隧道洞渣制備機制砂的細度模數控制系統研究與應用

林 靖，任 陽，鄭 軍，周 磊，高旭東，姜世霖，王 肖，汪 崢

（1.中鐵工程服務有限公司，四川 成都 610083；2.川藏鐵路技術創新中心有限公司，四川 成都 610213；3.中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610083）

0 引 言

機制砂是指由機械設備破碎、篩分等工藝制成的粒徑小于4.75 mm的巖石顆粒，主要性能參數包括顆粒形狀、級配、細度模數以及石粉含量、含泥量、壓碎值指標等[1]。近年來，隨著國內外建筑、市政工程、鐵路、隧道等建設的飛速發展，機制砂作為天然砂的一種替代資源已占據越來越重要的地位[2-3]。面對天然砂石骨料的短缺，我國在20世紀中期開始對機制砂產品進行研究與應用，最早應用于水利水電建設中，后期的應用越來越廣泛[4]。目前，隧道建設過程中需要大量的砂石骨料，而隧道洞渣巖石特性多變[5]，生產出的成品機制砂細度模數波動大。因此，在利用隧道洞渣制備機制砂時，有必要對隧道洞渣制備機制砂的細度模數控制進行研究，從而緩解隧道建設過程中砂石骨料短缺和降低工程造價需求。

國內外學者針對機制砂級配對混凝土的影響，以及隧道洞渣制備機制砂和機制砂質量控制等方面開展了大量的研究，取得了豐碩的研究成果。在機制砂細度模數對混凝土的影響方面，從不同側重點分別就主要參數對混凝土性能的影響規律展開了研究，并提出了控制標準建議值[6-8]。莊紹牧[9]研究了機制砂細度模數的變化對堆積密度、混凝土工作性、力學性能的影響。劉波[10]研究了人工砂的細度模數，通過降低人工砂的空隙率及表面積，可以調節混凝土的和易性，減小了混凝土裂縫的產生。吳立紅等[11]研究了砂子細度模數的不同對混凝土和易性的影響，得出細度模數每減小0.1，坍落度就降低約10 mm。吳永根等[12]研究得出細度模數對道面混凝土性能的影響規律，確定適合機場道面混凝土用砂細度模數范圍。SHEN等[13]參照富勒曲線調整機制砂顆粒級配，研究了現顆粒級配對機制砂混凝土工作性能和抗凍性能的影響。KUMAR等[14]研究了細集料級配，得出保持機制砂較細組分和較粗組分的適當級配，自密實混凝土能達到預期的耐久性特征。因此，控制機制砂顆粒級配是提高機制砂性能的關鍵因素。

在隧道洞渣制備機制砂和機制砂質量控制等方面，鄧濤[15]通過工藝優化與質量控制，將洞渣制備的機制砂成功應用于C30水下混凝土、C25二襯防水混凝土、M5路面水泥混凝土及C50 T梁混凝土。張立人等[16]利用隧道花崗巖洞渣生產的機制砂，制備出具有力學性能優良且高抗滲和抗凍性能的C50混凝土。TANG等[17]對隧道礦渣機制砂漿和混凝土的性能進行研究，得出機制砂混凝土的抗折強度、抗壓強度均大于相同石粉含量的標準砂。宋宏偉等[18]研究一種砂率修正方法，為花崗巖機制砂混凝土的工程應用積累經驗。邵建峰等[19]研究了高品質機制砂的生產工藝，并建立了質量控制模型。何文敏[20]研究了砂的細度模數與級配之間關系，對配制混凝土選用砂具有重要參考意義。楊毅[21]研究了混凝土細骨料試驗細度模數計算方式，得出了細度模數計算法準確率較高且實際誤差較小。

目前，雖然在機制砂細度模數對混凝土的影響，以及隧道洞渣制備機制砂和機制砂質量控制等方面已有一定研究，但對機制砂細度模數的在線調配與閉環控制的研究較為少見。在現階段的工程實踐中，大部分生產者只能通過粗略地調整篩網規格和物料比例試產后，以砂堆取樣試驗室監測的方式來判斷機制砂的級配，無法在線調控機制砂的細度模數，導致混凝土生產企業經常需要更改配方和試驗，不僅增加工作人員的勞動強度，而且無法保證混凝土的穩定性。因此，亟需研究一種可用于機制砂細度模數的在線控制系統，實現對砂石生產細度模數的閉環控制，降低綜合成本。

