中國人工砂生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展

中國人工砂生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展

0制砂工藝和技術(shù)經(jīng)過中國水利水電第九研究所（以下簡稱水電九研究所）三代人的不斷探索和工作，我們成功地走上了建設(shè)人工砂砂系統(tǒng)的獨特道路。他從系統(tǒng)設(shè)計、施工到生產(chǎn)、運營和管理，以及人工砂砂開采和加工的技術(shù)和經(jīng)驗，創(chuàng)造了干砂開采和加工的技術(shù)和經(jīng)驗。建立了20年的干燥砂處理技術(shù)。借鑒和發(fā)展了濕砂處理第二版20年的技術(shù)。2003年，創(chuàng)造出第三、綠色環(huán)保半干旱處理技術(shù)，擁有自行的固定工具和多個實用發(fā)明，擁有中國制砂行業(yè)的第一部分技術(shù)方法。目前“九局環(huán)保砂石,中國品牌砂石”已為建筑業(yè)砂石骨料發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。本文將從水電九局50多年來在建筑用砂石發(fā)展中的研究與實踐,描述砂石骨料與混凝土強度及耐久性等主要指標(biāo)的關(guān)系,同時向業(yè)內(nèi)推廣低碳、節(jié)能、綠色環(huán)保的高品質(zhì)人工砂石生產(chǎn)技術(shù)。1砂石料的選擇建筑用砂石在上世紀(jì)初主要來源于大江大河和古河床灘地。上世紀(jì)50年代新中國成立后百廢待興,大興土木需要大量使用砂石料,當(dāng)時采用的砂石料是天然砂石料,基本沒有破碎加工的工藝,天然砂石料主要依靠篩分來進(jìn)行分級選用,部分使用的破碎加工技術(shù)及設(shè)備主要來源于前蘇聯(lián);而在貴州,因河流河床深切、水流湍急,難以形成河床灘地,沒有形成良好的天然砂石料場,所以貴州的建筑工程很少使用天然砂石料。當(dāng)時用于制備混凝土的粗骨料主要依靠人工手持鐵錘破碎新鮮的塊石而成,石灰?guī)r、白云巖強風(fēng)化層巖石便是砂的主要來源,被稱為自然山砂,山砂與人工錘制而成的碎石形成混凝土用砂石骨料。1.1中國第1代法定砂砂系統(tǒng)上世紀(jì)50年代末,貴州貓?zhí)尤壭尬乃娬居捎谠O(shè)計壩型為混凝土拱壩,因貓?zhí)記]有足夠的天然砂石料作為混凝土材料,同時也不具備遠(yuǎn)距離運輸?shù)哪芰?于是捷克專家要求將混凝土拱壩改為堆石壩,而蘇聯(lián)專家與貴州省水電廳、水電九局共同研究后認(rèn)為,從壩址的地質(zhì)與地形條件上分析,建設(shè)混凝土拱壩更為經(jīng)濟快捷。經(jīng)過多次試驗,最終用白云巖山砂與粗骨料拌制出了C17和C20混凝土,同時采用錘式制砂機制砂拌制出了C20和C27.5混凝土。砂石系統(tǒng)于1959年8月通過驗收,砂石問題得到解決后才能確定三級修文水電站為混凝土拱壩(中國第1座廠頂溢流拱壩)。筑壩材料的解決大大加快了筑壩速度,僅用1年6個月就建成了1座49m高的混凝土拱壩,這在當(dāng)時是一個奇跡。從1960—1962年,水電九局進(jìn)行了大量的試驗與研究,確定了中國第1代干式制砂工藝:2級破碎,生產(chǎn)能力為80t/h,一破粗碎采用250mm×500mm的顎式破碎機,二破細(xì)碎為400mm×600mm的錘磨機設(shè)備,錘磨機上設(shè)置篩條生產(chǎn)小石,設(shè)置鑄鐵圓孔板篩網(wǎng)生產(chǎn)砂。1963—1970年在貓?zhí)佣?、四級水電站建設(shè)中,因石灰?guī)r和白云巖含泥問題影響砂石質(zhì)量,便開發(fā)出了3級破碎,生產(chǎn)能力為80t/h;“從開采面取得的石料經(jīng)鐵道(人工礦車)運至250mm×500mm的顎式破碎機粗碎,然后通過皮帶機送到600mm×800mm帶篩條(37mm×37mm)錘磨機,經(jīng)篩分后小于5mm的顆粒送到砂料堆,5～10mm的顆粒進(jìn)入螺旋洗石機清洗后送到小石堆,大于10mm的顆粒進(jìn)入中石堆,部分進(jìn)入400mm×600mm錘磨機錘磨(機上帶鑄鐵圓孔板網(wǎng))直接生產(chǎn)小于5mm的顆粒送到砂料堆”。