固性、壓碎指標、堆積密度、含水率等指標值，確保機制砂產品質量的穩定性和可靠性。
3 應用研究
根據以上研究成果，2011年新開元設計了如圖1所示的機制砂生產工藝，并進行了小批量生產，其中2區III類中砂產品配料參數和質量檢測結果如表4所示（-75μm細粉為微級配），委托上海建工材料工程有限公司測試中心取樣進行C40混凝土試驗結果如表5所示，即配方基本一致時，用機制砂替代天然中砂，在工作性能、力學性能方面均能達到標準要求,特別是機制砂混凝土7、28、56d強度測試結果比純天然中砂混凝土稍強一些。因此，本研究的大規模替代天然砂的高品質機制砂生產工藝及質量控制技術是可行的。
4 結論
面對可采天然砂資源的日益減少，發展高品質機制砂生產技術意義重大。本文論證了先級配分離、再深加工、后按標準質量參數進行混配的機制砂生產工藝及質量控制技術。應用實例表明該技術是可完全替代天然砂的機制砂大規模生產的有效解決方案之一。
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作者：
邵建峰，姚紹武，張文彬，姚一帆。
編輯：趙虹旭