1 控制系統總體方案設計

機制砂作為建筑、市政工程、鐵路、隧道等建設的重要來源，如果能實現隧道洞渣制備機制砂細度模數的閉環控制，就可以讓后期混泥土的質量得到保證。根據不同的制砂工藝，應從以下幾個方面進行研究設計。

1）不同破碎工藝生產的機制砂的粒形、顆粒級配、細度模數不同。本文以“常速+高速”雙立軸制砂工藝為基礎，結合雙重選粉和細度模數、顆粒級配、石粉含量、產物比例可控制調節功能的新型雙立軸聯合整形制砂工藝，進行隧道洞渣制備機制砂細度模數控制系統的研究。主要設備配置見表1，工藝路線如圖1所示。

圖1 制砂工藝Fig.1 Process of sand making

表1 主要設備配置表Table 1 Configuration table of primary device

2）在實際工程應用中，基于篩分設備的性能因數、成本控制等問題。選擇將公稱粒徑為0～5.0 mm的機制砂分為兩類，第一類是公稱粒徑為0～2.5 mm，第二類是公稱粒徑為2.5～5.0 mm。通過調配兩類砂的比例，實現對細度模數的調節。

3）將其中一類砂設置為定速傳輸，另一類砂設置為變速傳輸，并且兩條輸出路徑均配置稱重系統，實現兩種類型砂的比例調節，實現調節細度模數比例的便捷性。

4）將其中一類砂的進料量進行分流控制，設計相應的溢流口，實現兩種類別的砂對最小需求量的功能。

5）在變速傳輸皮帶上設計相應的定量裝置，實現變速傳送對輸出砂的在線線性控制。

6）要配置細度模數在線監測裝置和電氣控制系統，實現細度模數的在線閉環控制。

2 控制系統原理設計

生產系統將粒徑為0～31.5 mm的原料送入制砂系統，生產系統生產出來的料會輸送到篩分系統，篩分系統將砂石骨料按不同粒徑進行篩分處理。將篩分系統輸出的公稱粒徑為0～2.5 mm和2.5～5.0 mm的砂輸送到細度模數控制系統。將公稱粒徑為0～2.5 mm的砂輸送到定速皮帶，配備稱重系統，實現定速定量稱重；利用電動分料裝置將公稱粒徑為2.5～5.0 mm的砂輸送到調速皮帶，配備稱重系統，實現變速變量稱重。根據定速皮帶上公稱粒徑為0～2.5 mm的砂量來調節變速皮帶的速度，控制公稱粒徑為2.5～5.0 mm的砂輸出量。

變速皮帶的輸出量需要根據定速皮帶的輸出量進行調節。首先，需要保證變速皮帶的進料量處于飽滿狀態，同時需要設計溢料裝置，利用溢料裝置將富余的公稱粒徑為2.5～5.0 mm的砂返回制砂系統。其次，需要保證變速皮帶上公稱粒徑為2.5～5.0 mm的砂到達稱重系統之前其輸出的截面恒定，這樣才能通過調節速度的方式來調節公稱粒徑為2.5～5.0 mm的砂輸出量。

當生產系統處于穩定狀態后，通過實驗確定機制砂的顆粒級配，對公稱粒徑為2.5～5.0 mm的砂輸送量進行設定，進而調配出滿足標準要求的細度模數。另外，也可將混合后的兩類砂經過在線質量監測裝置對其細度模數進行監測，監測結果反饋至控制系統，控制系統再來調節相應的參數，實現對成品砂細度模數的控制調節，實現細度模數的閉環控制。細度模數控制系統原理如圖2所示。

圖2 控制系統原理圖Fig.2 Schematic diagram of control system

3 控制系統性能參數

3.1 機制砂的細度模數

根據《建設用砂》（GB/T 14684—2022）[22]、《公路工程集料試驗規程》（JTG E42—2005）[23]、《建設用卵石、碎石》（GB/T 14685—2022）[24]等標準中的相關規定，機制砂細度模數Mx的計算見式（1）。

式 中：Mx為細度 模 數；A1、A2、A3、A4、A5、A6分別為4.75 mm、2.36 mm、1.18 mm、0.60 mm、0.30 mm、0.15 mm方孔篩的累計篩余百分率；a1、a2、a3、a4、a5、a6分 別 為4.75 mm、2.36 mm、1.18 mm、0.60 mm、0.30 mm、0.15 mm方孔篩的分計篩余百分率。