1966—1974年在貓?zhí)游寮?、六級水電站分別建設(shè)了160t/h和200t/h的砂石系統(tǒng)。1978年水電九局的“用白云巖制水工混凝土的人工砂”技術(shù)榮獲貴州省科學(xué)大會獎。上世紀(jì)90年代后,為了解決石粉含量問題,湖南江椏、廣西百色水電站砂石系統(tǒng)采用了干式制砂工藝,雖然石粉含量有所提高,但相關(guān)指標(biāo)極不穩(wěn)定,石粉含量經(jīng)常超標(biāo),原礦石中的雜質(zhì)和泥土經(jīng)加工進(jìn)入砂中,造成石粉中小于0.08mm的粉泥無法分離,粗骨料裹粉嚴(yán)重,影響了混凝土的質(zhì)量,加大了建設(shè)成本,且粉塵污染很嚴(yán)重。1.2種制砂設(shè)備的研究1965—1966年,中國水電總局組織8家科研單位進(jìn)行了棒磨機制砂試驗,在四川映秀灣水電站投入試用;1972年將棒磨機正式應(yīng)用于生產(chǎn)能力為500t/h的貴州烏江渡水電站人工砂石系統(tǒng),便形成了全濕式制砂技術(shù)。上世紀(jì)80年代,水電九局采用全濕式制砂技術(shù)在貴州東風(fēng)水電站建成了450t/h的人工砂石系統(tǒng):粗碎為旋回破,中碎為反擊破,制砂主要使用細(xì)圓錐加棒磨機。采用濕式制砂工藝,砂的脫水周期長,會影響成品砂的產(chǎn)量,需要的倉庫較大,且砂的石粉流失量大、回收難,成品砂的石粉含量低,生產(chǎn)廢水對環(huán)境造成的污染較大,水處理費用高,較難實現(xiàn)資源循環(huán)使用;含水率不易控制在6%以下。因此,1993年在貴州南盤江天生橋二級水電站450t/h白云砂石系統(tǒng)中,重點研究了制砂工藝的改進(jìn)與創(chuàng)新,在國內(nèi)首次引進(jìn)美國NORDBERG公司生產(chǎn)的旋盤破碎機作為制砂的主要設(shè)備,棒磨機作為輔助制砂設(shè)備,形成濕式棒磨機與干式旋盤破碎機聯(lián)合制砂,這是制砂的一種新嘗試,無論是工藝技術(shù)還是設(shè)備配套都有了長足進(jìn)步。對2種制砂設(shè)備進(jìn)行了3個月的對比試驗,因棒磨機產(chǎn)量低、鋼棒消耗大、污染嚴(yán)重而沒有再使用,只使用旋盤破碎機制砂。2種制砂設(shè)備比較見表1。旋盤破碎機進(jìn)料為20～40mm時,石灰?guī)r產(chǎn)砂率為70%,花崗巖為60%。1996年四川二灘水電站砂石系統(tǒng)被公認(rèn)為當(dāng)時最先進(jìn)的工藝,巖石由70%的正長巖和30%的玄武巖組成,整個系統(tǒng)全部采用進(jìn)口設(shè)備,分4段破碎、開路生產(chǎn)。該系統(tǒng)制砂采用了4臺英國NORDBERG公司生產(chǎn)的CYRADLSC46型的旋回式細(xì)碎機,篩分后經(jīng)水洗的砂和棒磨機生產(chǎn)的砂分為0～1.2mm的細(xì)砂和1.2～4.8mm的粗砂,粗砂經(jīng)脫水后進(jìn)入粗砂倉,細(xì)砂經(jīng)LAMEX的真空脫水后進(jìn)入細(xì)砂倉,2種砂混合后形成合格的人工砂。歷時3年多共588組的質(zhì)量檢測,其細(xì)度模數(shù)FM=2.58～3.19,平均為2.86,負(fù)誤差為0.28,正誤差為0.33;其含水率細(xì)砂為8.3%～17%,平均為10%,粗砂為4%～6%,平均為5.4%,粗、細(xì)砂綜合后平均含水率為8%。1.3半干旱砂處理技術(shù)1.3.1半干法砂系統(tǒng)2001年9月建設(shè)的貴州索風(fēng)營水電站石灰?guī)r砂石系統(tǒng)規(guī)模為850t/h,業(yè)主招標(biāo)的文件是按原SL53—1994《水工碾壓混凝土施工規(guī)范》擬定,砂的細(xì)度模數(shù)FM=2.2～3.0,砂中石粉(d<0.16mm的顆粒)含量以8%～17%的指標(biāo)設(shè)計的。