引言

　　國家統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2012年水泥產(chǎn)量21.8億噸，按混凝土中水泥與砂的比例為1:2.5估計(jì)，砂用量超過50億噸。然而，天然砂受資源總量、分布和季節(jié)限制，加之政策限采，由此產(chǎn)生了供應(yīng)不足、價(jià)格攀升、運(yùn)輸成本高、質(zhì)量波動(dòng)大等問題，局部地區(qū)已出現(xiàn)供需矛盾激化的現(xiàn)象。結(jié)合社會(huì)發(fā)展的一般規(guī)律和國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)展機(jī)制砂已成行業(yè)共識(shí)。但是，傳統(tǒng)機(jī)制砂性能不足，存在如級(jí)配“兩頭大，中間小”、粒型多角尖銳、雜質(zhì)多等問題，在實(shí)際應(yīng)用中影響混凝土和砂漿的整體性能和效益，難以滿足市場(chǎng)對(duì)優(yōu)質(zhì)砂的需求。

　　另一方面，人們對(duì)砂的認(rèn)識(shí)大部分仍停留在“5mm以下顆粒”的層面，對(duì)砂的性能指標(biāo)及其對(duì)混凝土的影響重視程度不足，不利于解決砂石產(chǎn)業(yè)發(fā)展的困境。因此，本文主要通過總結(jié)國內(nèi)外研究結(jié)果與具體項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，探討混凝土與砂的關(guān)系、傳統(tǒng)制砂工藝的局限及新型制砂概念，為砂石、水泥、混凝土產(chǎn)業(yè)鏈的整合研究提供參考，希望為砂石產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來新的機(jī)會(huì)。

　　混凝土用砂的核心要求

　　混凝土是由膠凝材料和水，粗、細(xì)骨料(砂)按一定比例配制而成的混合物，經(jīng)攪拌、搗實(shí)、硬化而成的人造石材。如圖1所示，砂石約占混凝土體積的70%，對(duì)混凝土的性能和配制成本影響顯著。詳細(xì)討論砂石對(duì)混凝土的影響規(guī)律已經(jīng)超出本文的范圍，但工程經(jīng)驗(yàn)及我們與多家混凝土企業(yè)的聯(lián)合實(shí)驗(yàn)證明，混凝土用砂的核心要求是：級(jí)配、粒型和含粉(泥)量(當(dāng)然，諸如氯離子、堅(jiān)固性等指標(biāo)必須符合國標(biāo)要求)。

　　總體而言，級(jí)配和粒型綜合影響砂的空隙率、比表面積和流動(dòng)性能(其示意關(guān)系如圖2所示)，從而影響混凝土配比中水泥和水的用量。比如，針片狀、棱角尖銳的顆粒，將增大空隙率和比表面積，增大拌合物的流動(dòng)阻力，因此需要更多的水泥漿去填充、包裹和產(chǎn)生流動(dòng)性。級(jí)配組成中0.15~0.6mm部分的細(xì)砂，可以有效填充拌合物的空隙，并充當(dāng)潤(rùn)滑中心，降低流動(dòng)阻力，利于優(yōu)化混凝土配比。

　　而控制含粉(泥)量主要是為了保證砂的潔凈度，控制膨脹性粘土的含量，以免在拌合過程中發(fā)生吸附反應(yīng)和活性反應(yīng)，破壞混凝土的性能。但石粉含量應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)，對(duì)裹挾泥粉、礦物組分活性高的石粉，應(yīng)嚴(yán)格控制;對(duì)剝離干凈、成分無害的石粉，可放寬標(biāo)準(zhǔn)。通過亞甲藍(lán)值測(cè)試可對(duì)砂的潔凈度進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)確定其石粉的活性和可采用范圍。

　　至此，結(jié)合圖3的直觀對(duì)比，我們可總結(jié)天然中砂與傳統(tǒng)機(jī)制砂在混凝土配制中表現(xiàn)不一的原因?yàn)椋禾烊恢猩敖?jīng)過長(zhǎng)期的自然作用，級(jí)配合理、粒型圓潤(rùn)、雜質(zhì)含量少，符合混凝土用砂的核心要求;而傳統(tǒng)機(jī)制砂針片狀含量高、棱角尖銳、級(jí)配不均、含粉高(部分產(chǎn)品含泥量高)，不符合混凝土用砂的核心要求。

