高速鐵路自產機制砂生產工藝研究及試驗分析

李 建

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高速鐵路自產機制砂生產工藝研究及試驗分析

李 建

（中鐵五局測繪試驗中心 貴州貴陽 550008）

本文通過對自產機制砂生產工藝特點及與地方機制砂、河砂的室內對比試驗分析，闡述了自產機制砂在技術和經濟上的優越性，對改變地方機制砂的質量現狀，有一定參考意義。

自產機制砂；工藝特點；對比試驗

由中鐵五局承建的滬昆鐵路客運專線貴州段CKGZTJ-8標，位于貴州安順市境內，起訖里程為D2K784+137～DK818+413，線路長36.5km。混凝土總量約120萬立方米，強度等級C15～C60，涉及橋涵、隧道、路基等工程，砂用量達60萬立方米以上。由于地理位置原因，貴州境內河砂資源匱乏，最近也需從湖南、云南或廣西等地運入，運輸難度大、單價高，對工程進度、成本及質量非常不利，因此從外省大量運入河砂生產混凝土既不現實也不可取。為解決混凝土用砂難題，本項目投入資金2000余萬元自建砂石場，采用先進生產工藝，利用當地豐富的石灰石資源生產機制砂，使混凝土用砂問題得到有效解決，而且效益可觀。

本文主要闡述自產機制砂的生產工藝特點及與地方機制砂、河砂的對比試驗情況，對今后使用機制砂配制混凝土有一定參考價值。

1 生產工藝

雖然機制砂在建筑工程中應用已有近40年之久，但其生產工藝普遍較落后，砂質量普遍較差，而且對環境污染較大。

項目開工前，我們調查了安順境內近30個砂石場，生產工藝均簡單落后，主要有兩種，一種為簡易制砂機，僅有簡單的破碎和篩分設備，只對砂的最大粒徑進行控制。另一種更是簡單，沒有專用制砂設備，直接將生產碎石后的篩下顆粒當作砂。這些砂石場所產砂質量都比較差，泥塊含量、石粉含量、針片狀顆粒含量較大，細度模數、壓碎指標值偏大，顆粒級配差，而且產能小，粉塵對環境污染也比較嚴重。我們對這些砂石場的機制砂取樣進行了試驗，結果見表1，由試驗結果可知地方機制砂絕大部分質量指標不能滿足高速鐵路混凝土標準要求，如用于高速鐵路，必須進行篩分、水洗二次處理才能滿足質量要求，并且二次處理后數量損失達20～30%，資源浪費嚴重，成本大幅增加。

表1 地方機制砂試驗結果統計表

為改變地方機制砂的質量現狀，使其滿足高速鐵路混凝土質量標準要求，我們經過多次調研和反復試驗，從母巖選用、生產設備選型、生產工藝優化等環節著手解決問題。

1.1母巖選用

母巖是機制砂成品質量的基礎，要想生產出優質的機制砂，必須選用優質的母巖料源。首先，母巖材質應均勻致密，風化石及軟石含量少，強度滿足標準要求，不應潛在堿活性；其次，巖體夾層及表層黏土含量少，硫化物及硫酸鹽、氯離子等有害物質含量均符合標準要求。為保證母巖選用的準確可靠，項目對管段內4座礦山的巖石分別鉆探取芯，并按要求進行相關試驗，其中金銀山巖石質量整體較好（試驗結果見表2），儲量滿足項目工程需求，經濟成本也在可控范圍內，因此選定金銀山作為本項目自產機制砂的母巖料源。

表2 金銀山母巖試驗結果

1.2 生產設備選型

生產設備是機制砂質量優劣的重要條件，應根據母巖強度、巖相成分及砂的質量要求選用適宜的制砂設備，并根據試生產情況對設備進行技改。地方機制砂場設備相對簡單，條件好的僅配備鄂式制砂機和一級篩分設備，其余的根本沒有專用的制砂機，而是將生產碎石后的附屬物當做砂，所以其粒形、級配、潔凈度均無法滿足標準要求。自產機制砂場從選料、破碎、整形、篩分、吸塵、水洗等環節選配設備，從硬件上有效解決了地方機制砂生產環節上的諸多不足。自產機制砂場選用的主要設備有選料振篩機、鄂式破碎機、1315V反擊式破碎機、一級振動篩、VI-8000整形機、2XL-195制砂機、螺旋式洗砂機、ZXMC-360-3吸塵裝置、二級振動篩、三級振動篩等，詳見圖1。

圖1 自產機制砂設備配置圖

1.3 生產工藝優化

生產工藝是機制砂質量好壞的關鍵，自產機制砂場對生產工藝進行了優化革新（生產工藝流程見圖2），使機制砂的泥塊含量、石粉含量、粒形級配等指標得到有效改善。與地方機制砂比較以下幾方面工藝是新的突破。

⑴為減少泥塊含量，在母巖進入鄂破斗前，設置了一段長約10米的振動篩，能篩除母巖中大部分泥塊，從源頭減少了泥塊含量。

⑵為減少石粉含量，采用“吸洗雙控”工藝，即在破碎、篩分等環節設置吸塵裝備，最后采用螺旋式洗砂機對砂進行均勻清洗，石粉含量可通過調整吸塵裝置風壓和洗砂機水量進行控制。另外，粉塵吸取到儲存罐集中處理，可用作級配碎石填充料或水泥礦料，洗砂的污水經過三級沉淀循壞利用，工藝綠色環保。