而開工建設(shè)時DL/T5112—2000《水工碾壓混凝土施工規(guī)范》已開始實施,人工砂的細(xì)度模數(shù)FM=2.2～2.9,石粉含量為10%～22%,含水率小于6%,允許偏差0.5%;常態(tài)混凝土DL/T5144—2001《水工混凝土施工規(guī)范》人工砂的細(xì)度模數(shù)FM=2.4～2.8,石粉含量由原來的6%～12%放大到6%～18%,含水率小于6%。砂石系統(tǒng)要為水電站同時提供碾壓混凝土和常態(tài)混凝土用砂,基于業(yè)主對索風(fēng)營水電站建綠色水電公園的要求,水電九局總結(jié)和研究了干式和濕式制砂的優(yōu)點及缺點,結(jié)合43年人工砂石制砂經(jīng)驗,研究出了綠色環(huán)保型半干式制砂工藝,其核心是“以破帶磨、多破少磨、前濕后干、干濕結(jié)合、智能節(jié)能、綠色環(huán)?！?。破碎采用粗、中、細(xì)3段破碎,其中粗碎采用開路生產(chǎn),中、細(xì)碎采用閉路循環(huán)生產(chǎn)。工藝要解決的主要問題是毛料含泥的控制,半成品加工中的脫泥分級技術(shù),制砂料源的含水率控制,立軸式制砂機產(chǎn)品兩頭大中間小的技術(shù)參數(shù)控制,骨料的連續(xù)級配、孔隙率、針片狀含量、砂的細(xì)度模數(shù)、可調(diào)節(jié)的石粉含量、砂的含水率等問題。為此,粗碎、中碎采用反擊破,細(xì)碎制砂采用立軸破。為了實現(xiàn)半干式制砂,在系統(tǒng)投產(chǎn)后分階段根據(jù)毛料的改變及設(shè)備配套上的一些綜合問題進(jìn)行了工藝改進(jìn)與調(diào)整;2003年7月至2004年1月生產(chǎn)砂石骨料29.3萬m3,工藝改進(jìn)主要解決了細(xì)度模數(shù)的穩(wěn)定性及石粉含量相關(guān)指標(biāo)問題。2004年5—12月完成了半干式制砂技術(shù)的研究,調(diào)整了部分工藝,增加了1臺高速立軸破,解決了立軸破生產(chǎn)砂中大于2.5mm以上顆粒的再破碎問題;同時回收了中碎洗石過程中流失的粉砂,解決了立軸破生產(chǎn)砂中細(xì)度模數(shù)大、石粉含量低的問題。經(jīng)過8個月生產(chǎn)82.5萬m3砂石骨料的生產(chǎn)性試驗,成品砂的各項指標(biāo)均已穩(wěn)定,176組試驗檢測平均含水率為3.8%,細(xì)度模數(shù)FM=2.73～2.91,平均細(xì)度模數(shù)為2.78,石粉含量為17%～21%,平均石粉含量為18.73%,見表2。在2004年全國首屆砂石生產(chǎn)技術(shù)交流會上公布了半干式制砂技術(shù),2005年經(jīng)貴州省科技廳組織的國內(nèi)專家組驗收,評定為國內(nèi)領(lǐng)先水平,同年獲貴州省科技進(jìn)步獎。1.3.2半干法制砂成功案例2006年,水電九局承建的云南蘇家河口砂石系統(tǒng)巖石為粗粒花崗巖,平均抗壓強度為144MPa,規(guī)模為660t/h,粗碎為C100開路生產(chǎn),中碎為閉路生產(chǎn),設(shè)置1臺S380圓錐破和1臺CF250反擊破,制砂為立軸破。同時生產(chǎn)反濾料和混凝土用砂石骨料180萬t,滿足了蘇家河口水電站堆石壩用反濾料和松山河口碾壓壩用砂石骨料的要求,經(jīng)過5年的生產(chǎn)證明,其產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定,半干式制砂技術(shù)應(yīng)用于硬巖制砂是成功的。2007—2011年,水電九局承建的云南李仙江流域石門坎水電站工人砂石系統(tǒng)規(guī)模為450t/h,為雙曲拱壩提供砂石骨料,粗碎為CF900×1200顎破,中碎為S380圓錐破,制砂為石打石PL-850和S1000立軸破,共生產(chǎn)大、中、小石、砂共126萬t,系統(tǒng)運行可靠,成品質(zhì)量穩(wěn)定。骨料針片狀含量小于6.5%,砂的細(xì)度模數(shù)FM=2.55～2.79,石粉含量13.5%～15.3%,這是半干式制砂技術(shù)應(yīng)用砂巖的一個成功案例。