3.2 定義調配系數k

定義m為成品砂的總質量，計算見式（2）。

式中：m1為公稱粒徑 ≥5.0 mm的砂質量；m2為公稱粒徑2.5～5.0 mm的砂質量；m3為公稱粒徑0～2.5 mm的砂質量。將m3的質量細化，計算見式（3）。

式中，m31、m32、m33、m34、m35分別為公稱粒徑為1.250～2.500 mm、0.630～1.250 mm、0.315～0.630 mm、0.160～0.315 mm、0～0.160 mm的砂質量。

將式（2）和式（3）帶入式（1），計算見式（4）。

定義調配系數k，可得式（5）。

將式（5）帶入式（4），得出成品砂細度模數的簡化預測公式Mx，見式（6）。

在母材巖性、設備性能等外部環境變化很小的情況下，系統中的k值變化幅度很小，可認為k為定值，k值可以通過大量實驗數據獲得。由式（6）可知，細度模數值Mx的大小只與m3和m2的比值有關。m2值越大，Mx值越大，即反應砂的粒徑越粗，反之越小，砂的粒徑越細。由此得出：m2值的大小對細度模數Mx的調配有著重要影響。

根據標準《建設用砂》（GB/T 14684—2022）要求，將細度模數的上下極限值（2.3≤Mx≤3.4）帶入式（6），可以得出m3與m2的比值范圍，見式（7）。

根據實際建設工程的需要以及各類設備本身制砂性能的特性，一般鐵路工程建設所需砂的細度模數應控制在2.6～2.8，見式（8）。

3.3 試驗確定調配系數k

以高原鐵路某試點項目所配套的隧道洞渣制備機制砂系統為例，隨機抽取同一批母材中的12組試樣檢測，其檢測結果見表2。

表2 試點項目試樣的巖性檢測結果Table 2 Lithology test results of pilot project samples

對已檢測的隧道洞渣破碎制砂，將成品砂進行大量篩分試驗，通過試驗得出試點項目的系數k以及得出m3與m2的比值范圍。以《建設用砂》（GB/T 14684—2022）為試驗依據，隨機抽取其中的3次試驗（每次試驗包含5組篩分試驗，共計15組，每組試驗樣品的重量為500 g）樣品的篩分顆粒級配見表3，級配曲線如圖3所示。

圖3 試驗樣品的級配曲線Fig.3 Grading curves of the test samples

表3 試驗樣品的篩分顆粒級配Table 3 Sieve particle grading of the test samples

由此可見，當細度模數在2.6～2.8之間時，試點項目m3與m2的比值范圍在3.1～4.8之間。

根據制砂總量為100 t/h，得出式（10）。

根據式（9）和式（10），可以得出m3與m2的取值范圍的分布情況，如圖4所示。

圖4 m3與m2的取值范圍Fig.4 Value range of m3 and m2

試驗得出：在隧道洞渣合格的情況下進行破碎制砂，其細度模數Mx在標準范圍內呈現一定波動，而細度模數的值也滿足標準要求。因此，母材必須在檢測合格后方能進行制砂。如果檢測出制砂的母材呈現階段性變化時，需要提前做好母材的分類處理。

3.4 確定變速皮帶機的速度v

利用電動分料斗的開合度來實現調速皮帶對m2輸送量的控制，保證料斗與調速皮帶之間為滿料狀態，多余的2.5～5.0 mm物料則通過溢料口返回制砂系統。調速皮帶上方設置固定截面罩，保證皮帶單位長度上物料的均勻性。設固定截面罩物料橫截面的面積為s，調速皮帶的速度為v（精度0.1 m/s）。通過變頻器調節v的值，進而調節m2的值，計算見式（12）。

式中：ρ為砂的密度，取1.4 t/m3；s為粒徑為2.5～5.0 mm砂的截面面積；v為調速皮帶的速度。

根據不同生產線的產能確定s值，根據100 t/h制砂量的產能來確定該試點項目的s=0.005 m2。如果產能變化則截面積s會有一定的變化。調速皮帶結構如圖5所示。