　　傳統(tǒng)制砂工藝的局限

　　傳統(tǒng)機(jī)制砂性能不足主要是由制砂工藝不合理造成的，主要表現(xiàn)為以下兩點(diǎn)：

　　1、破碎工藝單一，甚至采用擠壓式破碎機(jī)作為終碎設(shè)備。從破碎原理來看，常見的制砂設(shè)備可分成擠壓式破碎和沖擊式破碎兩類。諸如顎破、圓錐破、對(duì)輥破、錘破等擠壓式破碎設(shè)備，雖然可以提供較大的破碎比，但成品針片狀含量高，顆粒棱角尖銳，且磨損后不能產(chǎn)生穩(wěn)定的級(jí)配，一般不能作為制砂終段設(shè)備。相反，沖擊式破碎設(shè)備，特別是VSI沖擊破，能產(chǎn)出粒型基本達(dá)標(biāo)的成品砂，屬于比較合理的制砂設(shè)備選型。但單一采用傳統(tǒng)沖擊破制砂，其成品表面棱角仍過于尖銳，且石粉含量過高、0.15~0.6mm細(xì)砂含量過低(如圖4所示)，難以滿足高標(biāo)準(zhǔn)用砂的需求。

　　2、篩選工藝單一，調(diào)控困難，效率較低。以最常見的濕法生產(chǎn)工藝為例，這種工藝通過振動(dòng)篩控制砂的最大粒徑，通過洗砂機(jī)去除泥、粉。如果篩分設(shè)置合理(如設(shè)置2~3層5mm及以下篩網(wǎng)并將篩下物按一定比例混合)，水洗徹底并配置細(xì)砂回收裝置，該工藝也可生產(chǎn)出合格的中低標(biāo)準(zhǔn)砂。但這種篩選工藝無法改變沖擊破出料細(xì)砂含量過低的問題，同時(shí)，即使配置細(xì)砂回收裝置，水洗也難免帶走較多的細(xì)砂，使成品砂級(jí)配更加不合理(如圖4所示)。另外，整套篩選工藝除了更換篩網(wǎng)尺寸以外，調(diào)控空間小，同時(shí)存在損耗大、易堵塞、效率低、用水量大、污水淤泥處理困難等問題。

　　新型制砂概念和工藝

　　從以上分析可知，新型制砂工藝所產(chǎn)成品應(yīng)該像天然中砂一樣，滿足混凝土用砂的核心要求，明顯提高級(jí)配、粒型、含粉(泥)量等指標(biāo)。實(shí)際的技術(shù)方案應(yīng)該是通過整體性的系統(tǒng)方案，盡可能模擬天然砂形成過程中的破、磨、選等自然作用，實(shí)現(xiàn)充分的破碎、搓磨及精細(xì)可控的篩選，同時(shí)兼顧環(huán)保要求。在這樣的指導(dǎo)思想下，我們提出VU系列骨料優(yōu)化系統(tǒng)，在全新的干式制砂工藝框架下，對(duì)破、磨、選三方面技術(shù)進(jìn)行整體革新，以解決優(yōu)質(zhì)機(jī)制砂的生產(chǎn)問題，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)制砂可替代天然砂的目標(biāo)。

　　首先，我們以十多年的沖擊破碎技術(shù)積累為基礎(chǔ)，對(duì)傳統(tǒng)沖擊破結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行大幅度的改進(jìn)，例如，加大拋料和碰撞頻率，加強(qiáng)搓磨破碎作用等。在以上技術(shù)革新下，VU型沖擊破(針對(duì)VU系統(tǒng)定制設(shè)計(jì))克服了傳統(tǒng)沖擊破成砂率低、細(xì)砂生產(chǎn)能力不足的缺點(diǎn)，同時(shí)能進(jìn)一步改善砂子粒型。

　　其次，為了對(duì)沖擊破碎作用進(jìn)一步補(bǔ)充，首次提出“低能量破碎整型技術(shù)”，并相應(yīng)研制了粒優(yōu)機(jī)(可進(jìn)一步優(yōu)化粒型的機(jī)器)，模仿天然砂形成過程中的水流沖刷作用，進(jìn)一步去除砂顆粒表面的毛刺和棱角，而脫落的碎片成為珍貴的細(xì)砂，改善成品的級(jí)配。