2007—2011年,在貴州沙沱水電站1500t/h的石灰?guī)r人工砂石系統(tǒng)工程中,完善了半干式制砂工藝,采用了“兩端開路、中間閉路”的破碎流程,粗碎3臺反擊破開路生產(chǎn)、中碎4臺反擊破閉路生產(chǎn),制砂4臺立軸破與1臺高速立軸破形成聯(lián)合開路制砂,同時在國內(nèi)率先采用了美國進(jìn)口的高頻篩分設(shè)備進(jìn)行砂的細(xì)度模數(shù)調(diào)整,2010年全年的檢測結(jié)果如下:砂總量82.3萬t,碾壓混凝土共取樣234組,最大細(xì)度模數(shù)FM=2.88,最小FM=2.62,平均FM=2.79,石粉含量17.6%,含水率4.1%,波動小于1,級配連續(xù)均勻,孔隙率36%,被業(yè)內(nèi)專家評為最優(yōu)質(zhì)的人工砂。1.4骨料質(zhì)量分析2008—2011年,水電九局承建了廣東臺山核電廠花崗巖人工砂石系統(tǒng),其原石料屬中粗?；蛑辛Ｋ瓢郀罨◢弾r,主要由長石晶體和石英晶體鑲嵌構(gòu)造而成,含有約5%的云母和2%的綠泥石。石料的抗壓強度為120～235MPa,密度約為2.6～2.7g/cm3,松散堆積密度約為1.35～1.45g/cm3,松散堆積空隙率約為47%。該砂石加工系統(tǒng)設(shè)計處理規(guī)模為440t/h,成品骨料生產(chǎn)能力為350t/h(其中砂150t/h、骨料200t/h)。根據(jù)料源巖石巖性和核電高標(biāo)號混凝土對骨料的需求等情況,采用“3段破碎”工藝:粗碎選用顎式破碎機,中碎選用圓錐式破碎機,細(xì)碎選用立軸式破碎機,螺旋洗砂機洗去部分立軸破制干砂中的石粉。粗骨料成品生產(chǎn)采用“末級出成品”方案,經(jīng)細(xì)碎車間立軸式破碎機整形后的成品的中、小石骨料粒形及針片狀含量均滿足規(guī)范要求;采用“3級篩分”工藝,有效調(diào)節(jié)粗骨料顆粒級配連續(xù),月供應(yīng)量骨料為5.7萬t。在設(shè)計時采用了以破代磨、多破少磨的思路,應(yīng)中國廣東核電公司的要求,預(yù)留了2臺棒磨機的位置,安裝1臺棒磨機僅進(jìn)行了試運行,實際運行中因工藝先進(jìn)可靠、石料破碎較充分、立軸破運行成砂率高,2010年3月,完全不用棒磨機就生產(chǎn)出了高標(biāo)號混凝土C80用優(yōu)質(zhì)人工砂石骨料。砂的取樣結(jié)果見表3。2010年1—10月,用同一礦山的花崗巖分別在“YJ”核電站的全濕式砂石系統(tǒng)生產(chǎn)砂石骨料與臺山核電廠半干式砂石系統(tǒng)生產(chǎn)砂石骨料做了C60～C75混凝土對比試驗,結(jié)論為臺山核電廠生產(chǎn)的砂石成品質(zhì)量優(yōu)于“YJ”核電廠生產(chǎn)的成品質(zhì)量,每方混凝土可節(jié)約水泥用量7.69%(25kg)。1.5半干法智能化控制檢測2008—2011年,水電九局承建的當(dāng)今世界最大的金沙江觀音巖水電站人工砂石系統(tǒng)是集水電九局50多年經(jīng)驗與技術(shù)建成的一座“智能節(jié)能、低碳環(huán)保”的巨型人工砂石系統(tǒng)。觀音巖水電站砂石系統(tǒng)巖性為二疊系下統(tǒng)茅口組灰?guī)r,濕抗壓強度平均為107.3MPa,系統(tǒng)設(shè)計處理能力為3300t/h,設(shè)計成品產(chǎn)量為2700t/h。根據(jù)半干式制砂的工藝技術(shù)特點,采用了3段破碎工藝,粗碎為開路生產(chǎn),4臺反擊破碎機聯(lián)合生產(chǎn)半成品石料;中碎4臺反擊破閉路循環(huán)生產(chǎn),以適應(yīng)各種級配混凝土用骨料需求量的變化要求;細(xì)碎為閉路循環(huán),主要采用8臺立軸式破碎機制砂。