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聚焦!机制砂的发展及合格机制砂生产工艺方案——科技大会论文精选(一)

发布日期:2021-07-12   浏览次数:

聚焦!机制砂的发展及合格机制砂生产工艺方案——科技大会论文精选(一)

 

编者按:

国家十部门和十五部门相继发布《关于推进机制砂石行业高质量发展的若干意见》和《关于促进砂石行业健康有序发展的指导意见》等文件,砂石行业进入高质量发展的新时代,砂石行业迎来了历史性的新发展机遇。为交流行业的最新理念、新技术、新成果和先进适用技术等,建立和完善砂石工业科技体系,推动砂石行业的高质量和健康有序发展,上葡京定于2021年7月23-25日,在“两山”理念诞生地——湖州举办“第八届全国上葡京行业科技大会”。

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科技大会论文投稿征集进行中,

截止日期为7月10日,

入选论文将择优上传至万方数据库。

 

机制砂的发展及合格机制砂生产工艺方案

(南方水泥有限公司  陈小和  赵伟)

【摘要】在机制砂生产线中,工艺流程、设备方案是整个生产线的关键,对机制砂加工的成败起着决定作用。本文论述了机制砂的发展历程、规范、水电站成熟的工艺、设备方案,以及不同地区、不同工艺流程、不同设备生产的机制砂样的颗粒级配分析,根据它们的规律、共性、要点,指导选择一个运行可靠、技术先进、经济合理的生产工艺流程、设备方案来生产合格机制砂。

【关键词】合格机制砂  发展规范  工艺设备  颗粒级配分析

1 前言

天然砂颗粒表面较圆润,易于获得,成本低。但因地域分布及自然条件的差异,天然砂会呈现出理化指标的波动性,这不利于混凝土质量的稳定性,另一方面可采储量也受限制。虽然合格机制砂的粒形好、颗粒级配优良、细度模数可调、石粉能合理利用、质量稳定,且可根据需要,生产时作细微调节,拌制的混凝土强度一般高于天然砂的(相同条件)。但我国建筑行业的混凝土基本上都采用天然砂拌制。

为了保护环境,近年来国家逐步加大天然砂限禁采力度,导致河砂资源日趋紧张,砂的价格暴涨,且局部出现“砂荒”,供需矛盾日益严峻。例如:2018年底,广东省河砂价格为190元/立方米,而到了2019年底,河砂价格上涨到265元/立方米。

目前,机制砂作为天然砂的替代已是大势所趋。建筑市场上相继出现了产品质量差异较大的石屑(碎石加工联产的小于5mm料)、普通机制砂(石屑经风选脱泥粉后)、水洗砂(石屑经水洗脱泥粉后)、精品砂和它们之间的混合物。为什么市场上会有种类繁多、质量不一的“砂”?主要原因是供需关系失衡、砂需求巨大、价格高。由于种种原因,机制砂的质量得不到应有的重视和控制,不合格机制砂搅拌的混凝土会存在质量隐患,从而直接影响建筑工程质量。

市场上“砂”的乱象也引起了相关部门的注意,国家工信部于2019年发布了《关于推进机制砂石行业高质量发展的若干意见》,国家发改委于2020年发布了《关于促进砂石行业健康有序发展的指导意见》,明确指出实施标准引领,推动机制砂石行业高质量发展。

由于天然砂的运输距离、储量、级配、质量等难以满足工程需求,机制砂从80年代开始广泛应用于水电站、核电站,经过40多年的发展,机制砂在加工技术水平上达到了较高的高度。建筑行业机制砂生产线基本是采用水电行业已成熟的机制砂生产工艺,但产品质量却差异较大。主要原因是设计、生产者不了解工艺要点、设备性能,缺乏对机制砂、相关规范的正确认识和专业知识,认为小于4.75mm料就为机制砂,其实不然,水电、核电行业规定合格砂机制砂的颗粒级配位于2区、细度模数为2.6-2.8,合格机制砂已满足核电站C100混凝土对机制砂质量的高要求。

2 机制砂的发展

上世纪60年代,岷江映秀湾水电站采用棒磨机制砂、贵州猫跳河水电站采用锤破制砂,成为我国机制砂生产技术发展的开端。经过水电行业50多年的应用研究,使机制砂加工技术得到了长足发展,在规模和技术水平上都达到了较高的高度,超过目前世界先进水平。

