干法工艺制砂的质量控制

魏海周

1引言

目前，砂石工业由粗放式发展逐步转向绿色发展方向。干法制砂占地小，不需要大量的水资源且极少产生废水，可以减少水资源浪费和污染。需要操作和管理人员少，产能大，生产成本较低。运用先进的环保技术实践推广干法制砂工艺，可实现生态保护与经济发展的协调平衡发展。

干法生产工艺中以机制砂的质量控制为生产过程中的重难点，干法工艺生产的机制砂往往因石粉含量靠近上限、细度模数居高不下、级配连续性不好等原因不满足工程结构混凝土的质量要求。

2 干法制砂工艺质量影响因素

选择合理的设备配置和工艺流程设计，采用合适的干法制砂工艺流程，全面地考虑各种因素，才能够确保制砂生产系统的稳定、高效。笔者通过多个砂石生产线制砂工艺和母岩岩性等试验数据的对比分析，研究了不同工艺生产的机制砂对混凝土坍落度、抗压强度等主要指标的影响，找到机制砂质量的工艺影响的因素。通过经验总结，影响干法制砂工艺生产效果的主要因素有以下方面：

1）原料工况。从岩石特性抗压强度考虑是软岩还是硬岩，设计工艺和设备选型；母岩质量是碎石和机制砂质量控制的源头，所以母岩强度应符合《人工砂混凝土应用技术规程》JGJ/T241-2011的规定：火成岩≥100MPa、变质岩≥80MPa、沉积岩≥60MPa。另外若是花岗岩为主的母岩，那么应加强对母岩及成品云母和石英含量的检测。从原料含水率大小考虑，含水率低于2%的原料才适合干法制砂工艺。

为保证机制砂不具备潜在碱活性，还要对母岩进行碱活性检测，母岩应在进行碱集料反应试验前采用岩相检验碱活性的种类及所含活性矿物的类型和数量。当检测出母岩中含有活性二氧化硅时，应采用快速碱硅酸反应法和砂浆长度法进行碱活性检验;当检测出母岩中含有活性碳酸盐时，应采用岩石柱法进行碱活性检验。

2）工艺设计。所谓干法生产工艺是指母岩在破碎筛分、砂石整形及加工工艺过程中，除个别除尘工艺环节喷雾降尘及防止成品砂离析喷雾用少量水外，整条生产线的工艺过程基本不用水。干法工艺适用母岩地质赋存条件简单，覆盖层少，断层及裂隙土少;矿石中泥土及有机物等杂质含量少;气候干旱少雨，水资源缺乏地区。传统的干法生产工艺大多以三段式破碎生产加振动筛筛分、选粉机选粉来生产砂石骨料。一般干法工艺的进料条件要求相对苛刻，粒径要求偏小，含水率较低。一般粒径处于0-15mm范围比较合适，如果粒径达到0-50mm，则会增大返回处理量，降低产量，增大磨损。

3）技术指标。细度模数、含粉量、MB值等质量指标需符合国家或行业标准。机制砂的细度模数与石粉含量是相关联的，一般生产过程中控制的机制砂细度模数越小，产生的石粉含量越高。为了降低石粉含量，机制砂的细度模数一般偏大，并且级配不良，通常是两头多中间少，即粗颗粒(2.36mm以上)和细颗粒(0.15mm以下)较多，但是中间颗粒(尤其是1.18-0.3mm之间的颗粒)较少，导致配制的混凝土易于离析，对混凝土的强度也有不利影响。
   4）设备选型。设备选型非常重要，直接影响砂石生产的质量和成本，在设计与设备选型时，应充分分析料源岩石的性质、骨料成品的级配和质量要求、主要设备的技术性能等。系统设备配置既要具有技术上的先进性，经济上的合理性，还要保证系统运行的可靠性。机制砂干法生产的主要设备有制砂设备、检查筛分设备、石粉分选设备。立轴冲击式整形机是目前应用普遍的制砂设备。主要用于对中小石料进行整形破碎，优点是生产效率高、砂子粒型优、设备结构简单，土建及安装工程量小，在生产中使用较广；缺点是能耗高、砂石级配不够理想、中间级配砂子含量偏低。

辊磨机具有结构简单、超细碎作业可控制砂子细度模数等优点。因为其为挤压式破碎，对硬质、中硬质、腐蚀性较高的物料破碎制砂优势明显；缺点是砂子粒型较立轴冲击破差，且产品中可能有微裂纹。一般会与立轴冲击破配合用于硬质、腐蚀性高物料的制砂生产线中。机制砂检查筛分设备一般选择高频筛、直线振动筛、圆振动筛或三轴椭圆振动筛。