該系統(tǒng)工藝采用了“智能化半干式制砂工藝”專利技術(shù),系統(tǒng)在設(shè)計時采用以環(huán)形冗余光纖以太網(wǎng)作為主干通訊網(wǎng)絡(luò),將各配電室信息管理系統(tǒng)、上位機監(jiān)控系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)、語音通訊系統(tǒng)、智能儀表采集裝置、噪音監(jiān)測、粉塵監(jiān)測、大屏幕顯示系統(tǒng)有機結(jié)合成一體,通過1根光纖取代大量的電纜將各種信息傳輸?shù)街醒肟刂剖壹刑幚?中央控制室同時也將有關(guān)信息反饋到各配電室,中央控制室實現(xiàn)了一人便可進(jìn)行系統(tǒng)運行的操作控制,同時不管你遠(yuǎn)在外地任何地方,只要能上網(wǎng)便可查看施工運行的同步工況。半干式智能化控制的主要特點是工藝流程穩(wěn)定可靠、設(shè)備能力得到最大限度發(fā)揮,按工藝流程的最優(yōu)設(shè)定控制設(shè)備的給料、給水量,可以使設(shè)備處于滿負(fù)荷運行。骨料質(zhì)量在PCL的控制中穩(wěn)定可靠,達(dá)到了環(huán)保節(jié)能的目的。大石、中石、小石的生產(chǎn)工藝均為反擊破加工,粗碎前經(jīng)棒條給料機一次棄泥、一篩沖洗篩分后出大石成品,中石送至制砂車間作砂的主要加工料源,小于20mm的經(jīng)洗石機去泥脫水后的50%送到制砂車間,一篩后大于80mm的石料送入中碎加工,主要生產(chǎn)中石成品和50%的小石成品,中石在進(jìn)入成品料倉前再經(jīng)中徑檢測篩分沖洗。經(jīng)2級反擊破生產(chǎn)的中石、小石粒形方正,基本無針狀偏平體。2010-01-01—2011-4-15成品料針片狀含量統(tǒng)計質(zhì)量指標(biāo)見表4。從表4可知,針片狀含量最大值僅為1.21%,規(guī)范規(guī)定為≤15%,說明質(zhì)量控制較好。砂的質(zhì)量控制單元可自動調(diào)整控制砂的細(xì)度模數(shù),生產(chǎn)2種不同石粉含量的碾壓混凝土用砂和常態(tài)混凝土用砂,砂的含水率為3.5%～4.5%,砂在18m高下落的堆料過程中,1m以外不揚起粉塵,同時在堆料過程中不產(chǎn)生分離和翻滾,形成坍塌式“無離析堆存”。無論在砂堆的任一點取樣,其質(zhì)量指標(biāo)是一致的,砂的級配連續(xù),堆積密度最大。運用過程能力指數(shù)CP反應(yīng)質(zhì)量控制公差偏離情形,以實測常態(tài)砂的細(xì)度模數(shù)繪制控制圖分析。Xˉˉˉ?RXˉ-R控制圖列表見表5。2009年11月至2011年4月系統(tǒng)運行共18個月,每月均值為XˉˉˉXˉ,極差為R,m為樣本組數(shù)目,總平均值=2.73,平均級差=0.091,則均值上線UCLXˉˉˉ=2.73+0.373×0.091=2.76Xˉ=2.73+0.373×0.091=2.76,均值中線CLXˉˉˉ=2.74Xˉ=2.74,均值下線LCLXˉˉˉ=2.73?0.373×0.091=2.70Xˉ=2.73-0.373×0.091=2.70。與規(guī)范進(jìn)行比較,細(xì)度模數(shù)FM最大值TL=2.80、最小值TU=2.40,利用R和XˉˉˉXˉ計算CP?σ=Rˉˉˉ/d2=0.091/2.326=0.039,σCΡ?σ=Rˉ/d2=0.091/2.326=0.039,σ為質(zhì)量特性值的總體標(biāo)準(zhǔn)差,對于高質(zhì)量、高可靠性的“6σ控制原則”檢查質(zhì)量情況,CP=(TU-TL)/6σ=(2.8-2.4)/6×0.039=1.70>1.67,說明常態(tài)砂的過程加工質(zhì)量能力過高。從表5中查出級差較大月在2010年4月,為0.17,而當(dāng)月均值為2.71,2010年6月以后極差均小于±0.1,說明砂的質(zhì)量優(yōu)良,運行穩(wěn)定可靠。碾壓砂的細(xì)度模數(shù)FM=2.64,發(fā)生最大值月份的當(dāng)月最大值為2.77,當(dāng)月最小值為2.61,上下限極差為0.16;發(fā)生最小值月份的當(dāng)月最大值為2.66,當(dāng)月最小值為2.48,上下限極差為0.12。碾壓砂成品質(zhì)量統(tǒng)計見表6。