圖5 調速皮帶結構圖Fig.5 Structure diagram of speed regulating belt

將s=0.005 m2帶入式（12），可得式（13）。

將式（13）帶入式（11）中，可得式（14）。

得出細度模數值Mx的大小只與m3、v的比值有關。v值越大，Mx值越大，即反應砂的粒徑越粗，反之越小。

將式（13）帶入式（9）中，得出m3與v的比值范圍，可得式（15）。

當細度模數在2.6～2.8之間時，試點項目m3與v的比值在78.12～120.96之間。試點項目的制砂產能約為100 t/h時，當細度模數在2.6～2.8之間時，可得式（16）。

結合式（10）、式（15）和式（16），當細度模數在2.6～2.8之間時，變速皮帶速度v應該設置在0～0.8 m/s。m3與v的曲線關系如圖6所示。

圖6 m3與v的曲線關系圖Fig.6 Curves diagram of m3 and v

3.5 閉環控制監測系統

該系統配置了型號為TK-JS-1001的細度模數在線監測系統[25]，將測定細度模數值Mx′與設定細度模數值Mx進行比較，監測結果返回到集中控制系統，集中控制系統發出指令調節變速皮帶的速度，從而達到細度模數的在線閉環控制調節。細度模數判別邏輯如圖7所示。

圖7 細度模數判別邏輯Fig.7 Discriminant logic of fineness modulus

在線監測系統采用圖像識別法[25]，在顆粒自由下落過程中拍攝通過鏡頭的顆粒圖像，在拍攝圖像的同時電腦軟件對顆粒進行快速識別和處理，在屏幕上實時顯示每個顆粒的圖像和粒徑粒形數據。機制砂生產質量在線監測系統的分析結果包括反映顆粒形貌的圓形度、長徑比和反映顆粒大小的細度模數、含粉量、分計篩余、累計篩余等參數。

4 試點應用

目前，該細度模數控制系統已在新建高原鐵路某隧道洞渣制備機制砂項目進行試點應用。試點項目已進入穩定生產階段，經在線細度模數控制系統調配后的成品砂質量良好。該試點項目的細度模數控制系統結構、機制砂成品料、細度模數在線監測情況分別如圖8、圖9和圖10所示。

圖8 細度模數控制系統結構Fig.8 Structure of fineness modulus control system

圖9 細度模數在線監測Fig.9 Online monitoring of fineness modulus

圖10 機制砂成品料Fig.10 Finished materials of crushed sand

5 結論與討論

5.1 結論

本文基于現有干法機制砂工藝對細度模數調配困難的問題，結合相關標準、篩分設備性能等因素，著重研究了公稱粒徑2.5～5.0 mm的砂比例大小對細度模數的影響，設計出了機制砂細度模數控制系統。通過以上工作，本文得到的主要結論如下所述。

1）基于實際應用中各篩分設備的性能因數、成本控制等因素，將0～5.0 mm砂分為0～2.5 mm與2.5～5.0 mm兩區間，推導出公稱粒徑為2.5～5.0 mm與0～2.5 mm的砂之間的簡化預測公式為Mx=k+同時得出公稱粒徑為2.5～5.0 mm的砂對細度模數影響較大，具體為：當調配系數k一定時，公稱粒徑為2.5～5.0 mm的砂越多，細度模數越大，反之細度模數越小。

2）當細度模數在2.6～2.8之間且調配系數k取2.1時，m3與v的比值為78.12～120.96且皮帶的速度v在0～1.0 m/s之間，從而通過控制皮帶的速度實現對公稱粒徑為2.5～5.0 mm的砂流量調節，實現對細度模數的調配。

3）基于簡化預測公式構建的細度模數控制系統，可實現對細度模數穩定閉環控制，對隧道洞渣資源化利用有積極作用，實現降本增效。

5.2 討論

本文是基于市面現有篩分設備，考慮到篩分性能、經濟成本等因素進行的研究，得出了一些研究結論，但對機制砂細度模數控制的研究還有待進一步研究。

1）本文是將公稱粒徑為2.5～5.0 mm的砂與公稱粒徑為0～2.5 mm的砂進行了分離研究，未將公稱粒徑在0～2.5 mm區間內的砂再細分研究。后續可根據制造技術、生產工藝等因素，再進一步的研究。

2）本文基于機制砂母材相對穩定（在一定時間變化不大）的前提下進行的研究分析，同時在線質量監測系統需要較短的時間進行檢測，導致研究的細度模數控制系統不能實時地進行細度模數調節，有一定的滯后性。