工程棄渣綠色制備高品質機制砂成套技術

沈玉，巨高權

（中交二公局第三工程有限公司，陜西 西安 710016）

0 前言

近兩年國家健全環保執法機制，加大監管力度，為保護生態環境，全面禁止河道采砂，嚴打非法采砂、堆砂、洗砂行為。在中央及各級政府部門的高度重視下，全國各地區“整砂行動”陸續開展，國內河砂價格屢創新高，且持續暴漲，2017 年至 2018 年，河砂價格瘋漲，即使高價之下，汛期仍然“一砂難求”，有錢也買不到，嚴重制約工程進度。砂石材料的稀缺也進一步導致價格的高漲，從 2013 年每噸 30～40 元上漲到目前每噸近 200 元。稀缺的砂石資源、暴漲的砂石價格，導致重點建設工程項目成本上升，中標項目的施工企業處于虧本的境地，面臨巨大的經營壓力。

各地區機制砂制作工藝的差異、生產工藝及流程控制不嚴，導致機制砂合格率低下，市場上的石料場生產的機制砂普遍存在級配不良、細度模數和石粉含量超標等問題，無法滿足高速公路混凝土用砂標準。這些因素都要求項目須充分利用隧道洞渣、路基石方爆破洞渣開展材料的自加工，以保證項目砂石等地方材料的供應，又達到材料成本可控的目的。

本研究結合施工項目自身特色，充分利用隧道洞渣、路基石方爆破洞渣等工程棄渣，通過對機制砂生產工藝的研究，形成全新的高品質機制砂生產工藝成套技術，使機制砂各項指標滿足規范要求，并成功應用于項目施工，為減少河砂開采、保護環境、節約造價和建設優質工程提供技術保障。

1 工藝原理及流程

1.1 工藝原理

充分利用隧道工程、路基石方工程的洞渣，通過頭破進入圓錐破，經圓錐破破型后進入整形機；通過整形機夾板及碎石間互相擠壓碰撞實現粒徑規則，增加機制砂細料含量；再經過水洗篩分，小于 4.75mm 的細料進入機制砂螺旋水洗機進行沖洗及細料回收、振篩過濾，實現機制砂的細度模數、級配、石粉含量以及潔凈度的質量指標合格；沖洗機制砂產生的泥漿進行發酵、壓濾處理，形成泥餅；對壓濾后的污水進行沉淀、澄清，最終實現機制砂的質量目標以及環保目標。高品質機制砂生產工藝原理及生產線布設如圖 1。

圖 1 高品質機制砂生產工藝原理及生產線布設

1.2 工程棄渣綠色制備高品質機制砂生產工藝流程

見圖 2。

圖 2 高品質機制砂生產工藝流程圖

2 操作要點

2.1 施工準備

（1）場地選址。選址要設置在場地較空曠處，面積 8000m2以上，地理位置相對較高處，周邊不容易發生地質災害處，電力方便且能夠取到水源，若無現成的溝渠取水，可以進行打井蓄水。

（2）設備安裝。安裝生產需要配備的設備，并進行調試，設備之間要有足夠的骨料生產堆放空間、材料裝運空間及其他機械設備迂回行駛空間。

2.2 生產過程

（1）洞渣由裝載機緩慢推進入口處，進入頭破工序進行鄂式破碎，對塊石進行粒徑分解，由塊石變成片石，由片石變成石渣。在喂料口設置緩沖輪胎，用于控制喂料速度（圖 3）。鄂式破碎機一側為固定板，另一側為活動板，對塊石進行沖擊夾破（圖 4）。

鄂式破碎機內部的構造見圖 5。

圖 5 鄂式破碎機內部構造

（2）鄂式破碎后的石渣進入圓錐破進行二次破碎，使石渣粒徑進一步細碎并產生 4.75mm 以下的細料。圓錐式破碎機的外觀和內部構造見圖 6、7。

圖 6 圓錐破

圖 7 圓錐式破碎機內部構造

（3）圓錐二次破碎后的石渣經過初篩（圖 8），粒徑大于 34mm 的碎石返回圓錐破進行第三次破碎（圖9），使碎石粒徑小于 34mm，并產生 4.75mm 以下的細料。