以16個月的統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析繪出均值控制圖,以中線FM=2.64觀察217個點,其中有4個點在2.74以外,有7個點在2.54以外,94.9%的點均落在±0.10的區(qū)域內(nèi),這一指標(biāo)高于規(guī)范的±0.2的控制標(biāo)準(zhǔn),砂的級配連續(xù)穩(wěn)定,從未發(fā)生過兩頭大中間小的情況。經(jīng)控制圖分析計算,碾壓砂的CP=1.65,引入規(guī)范“當(dāng)1.67>CP≥1.33,說明過程能力充分,表示技術(shù)管理能力已很好”。2人工砂石系統(tǒng)研究的重要因素2.1粗顆粒研制砂及濕式制砂石粉質(zhì)量檢測研究針對碾壓混凝土對砂石骨料質(zhì)量的特殊要求,砂的含水率波動在碾壓混凝土中影響VC值,含水率過高影響溫控混凝土加冰,對于溫控要求高的大體積混凝土,當(dāng)砂的含水率達(dá)到規(guī)范上限6%時,往往加冰較為困難。含水率波動直接帶來混凝土水灰比的波動,從而影響混凝土的強度,所以砂的含水率要求在小于6%的同時,其波動值小于1%,這個指標(biāo)在全濕式制砂系統(tǒng)很難做到。濕式制砂入倉含水率為12%～17%,含水率要7d以上才能降低到7%,當(dāng)玄武巖在含火山角礫熔巖及凝灰?guī)r時在長達(dá)45d脫水后其含水率才能穩(wěn)定在10%左右。砂中粗顆粒裹粉問題:實測7d脫水后的砂,其粗顆粒(1.25～4.75mm)表面包裹1層小于0.045的粉末,在混凝土的拌制過程中不能完全從砂的粗顆粒上剝離開,造成水泥與砂的粗顆粒結(jié)合黏連性差,按2.5～4.75mm的粗顆粒占砂的18%計,如果其中50%被包裹,混凝土試驗結(jié)果其強度會降低4%。另外濕式制砂的石粉主要由棒磨機生產(chǎn),必須另增加收回設(shè)備回收石粉,回收投入較大,且回收小于0.075的石粉較為困難。經(jīng)統(tǒng)計,國內(nèi)濕式制砂工藝生產(chǎn)的石粉含量能回收利用的最大才16%。當(dāng)然以上這兩大問題在干式制砂中都不存在,但干式制砂的問題主要是干式制砂過程中粉塵污染嚴(yán)重,砂下落堆存過程中易產(chǎn)生分離,常發(fā)生砂料堆上部的細(xì)度模數(shù)小于2.3、下部細(xì)度模數(shù)大于3.3的現(xiàn)象,使用過程中因取料點的不同而造成細(xì)度模數(shù)的變化較大,影響混凝土生產(chǎn)的均勻性;濕式制砂也有同樣的問題,只是離散性小一些。大量試驗表明,當(dāng)砂的細(xì)度模數(shù)為2.5～2.7、含水率為3.5%～4.5%時,以上問題均不會發(fā)生,在18m高的砂堆上任何一點取樣,細(xì)度模數(shù)波動值均小于0.12,7d堆存后砂中粗顆粒表面無裹粉板結(jié)現(xiàn)象。2.2砂與混凝土的關(guān)系2.2.1優(yōu)質(zhì)配合比確定早在1962—1964年,水電九局在貴州貓?zhí)拥亩壓退募壦娬窘ㄔO(shè)中作了西南三省天然砂與人工砂的對比研究(人工砂石粉與混凝土抗壓強度的關(guān)系)后得出結(jié)論:骨料中石粉對混凝土性能有影響,當(dāng)FM=2.5、石粉含量達(dá)15%時抗拉與抗壓強度均最大。其后在水工混凝土應(yīng)用人工砂石大量的工程實踐證明,骨料中的石粉能提高碾壓混凝土密實性,改善混凝土抗?jié)B性能、變形性能和施工和易性;石粉可作水泥摻合料,替代部分粉煤灰;還能增大混凝土中漿體材料含量,從而使振壓后層面容易泛漿,改善了層面結(jié)合質(zhì)量。2001年1月1日開始實施的DL/T5112—2000《水工碾壓混凝土施工規(guī)范》就將小于0.16mm的石粉含量由17%擴大到22%,其最優(yōu)石粉含量為16%～22%;DL/T5144—2001《水工混凝土施工規(guī)范》將小于0.16mm的石粉含量由12%擴大到18%,試驗表明砂中小于0.08mm的石粉含量應(yīng)達(dá)到8%～10%為宜。成品砂中粒度小于0.16mm的石粉在碾壓混凝土中的作用越來越被重視,甚至成為碾壓混凝土不可缺少的組成部分,以改善碾壓混凝土的抗分離性能。