⑶為減少針片狀顆粒含量，改善粒形，采用整形機對顆粒進行整形。整形工藝原理是骨料在整形機中高速運轉過程中，骨料之間相互高速撞擊、摩擦，使抵抗外力能力最弱的針片狀顆粒在外力作用下折斷、破碎等，最后形成抵抗外力能力較強形狀較規整的顆粒。

⑷為控制細度模數，使砂級配可控，生產過程中將影響細度模數的3～5mm顆粒經二級振動篩輸送帶送入制砂機進行再次加工，從而保證了細度模數和級配符合要求。

圖2 生產工藝流程

1.4 質量檢驗

為確保出廠機制砂質量滿足標準要求，在砂石場設置試驗室，配置砂石檢驗設備，配備專職試驗人員，每2小時對生產的機制砂進行抽樣檢驗，杜絕不合格產品出廠，并根據試驗結果及時調整生產工藝參數，使機制砂質量穩定可控。

2 試驗

2.1機制砂品質試驗

我們對自產機制砂近2年的試驗數據進行了統計，并與湘江河砂、地方機制砂對比，結果見表3。由試驗結果可以看出，自產機制砂石粉含量、泥塊含量、壓碎指標值、細度模數、顆粒級配等指標均滿足C50等級混凝土標準要求，與地方機制砂比較有質的提高，其品質達到甚至優于河砂。并且自產機制砂最大的特點是各項指標穩定可控，質量波動小，這是天然河砂也無法可比的。

表3 砂品質試驗結果統計

注：湘江河砂為滬昆客運專線鐵路某預制梁場用砂料源。

2.2 混凝土配合比室內試驗

我們采用自產機制砂、地方機制砂及河砂進行了大量的室內配合比設計試驗，混凝土等級有C15、C20、C25、C30、C35、C40、C50、C55、C60等。

其中C40及以下等級混凝土配合比采用自產機制砂與地方機制砂進行試驗對比，配合比試驗用原材料見表4。我們選有代表性的C30、C40配合比進行對比，見表5。由表中試驗結果可知，自產機制砂配制的混凝土較地方機制砂膠凝材料用量每方約少50kg，單方用水量少10～20kg，減水劑用量少約10%，工程成本大幅降低。并且坍落度及含氣量損失較小，拌和物性能好于地方機制砂，利于現場澆筑施工，其抗壓強度、電通量等指標也明顯優于地方機制砂配制的混凝土。經分析，主要是因為自產機制砂粒形級配好、石粉含量小、有害物質含量少、顆粒強度高，即使配制混凝土的膠凝材料、拌和水、減水劑用量減少，混凝土同樣能達到均勻密實的效果。

表4 C40及以下等級混凝土配合比用原材料一覽表

表5 自產機制砂與地方機制砂混凝土試驗對比表

在C50梁體混凝土配合比設計中，我們分別采用河砂和自產機制砂試配，對拌合物性能、力學性能、耐久及長期性能進行試驗對比。從試配結果來看，機制砂與河砂混凝土配合比相接近，稍有差異的是為滿足拌合物性能需要，僅對砂率、減水劑用量有較小調整。機制砂配制的C50等級混凝土拌合物性能良好，并且在試拌過程中觀察比較，機制砂混凝土拌合物的和易性也不亞于河砂。而力學性能指標方面，機制砂混凝土28天立方體抗壓強度、軸心抗壓強度、靜力受壓彈性模量、劈裂抗拉強度較河砂混凝土略有偏高。同時，我們對機制砂混凝土的電通量、抗裂性、抗滲性、抗凍性、鋼筋銹蝕、碳化、收縮等長期和耐久性試驗數據進行分析，各試驗值均正常。對比發現有差異的是機制砂混凝土快速凍融200次的相對動彈性模量P值較河砂混凝土偏小1%～2%，收縮率較河砂混凝土偏大2%～4%，其它指標相接近。這說明，優質機制砂配制高速鐵路較高強度等級混凝土，技術上是可行的。

3 效益

與地方機制砂比較，自產機制砂混凝土直接成本大幅降低，不同等級混凝土達12～18元/m3,整個項目節約成本約1800萬元，經濟效益可觀。另外，混凝土質量內實外美，得到各方人士的好評。

4 工作建議

隨著國家基礎建設投入的不斷擴大，混凝土需求量越來越大，而配制混凝土所需的砂石無疑是最大宗原材料，特別是鐵路建設項目混凝土砂石供需矛盾將十分突出。對大規模的鐵路工程建設項目，很多單位將采取自建砂石場來減小質量、成本、進度等壓力，而自建砂石場的建設問題又是一個新課題，針對鐵路項目自建砂石場建設有以下建議：

⑴項目開工前應先做好地方砂石市場的調查工作，專題研究，對工程質量、成本、進度綜合分析評估，超前籌劃。

⑵砂石場的建設位置及規模應根據運輸條件、工程需求、成本等綜合考慮。

⑶破碎機、制砂機及除粉設備須選型合理、運行可靠，其生產工藝參數應通過試驗優化選取。機制砂應至少采用三級破碎工藝。應注重粒形、級配、除粉等環節工藝。

⑷母巖礦山宜納入鐵路紅線用地范圍，對降低成本、簡化建廠手續有利。礦山選定前應地勘取樣進行試驗，應使用質地堅硬、材質均勻、潔凈、無風化石及軟弱顆粒的石灰巖、白云巖、花崗巖、輝綠巖和玄武巖等巖石，其抗壓強度、SO3含量、堿活性等指標應符合相關標準要求。不得使用泥巖、頁巖、板巖。

⑸生產過程中應加強母巖監測，杜絕使用不合格母巖。應加強設備維護保養，及時更換易損部件，確保砂石質量穩定。

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