圖 8 初篩

圖 9 大于 34mm 粒徑返回圓錐破

（4）初篩后小于 34mm 的碎石輸送到整形機進行整形（圖 10），物料由機器上部垂直落入高速旋轉的葉輪內，在高速離心力的作用下，與另一部分以傘狀形式分流在葉輪四周的物料產生高速撞擊破碎，物料在相互撞擊后，又會在葉輪和機殼之間以物料形成渦流多次的互相撞擊、摩擦而粉碎，從下部直通排出，使碎石粒徑規則，減少碎石針片狀含量，提高碎石的抗壓碎能力；同時產生大量粒徑規則的 4.75mm 以下的細集料，用于制造機制砂；與圓錐破相比，整形機整形后的機制砂級配更加良好，細度模數達 2.8～3.0 左右。在皮帶輪下方設置細料回收刮板，增加機制砂產量及細料含量，減少抖落在地上的污染。圖 11 為整形機內部結構。

圖 10 整形機整形、制砂

圖 11 整形機內部結構

（5）整形后的碎石進行第二次篩分并水洗（圖12），根據預定的規格生產出 5～10mm 碎石、10～20mm 碎石、10～30mm 碎石（圖 13），對小于4.75mm 以下的細集料用于生產機制砂。

（6）對 4.75mm 以下細集料進行二次螺旋水洗（圖 14），沖洗水管順著螺旋水洗機由低到高一字排開，共設 15 個水龍頭，水龍頭開放個數可以有效調控機制砂的石粉含量；在泥漿池中設置兩臺泥漿泵，開動泥漿泵，對泥漿池中 0.075～0.6mm 的粉料進行循環回收，與前序機制砂一起循環沖洗，再經過機制砂振濾機（圖 15）濾水后生產出機制砂。振濾機采用 80 目篩網，篩網尺寸不宜大，大了將導致機制砂細料少，細度模數變粗；篩網尺寸也不宜太小，小了容易導致石粉含量超標。

圖 12 整形后水洗篩分

圖 13 篩分出三檔碎石

圖 14 螺旋式機制砂水洗機

圖 15 機制砂水份振濾機

（7）采用三個 80t 水泥罐作為泥漿發酵罐、污水沉淀罐、凈水循環罐，通過在發酵罐內添加聚氯化鋁與絮凝劑等化學試劑，對泥漿發酵，而后泥漿進入壓濾機（圖 16）進行壓濾處理，形成泥餅后轉運；將壓濾后的污水抽至沉淀罐進污水沉淀，下部沉淀后的泥漿進行壓濾（圖 17），上部澄清的水流入凈水罐，凈水罐內的水循環用于機制砂沖洗，實現污水零排放。

圖 16 泥漿壓濾設備

圖 17 壓濾后的泥漿

3 原材料與設備

3.1 原材料

用于生產機制砂的原材料為隧道洞渣或者路基石方爆破洞渣，要求母巖抗壓強度及堿活性反應滿足：I 類不宜小于 80MPa，母巖應不具有堿活性反應；Ⅱ類不宜小于 60MPa，Ⅲ 類不宜小于 30MPa，母巖若含有堿—硅酸反應活性礦物且具有堿活性反應性，應根據使用要求進行堿集料反應試驗；不宜使用具有堿—碳酸鹽反應活性的巖石制作機制砂。

3.2 設備配置

工程棄渣綠色制備高品質機制砂生產工藝機械設備見表 1。

表 1 機械設備配置表

4 質量控制

4.1 質量控制標準

（1）巖石母材抗壓強度應滿足 JT/T 819—2011《公路工程水泥混凝土用機制砂》標準中第 5.1.1 條款要求以及 JTG/TF 50—2011《公路橋涵施工技術規范》規范第 6.4.1 條款要求。

（2）機制砂各項指標應滿足 JT/T 819—2011《公路工程水泥混凝土用機制砂》標準要求，其中石粉含量、吸水率應滿足 GB/T 14684—2011《建設用砂》標準要求。

（3）根據規范要求的試驗檢測頻率，對生產的機制砂進行抽樣檢測，檢測結果均符合上述質量控制標準，可用于各強度等級的混凝土工程。

4.2 質量保證措施

（1）生產前由生產隊長組織工人對工藝流程進行生產技術交底，明確機制砂生產質量控制要點。

（2）生產全過程由生產隊長進行管控，以確保生產的機制砂質量滿足規范要求，落實過程控制。

（3）對成品機制砂進行檢測，包括破碎場自檢與試驗室抽檢，特別是對關鍵指標，如細度模數、級配、石粉含量及亞甲藍 MB 值加大抽檢頻率，針對檢測出的不合格指標及時調整生產過程中影響質量的環節，使最終檢測結果符合規范要求。

5 技術優勢

（1） 機制砂生產線技術改進。改進常規的生產線布置，由顎式破碎機（頭破）—圓錐破碎機（二破）—振動篩（初篩）—整形機（細碎、制砂）—振動篩（水洗篩分）—螺旋式機制砂水洗機—機制砂濾水機—泥漿壓濾機—污水處理系統組成。