在碾壓混凝土拱壩施工中,天然砂石料缺少石粉,如福建溪柄以及云南弄另、景洪水電站專門采用石灰?guī)r、火山巖粉作石粉摻用,以改善混凝土抗?jié)B性;索風(fēng)營水電站碾壓混凝土壩工程由于砂石系統(tǒng)生產(chǎn)的石粉含量為17.5%～21.8%,平均達(dá)19.22%,質(zhì)量穩(wěn)定,所以在大壩混凝土施工3個月后,調(diào)整降低了6%的粉煤灰摻量。水電站工程用混凝土均是現(xiàn)場取樣做人工砂石粉含量與混凝土的關(guān)系試驗,最終確定施工配合比,選取優(yōu)質(zhì)配合比作為對砂石系統(tǒng)生產(chǎn)質(zhì)量控制的要求。2005年貴州龍洞堡機場道面混凝土配合比試驗時,對不同摻量小于0.16mm石粉所拌制的混凝土做了對比試驗,見表7。石粉中小于0.075mm的含量為8%,試驗數(shù)據(jù)表明,人工砂混凝土中小于0.16mm骨料含量為15%時混凝土的抗壓強度最大,而用天然砂制成的混凝土中小于0.16mm骨料含量高則對抗壓強度基本沒任何改善。這表明現(xiàn)行的混凝土細(xì)骨料的規(guī)范對混凝土的應(yīng)用有不適當(dāng)?shù)募s束。在人工砂中增加小于0.075mm石粉,當(dāng)其含量達(dá)到8%～10%時,對混凝土的性能非常有益。使用高石粉含量的人工砂制備的混凝土比使用天然砂制備的混凝土有更高的抗壓強度。結(jié)論為人工砂制備的混凝土的抗壓和抗折強度均高于優(yōu)質(zhì)天然砂?，F(xiàn)在建筑行業(yè)如核電、機場、高鐵的高標(biāo)號混凝土均使用人工砂石。傳統(tǒng)的混凝土生產(chǎn)技術(shù)和觀念認(rèn)為,特細(xì)骨料(小于0.075mm)的含量要保持到絕對最小。在混凝土生產(chǎn)中,對石粉小于0.075mm的摻量問題主要受制于JGJ/52—2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)范的規(guī)定:限制了小于0.075mm的石粉使用,用人工砂比天然砂水灰比放大0.05后,配制的混凝土強度不但不降,反有提高。水電九局曾探索用少量比例的石粉代配混凝土,發(fā)現(xiàn)其28d強度比對照組提高了10%～15%,2003年將其應(yīng)用于索風(fēng)營水電站大壩混凝土中,代替了6%的粉煤灰摻量。有的生產(chǎn)企業(yè)也做過類似的試驗,且替代的比例很高,結(jié)果是混凝土用水量減少、和易性改善、流動性提高并減少了泌水;還有人做過人工砂與天然砂的電鏡分析,觀察發(fā)現(xiàn)石灰石質(zhì)人工砂與水泥水化凝膠間結(jié)合緊密,界面處無裂縫,幾乎分不出兩者的界限,而天然砂與水泥水化界面多有裂縫,有的寬度達(dá)1～2μm。2.2.2混凝土強度和級配砂石骨料的孔隙率的大小直接影響混凝土的強度,以石灰?guī)r為例,砂的顆粒級配孔隙率上限為42%、下限為35%,當(dāng)孔隙率在38.3%以下時,在做C30混凝土試驗時,發(fā)現(xiàn)混凝土的抗壓強度增長與砂的孔隙率降低成反比,孔隙率降低1個百分點,混凝土強度增長1MPa。在和易性一定的情況下,混凝土所需細(xì)骨料的級配受骨料本身特性的影響較大,不同粒形將影響骨料的孔隙率,從而影響混凝土配比、力學(xué)性能和混凝土拌制的經(jīng)濟性。粒形方正的顆粒比針片狀的顆粒更適合做混凝土骨料,因為每單位體積中它們的表面積相對較小,同時,壓實后有更高的密實度。細(xì)度模數(shù)的波動會影響混凝土的和易性,造成混凝土的質(zhì)量波動較大。2.3破碎段數(shù)對產(chǎn)品粒度的影響外力的作用是巖石破碎的唯一手段,在破碎設(shè)備的擠壓、劈裂、彎曲、沖擊、碾磨等力作用下巖石被破碎,經(jīng)篩網(wǎng)分級后形成骨料,這就是設(shè)備與骨料的基本關(guān)系。破碎比I的定義為入破粒度對產(chǎn)品粒度的比值,它是確定破碎段數(shù)的主要因素,一般而言,當(dāng)破碎給料粒度越大,而產(chǎn)品粒度要求越細(xì)時,破碎段數(shù)越多。