不同行业对混凝土的要求不尽相同,机制砂在不同行业的发展也存在差异。而水电站、核电站、建筑行业对机制砂的应用条件、生产工艺和设备是具有共性的,它们对使用机制砂的原因、对混凝土的要求、结构设计寿命、发展历程、生产设备、生产工艺等的详细对比见表一。

从下表可见,核电站和建筑行业机制砂的生产工艺和设备基本是引用水电站的成熟经验。

表一:水电站、核电站、建筑行业的对比表

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3 机制砂的规范

《建设用砂》GB/T14684-2011明确砂的颗粒级配、级配类别应符合表二、表三的规定,优先选2区。砂的实际颗粒级配除4.75mm和0.6mm筛档外,可以略有超出,但各级累计筛余超出值总和应不大于5%。

《水工混凝土施工规范》DL/T5144-2015明确规定,在母岩各项指标符合规范要求下,合格机制砂的颗粒级配位于《建设用砂》GB/T14684-2011规范中颗粒级配的2区、细度模数为2.6-2.8、-0.16mm为6-18%、目测颗粒粒形好、无泥和泥块。按此规范生产的机制砂满足了三峡、小湾、龙滩、锦屏、官地、溪洛渡、向家坝等巨型水电站对机制砂质量的高要求。核电站采用水电站相同规范,生产的机制砂满足了秦山、大亚湾、岭澳、田湾、宁德、阳江、海阳、台山等核电站对机制砂质量的高要求。

从建筑用砂及水工用砂规范对比表(表四)可见,《建设用砂》GB/T14684-2011的机制砂指标是包含《水工混凝土施工规范》DL/T5144-2015的指标,只是《水工混凝土施工规范》DL/T5144-2015明确了合格机制砂的指标要求。

表二:颗粒级配表

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表三:级配类别表

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表四:建筑用砂及水工用砂规范对比表

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4 合格机制砂生产

机制砂是人工砂石加工厂里最重要(砂一般约占混凝土体积的30%)、要求最高、最复杂、成本最高的一道工序。

如何生产出符合《建设用砂》GB/T14684-2011规范、颗粒级配位于2区、细度模数为2.6-2.8、-0.075mm为5%、目测颗粒粒形好、无泥和泥块、经济的机制砂砂?

为此,对水电站、核电站、建筑行业的不同地区、不同工艺、不同设备生产的机制砂取样若干组,进行工艺方案、设备方案、颗粒级配分析,找出它们的规律、共性、要点,正确指导工艺方案及设备方案选择来生产合格机制砂。

通常机制砂有二种生产方式:干法和湿法,建筑行业多为干法,水电站和核电站基本为湿法。

4.1 机制砂现状

目前市场上的机制砂有:石屑、普通机制砂、水洗砂、精品砂和它们之间的混合物,质量差异较大,典型砂样见图一。

(1)临澧项目:石灰岩,用立轴破+筛分闭路生产精品机制砂,进料为5-10mm料;

(2)横山下项目:凝灰岩,颚破+中碎圆锥+细碎圆锥+筛分生产的-5mm石屑;

(3)山东泗水项目:花岗岩,用棒磨机生产精品机制砂(烘干砂样);

(4)大田项目:凝灰岩,用立轴破生产的-4.75mm料掺合石屑为“机制砂”;

(5)防城港核电站:花岗岩,用立轴破+筛分闭路生产合格机制砂(湿法);

(6)乌东德水电站:石灰岩,用立轴破+棒磨机联合生产合格机制砂(湿法);

(7)山东泗水项目:花岗岩,用棒磨机生产精品机制砂(湿法);

 

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图一:典型砂样照片

4.2 工艺及设备方案

建筑行业机制砂生产线基本是采用水电站行业已成熟的机制砂生产工艺,但其产品质量却差异较大。

在加工母岩性质确定后,影响机制砂质量的颗粒级配、针片状,直接与加工有关。而加工直接与工艺流程方案、设备配置、运行管理有关。工艺流程方案选择和设备配置(包括辅机设备)对机制砂加工的成败起着决定作用。设计、生产者必须熟悉工艺流程要点、设备原理和性能、机制砂的相关规范和测试方法等专业知识,才能生产出合格的机制砂。