无动力选粉机能够高效的将物料中所掺杂的细粉剥离出来。内部使用耐磨陶瓷内衬，无转动部件，故障率低；采用负压操作，无粉尘外溢。

5）其它技术。从除粉技术、耐磨技术、级配调节技术、智能控制技术和环保技术等方面考虑优化制砂工艺。

3 工程实例

该砂石生产线系统占地面积约8000㎡。料源主要采用六安高速主线K96+900位置为贞丰停车区开挖料和部分隧道洞挖料。主要供应公路结构混凝土及二期路面。母岩以三迭系下统硬质岩为主，主要出露岩层为永宁镇第一段灰色灰岩加泥质灰岩。砂石生产线采用干法工艺，车间采用彩钢瓦全封闭，车间配置除尘器并布置喷雾降尘装置，减少灰尘，满足环保要求。采用三段破碎，粗碎采用开路生产，中碎采用闭路生产，细碎闭路生产制砂并对成品粗骨料整形。

为满足混凝土用砂石粉含量的要求，在细碎车间配置无动力选粉机，控制成品砂的石粉含量。为调整砂的细度模数，在砂筛网设置5mm、3mm组合筛网，对粗颗粒进行循环破碎。

结合岩石性质、系统处理规模及公路工程对骨料的要求等，主要加工设备粗碎采用颚式破碎机，中碎采用反击式破碎机，细碎采用立轴冲击式破碎机。

从生产开始的各个环节采取专项措施解决传统干法生产中的机制砂石粉含量高、细度模数偏上限的问题。毛石装车是生产的开始，装车毛石的干净度将直接影响机制砂的质量，在建立相应的检测监管和奖惩制度，确保毛石的干净的同时，使用带筛分斗的挖机进行装料，可将部分含泥石渣筛除提高毛石的干净度。毛石进入受料坑后，通过棒条给料器筛除弃料，增加二次除泥筛，将棒条筛除的弃料二次筛除回收合格的毛石确保产能和资源的利用率。而后毛石经过粗破和中破进行加工破碎，经过初筛时不筛分出半成品砂，确保所有的半成品砂都是经过制砂机加工后再筛分。制砂机使用立轴式冲击破碎机，粗砂和半成品骨料在叶轮和机壳中形成涡流式多次相互撞击、摩擦而粉碎，形成周期循环的闭路破碎，生产出的机制砂细度模数级配较好。半成品的机制砂通过砂筛筛分得到，砂筛筛底的筛网类别和孔径的选择将直接影响成品砂的细度模数，经过大量的实验得出砂筛筛底使用孔径为4.0mm与3.0m编制筛网、按6:4的比例组合时在确保细度模数符合要求的同时也能保证产量；砂筛底层筛网尝试改用 2.5mm 的波浪形筛网，机制砂的细度模数能保证但产能下降明显，适用需求量小的系统。半成品机制砂在通过选粉机选粉后即为成品砂，选粉机主要是对半成品机制砂中超量的石粉进行抽离，石粉含量的多少对成品砂细度模数的影响为负相关，所以超量和过少的石粉含量都是不被允许的，选粉机的最佳工况需通过大量的实验得到。通过以上措施的严格要求，系统生产的机制砂将达到结构混凝土的实验需求。

4  质量控制要点

砂石系统采用三段破碎。粗碎采用开路生产，中碎采用闭路生产，细碎闭路生产制砂并对成品粗骨料整形的干法生产工艺。对机制砂质量产生影响的主要因素包括：原材料毛石的质量、砂含水率、砂筛底层筛网孔径、选粉机工况。

干法制砂石粉含量及细度模数调整工艺流程如图1所示。

 

 

图 1干法制砂石粉含量及细度模数调整工艺流程图

1、原材料毛石的质量控制

砂石系统毛石来源为山体开挖料或者洞挖料。用于生产的毛石须严格控制质量，建立相应的检测、监管和奖惩制度，含泥量没有一个明显的数值，但是在选取原料的时候要尽量选择粉细料含量少的，确保毛石的干净。干净度不好时，可使用待筛分斗的挖机进行毛石的挑选和初步筛除。