　　最后，通過整合成熟的破碎篩分和磨機(jī)空氣選粉技術(shù)，提出一體化干式篩選的方案。在全封閉腔體中，利用空氣負(fù)壓和機(jī)械振動(dòng)的作用，同時(shí)完成除粉和篩分的任務(wù)。通過調(diào)節(jié)風(fēng)量、流道等，可實(shí)現(xiàn)在線較精細(xì)的調(diào)節(jié)，使成品砂的細(xì)度模數(shù)變得可控可調(diào)，因此，我們對(duì)該設(shè)備暫命名為?？睾Y(細(xì)度模數(shù)可控的篩分機(jī))。

　　我們通過兩個(gè)塔樓結(jié)構(gòu)，以合理的工藝流程將上述主要設(shè)備和其他輔助設(shè)備連接起來，其工藝流程圖和三維效果圖如圖5所示。原料經(jīng)過VU型沖擊破破碎整型后，在?？睾Y和除塵模塊作用下分成三路：石粉、返料和準(zhǔn)成品砂。石粉通過除塵模塊后統(tǒng)一儲(chǔ)存在粉礦倉中，準(zhǔn)成品砂進(jìn)入粒優(yōu)機(jī)進(jìn)一步整型，經(jīng)加濕攪拌后完成加工過程。值得一提的是，VU系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全流程自動(dòng)化檢測(cè)、監(jiān)控和調(diào)整，保證了生產(chǎn)過程穩(wěn)定高效;防塵設(shè)計(jì)非常成功，現(xiàn)場(chǎng)基本無揚(yáng)塵，環(huán)保指標(biāo)符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

　　需要說明的是，VU系統(tǒng)對(duì)原料有一定要求。其一，由于采用了調(diào)控性能、穩(wěn)定性能和環(huán)保性能更高的干式生產(chǎn)工藝，VU系統(tǒng)要求原料干燥、較潔凈，含水率在3%以下，含泥量不能過高;其二，為了針對(duì)性提高VU型沖擊破對(duì)5mm以下物料的作用，我們適當(dāng)調(diào)整了設(shè)備的破碎比，最大進(jìn)料粒徑須小于15mm(從市場(chǎng)角度來看，以30mm以下碎石作為制砂原料并不經(jīng)濟(jì)，而15mm以下、甚至10mm以下碎石，俗稱“瓜米石”“石屑”，更廉價(jià)易得，以此作為制砂原料，也可同時(shí)增加系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)收益)。除此以外，VU系統(tǒng)可適用于大部分制砂工況，而即使原料不能滿足以上兩點(diǎn)要求，也可采用輔助設(shè)備和工藝進(jìn)行配合。因此，VU系統(tǒng)實(shí)際上可滿足大部分的優(yōu)質(zhì)制砂需求。

　　VU系統(tǒng)的成效完全達(dá)到我們的設(shè)計(jì)預(yù)期。成品砂級(jí)配符合二區(qū)中砂分布，-0.6mm細(xì)砂占比大幅提升;粒型以高方形度和球形度為主，表面棱角、毛刺最大程度地減少;含粉量穩(wěn)定，并在3~15%間可調(diào)可控。實(shí)驗(yàn)表明，VU砂完全符合混凝土用砂的標(biāo)準(zhǔn)，可有效提高強(qiáng)度、工作性，并能節(jié)省水泥，性能媲美天然中砂。特別是，成品砂的性能指標(biāo)十分穩(wěn)定，這點(diǎn)對(duì)混凝土配合比設(shè)計(jì)和應(yīng)用的重要性不言而喻。

　　結(jié)論

　　混凝土用砂對(duì)級(jí)配、粒型和含粉(泥)量等指標(biāo)提出較高要求，VU系列骨料優(yōu)化系統(tǒng)應(yīng)該可以解決傳統(tǒng)工藝破碎和篩選單一的問題，生產(chǎn)出可替代天然砂的優(yōu)質(zhì)機(jī)制砂。同時(shí)，系統(tǒng)采用價(jià)值低、甚至廢棄的碎石作為原料，在干法工藝下完成優(yōu)質(zhì)制砂的過程，不產(chǎn)生揚(yáng)塵和污水、淤泥，經(jīng)濟(jì)性能和環(huán)保指標(biāo)出色。在用砂需求持續(xù)高漲、天然砂供應(yīng)不足的背景下，VU系統(tǒng)所帶來的新工藝流程和優(yōu)質(zhì)成品砂，有希望為砂石產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來新的機(jī)會(huì)。

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