（2）機制砂各項指標均在可控范圍。使用該工法生產出來的高品質機制砂有以下優點：粒徑規則，級配良好，細度模數 2.8～3.0 達中砂水平，石粉含量 3%～5%，亞甲藍指標小于 1.4，其余指標均符合規范要求。

（3）機制砂含水率得到有效控制。采用普通工藝生產出來的機制砂含水率高達 17%～20%，采用本工藝生產的機制砂含水率達 10% 左右，可有效地控制其含水率，使生產出的混凝土質量得到較好的控制。

（4）降塵除塵效果明顯。采用全過程水洗機制砂工藝，在各個環節均實現無塵生產，降低對周邊環境的粉塵污染。

（5）水洗后產生的泥漿零排放。通過壓濾設備對泥漿進行發酵、脫水并壓制成泥塊處理，實現特定區域的泥漿零排放。

（6）實現污水零排放。通過添加試劑，對壓濾后的污水進行沉淀、澄清，澄清后的水達到排放標準，循環用于進行沖洗機制砂、碎石，可有效地節約水資源，并對周邊水資源環境形成保護。

（7）可減少后期的污染治理。采用該工藝生產機制砂，可減少工程結束后期治理，實現環保目標。

（8）自生產機制砂質量可控，不受外界因素干擾。自產機制砂與外購相比，能夠更加有效地管控產品質量，項目部對機制砂支配有自主權，減少對當地地材市場的依賴，為現場混凝土順利施工提供保障。

（9）適用于隧道工程、路基石方工程的洞渣消耗及碎石、機制砂生產，本技術實用性強，在環境保護區域與自然區域均適用。當河砂資源嚴重匱乏、水資源使用受限制時采用本技術經濟性最佳。

6 經濟效益分析

項目自產機制砂用于水泥混凝土施工，普通混凝土本次暫不統計在內，僅統計在預應力混凝土中使用量，預應力混凝土有 96870m3，其中預應力高性能海工混凝土共有 37694m3，根據施工配合比計算，預應力混凝土需要砂用量約 68777t。

自產機制砂、外購機制砂、外購河砂綜合成本計算見表 2。

通過對自產機制砂、外購機制砂、外購河砂之間發生的成本進行計算分析，自產機制砂產生的效益見表3。

表 2 自產機制砂、外購機制砂、外購河砂綜合成本計算表

表 3 自產機制砂效益計算表

綜上所述，本研究成果的機制砂直接替代河砂用于預應力混凝土，通過試驗室配合比數據統計，機制砂等量替換河砂使用，其他材料用量一致，混凝土各項指標均滿足配合比設計及規范要求。自產機制砂折算綜合成本后，單價較低，與外購河砂相比節約 432.6 萬元；與外購機制砂相比節約178.1萬元。外購機制砂與河砂相比可節約 254.5 萬元。由此可見，本研究成果取得的經濟效果可觀。

7 結語

隧道及路基爆破洞渣常規處理方法是：征地棄方或經破碎后用于工程建設。前者會造成大量土地資源浪費，后者則帶來粉塵污染。即便后者對破碎設備加裝水洗系統，泥漿一般也會直接排入河道，形成堵塞和水資源污染，后期不得不進行費用昂貴的治理，得不償失。這些方法對環境帶來巨大影響，且先污染后治理的做法，違背了可持續發展戰略。

工程棄渣綠色制備高品質機制砂成套技術，減少了隧道洞渣棄方，減少棄渣場征地，生產出來的機制砂取代河砂應用于各強度等級混凝土中，克服了項目生產過程中河砂資源短缺的困難，機制砂完全等量取代了河砂，且混凝土中其他材料用量與河砂配合比一致，減少了河砂資源的開采，節約了混凝土成本，解決了洞渣破碎帶來的粉塵污染和水洗帶來的水污染難題，保護了當地的生態環境。

在洞渣破碎環節中，采用工程棄渣綠色制備高品質機制砂成套技術，帶來一系列的社會效益，降低了生產過程中的粉塵污染，對景區和周邊環境影響降到最低程度；水洗篩分產生的泥漿通過壓濾凈化系統，將泥漿與水干濕分離，泥漿壓濾成餅塊狀運輸至場外集中存放，污水經高效聚氯化鋁澄清濾凈沉淀，現場取樣檢驗達到排放標準，可確保水資源不受污染；同時澄清濾凈處理后的水再用于機制砂生產循環使用，有效減少水污染和節約水資源。