2、砂含水率调控

在对混凝土配合比进行试验的时候，需要分析石粉对混凝土性能的影响；要严格控制制砂原料的含水和含泥量，最好在骨料生产时进行分离操作，将含水和含泥过高的过滤掉，以免对成品砂的质量造成影响。含水量应当不超过2%，以保证石粉的分离和成品砂的筛选。全程生产应当封闭进行，以免雨水天气对骨料造成损坏。

砂的含水率作为直接检测指标的同时、砂含水率的变化将直接影响选粉机对砂的调控进而影响砂的其他检测指标。确保砂含水率的相对稳定，将有效的确保砂的生产质量。

雨水对含水率的影响：砂石系统全部建成后会将个车间、堆场及胶带机进行封闭，系统尽量避免在大雨天生产，阴湿天由于外封闭的保护，雨水对砂含水率影响较小。

系统降尘用水对砂含水率的影响：砂石系统采用落料点喷淋用于降尘，落料点包括车间设备的下料口及部分胶带机机尾。落料点喷淋起到降尘作用的同时也起到稳定砂石含水率的作用，通过阴湿天调小降尘水，晴天多加降尘水及前期试运行的检验积累，目前能基本保证砂含水率的相对稳定。

3、砂筛底层筛网孔径调整

砂石系统机制砂是半成品骨料通过制砂机加工后再通过砂筛底层筛网筛分后经选粉机进入成品料仓，砂筛筛网的孔径直接影响机制砂的细度模数。前期试运行阶段按设计要求砂筛底层筛网全部使用4.0mm孔径的筛网。按设计安装试运行后发现砂的细度模数接近规范上限，不利于混凝土的生产调试，现通过调整部分砂筛中筛网的直径为3.0m、再与原有的4.0mm的筛网相互搭配筛分比例来调整细度模数，使其位于混凝土适配区间。

4、选粉机工况调节

砂石系统选用的选粉机多为无动力分选机也叫重力惯性分级机，其利用空气流、重力和气流方向变化，来实现0-5mm物料的分级。装置结合利用重力、惯性、离心力和空气动力，对粒度在0-5mm之间的物料进行分级。给料和初级空气从顶部向下进入分级机。气流改变方向120度，并携带细颗粒经由叶片离开分级机。因自身重力而无法随气流转向的粗颗粒，则下落到分级机底部，然后经由一个阀门排出。从叶片下部吹入的二次空气强制穿过下落颗粒幕。这些接近分级点的粗颗粒被二次空气流转向，进入心形腔室的涡流中。进入分级机时被捕获的细颗粒和从涡流中拖出的其他颗粒，均由出口空气带入集粉器（除尘器），进行收集通过胶带机转入石粉仓。机制砂通过选粉机后将优化细度模数和含粉率。选粉机的主要工况调节是通过调节选粉电机转速来控制进出风量来调整砂的细度模数和含粉率。电机最优转速的选择需通过不断的试验来确定。

5、使用过程中含水率的控制

机制砂由于石粉含量较高，故其内部的含水量会随外部环境变化较大，容易因为存放在料仓的机制砂含水量不均匀，使搅拌后的混凝土状态不稳定，坍落度变化较大，给混凝土控制带来困难。针对该问题可在成品出机时增加喷水装置，使机制砂具有稳定的含水率，含水率在3%～5%为宜，既能降尘保护环境，还能防止机制砂离析，也保证机制砂含水率均匀。机制砂存放在成品料仓时，料仓堆放高度不得高于5m，这样既能减少含水量内部变化较大，也能防止机制砂滚落离析。

4、结语

综上所述，干法加工机制砂成品质量与母岩性质有很大关系。在生产前，需对母岩性质进行全面调查，查明其岩性、强度、弹性模量、构造及结构、空隙率、吸水率、坚固性，是否存在有害或不利成分等，并评价其对成品质量、产量及对混凝土质量的影响。然后从工艺设计、设备选型、设备安装、毛石优选、机械设备调整等方面进行分析调整，在各个阶段进行质量控制，除了定期定批进行质量检测之外，应关注母岩的变化并及时进行相关检测和试验。通过以上措施的严格要求，干法生产的机制砂能达到结构混凝土的实验需求。

参考文献：

[1]陈景波，熊丹，朱淑枝. 机制砂使用过程的质量监控. 广东公路交通,2019（5）.

[2]蔡基伟．石粉对机制砂混凝土性能的影响及机理研究[D]．武 汉:武汉理工大学，2006．