在破碎生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)中,由于粗碎、中碎和細(xì)碎的特點、破碎機理不同,對設(shè)備的要求也不一樣。從破碎比角度來看,粗碎應(yīng)選擇I=3～6,中細(xì)碎I=5～8,細(xì)碎I=9～12,才能最大限度地發(fā)揮各級設(shè)備的效能而獲得最佳破碎工藝方案。無論采用何種結(jié)構(gòu)形式的破碎設(shè)備,每一個破碎環(huán)節(jié)達(dá)不到破碎比要求時都會對下一級破碎造成壓力和制約,其結(jié)果將造成增加破碎環(huán)節(jié)以及增加物料的循環(huán)量、篩分量等,無形中造成設(shè)備購置費用、基礎(chǔ)建設(shè)費用、環(huán)保費用等大幅上升,同時也增加了系統(tǒng)故障點,使系統(tǒng)運行可靠性下降。雖然破碎比是確定破碎段數(shù)的主要因素,然而生產(chǎn)規(guī)模、設(shè)備性能和巖石巖性也有重要影響。開挖爆破的巖石經(jīng)破碎變成骨料要選擇合理的工藝方案與先進(jìn)的設(shè)備配套才是最佳的解決手段,推薦不同巖石破碎段宜優(yōu)先使用的設(shè)備。巖石與破碎設(shè)備選擇的關(guān)系見表8。3現(xiàn)代核砂制砂工藝從貓?zhí)尤壦娬鹃_始的干式制砂第1代人工砂石加工工藝一直到上世紀(jì)90年代在湖南江埡、碗米坡以及福建棉花灘、廣西百色等大型砂石項目中使用,因砂中石粉含泥及雜質(zhì)、粗骨料裹粉等影響混凝土質(zhì)量的問題無法解決,加上粉塵污染環(huán)境較為嚴(yán)重,現(xiàn)大型砂石系統(tǒng)中已經(jīng)不再使用該技術(shù)。上世紀(jì)70年代在烏江渡水電站采用了全開路全棒磨機濕式制砂技術(shù),80年代后期在東風(fēng)水電站砂石系統(tǒng)中采用了細(xì)圓錐破加棒磨機的制砂工藝,此期間國內(nèi)的廣西大化、巖灘以及湖南五強溪等水電站均采用了單一的棒磨機全濕式制砂,全濕式制砂技術(shù)缺點是能耗高、污染大、粉砂流失大。上世紀(jì)80年代的代表工藝為粗碎主要是旋回破、顎破開路生產(chǎn),圓錐破、反擊破中碎閉路生產(chǎn),棒磨機、細(xì)圓錐制砂細(xì)碎閉路生產(chǎn)。1993年在天生橋二級水電站白云砂石系統(tǒng)的粗碎開路、中細(xì)碎閉路、旋盤破碎機加棒磨機制砂技術(shù),在制砂工序中引入了旋盤破碎的制砂新理念,其優(yōu)點是產(chǎn)量高、能耗低;1996年二灘水電站砂石系統(tǒng)全部采用進(jìn)口設(shè)備分4段破碎開路生產(chǎn),制砂采用了旋盤破磨機和棒磨機生產(chǎn);1998年三峽工程擴建后在制砂上使用了立軸破加棒磨機制砂,補充和完善了全濕式的制砂技術(shù)。目前因?qū)χ粕肮に嚰夹g(shù)的認(rèn)識不一,還有大量的生產(chǎn)企業(yè)使用這一傳統(tǒng)技術(shù)。新世紀(jì)后研究出的半干式制砂工藝采用粗碎開路、立軸破完全取代了棒磨機,在工藝技術(shù)上作了重大調(diào)整,開發(fā)出了“3段破碎、過程閉路整形、未級出成品”的高品質(zhì)核電砂石骨料加工技術(shù),粗碎脫泥、細(xì)碎高頻篩分與選粉配套的“全自動控制技術(shù)”。在污水處理“零排放”的大量工藝及設(shè)備實踐與研究中,在目前世界上最大的3300t/h的人工砂系統(tǒng)中成功完成了這一課題的研究與實踐,推動了人工砂石向高品質(zhì)與低碳環(huán)保技術(shù)向前邁出了歷史性的一大步。4半干法制砂技術(shù)人工砂石生產(chǎn)技術(shù)從干式、濕式發(fā)展到節(jié)能、低碳、環(huán)保的半干式制砂工藝技術(shù),半干式制砂技術(shù)主要關(guān)注產(chǎn)品質(zhì)量、工藝技術(shù)、環(huán)保節(jié)能控制。(1)根據(jù)巖性成分、功指數(shù)、磨蝕指數(shù)選擇各段破碎設(shè)備類型。(2)根據(jù)各種粒徑骨料高峰時段的最大需求之和與生產(chǎn)