如何选择一个运行可靠、技术先进、经济合理的生产工艺,这要从项目的实际出发,借鉴其它项目的经验教训,综合以下因素:加工总量、处理规模、原料性质、主要破碎设备等。每个项目都有其自身特点,从而也就决定了具有不同的生产工艺。

水电站行业已形成较为成熟的机制砂生产工艺及设备配置,在生产上积累了很多保贵经验,但不是一成不变的,水电站项目也是根据项目自身特点而选择合适的工艺方案及设备配置。如果生搬硬套水电站的生产工艺,是无法生产出合格的机制砂,须结合布置、技术经济比较等进行综合考虑。另外,须对引入的工艺方案进行切合实际的局部调整。

4.2.1工艺方案

机制砂在水电站行业经过40多年的发展,形成了技术较为成熟的三种工艺方案,在水电站、核电站得到广泛的应用。目前建筑行业基本采用其中的立轴破+筛分分级闭路制砂工艺。

(1)棒磨机单独制砂工艺

湿法、开路生产,工艺相对简单,基本适于任何岩石,生产稳定,成品砂级配好、粒形好,细度模数、颗粒级配可控、易调节,废水处理量大。

①水电行业:给料通常为5-20mm(个别会加部分20-40mm)和石屑,-0.075mm料会有所增加;应用:慢湾、大朝山等水电站,秦山、连云港等核电站;

②建筑行业:给料通常为5-30mm和石屑;-0.075mm料会有所增加;应用:清远谷城、山东泗水;

(2)立轴破+棒磨机联合制砂工艺

基本为水电、核电行业采用,根据立轴破和棒磨机的性能特点,进行互补,生产合格机制砂。湿法、闭路生产,工艺相对复杂,基本适于任何岩石,粒形好、效率高,细度模数、颗粒级配易于调节。应用:三峡、小湾、龙滩、锦屏、官地、溪洛渡、向家坝、白鹤滩等水电站,霞浦核电站等。

(3)立轴破+筛分分级闭路制砂工艺

闭路生产,工艺相对复杂,基本适于任何岩石,粒形好,细度模数、颗粒级配调节复杂。

①水电站行业:湿法生产,立轴破给料为5-40mm(个别:5-40mm和石屑);筛子给料为立轴破的排料+石屑,筛网通常为5mm/3mm,根据测试数据调整2.36-4.75mm料,分入筛下-2.36mm中的比例,多余部分和+5mm料返回至立轴破破碎,以此循环,过程中补充给料。应用:索风营、大发水等水电站,台山、防城港、太平岭等核电站;

②建筑行业:干法生产,生产所谓的“精品砂”,立轴破给料常为5-10mm(个别会加部分10-31.5mm),筛子给料为立轴破的排料,筛网通常为5mm/3mm,根据测试数据调整2.36-4.75mm料,分入筛下-2.36mm中的比例,多余部分和+5mm料返回至立轴破破碎,以此循环,过程中补充给料。应用:临澧、国内制砂楼等项目;

4.2.2设备方案

在水电站行业,棒磨机经过了50多年的应用研究、立轴破从三峡工程开始经过20多年的应用研究,造就了这二种设备是目前最成熟、最可靠的制砂设备,建筑行业也引用了此设备。

(1)棒磨机破碎原理及优缺点

湿法、两端进料、中间排料、旋转筒体里的钢棒被提升、落下,造成冲击、研磨物料。设备结构简单、操作方便、可靠性高,砂的细度模数、颗粒级配可控、易调节,砂颗粒粒形好。重量大、土建工程量大、钢耗大、细砂须回收、废水处理量大。

(2)立轴破破碎原理及优缺点

干法,物料从转子里被高速抛出,冲击周边石料衬或铁砧上获得破碎,设备重量小、通过量大,砂颗粒粒形优良、呈立方体、细度模数一般在3.2以上,维护要求高、砂级配不理想、产品两头多(+2.36mm和-0.075mm占比大)、细度模数和级配不易调节、循环量大(制砂工况-0.075mm料含量高)。

水电站行业成熟的三种工艺方案,是根据以上设备特点而逐渐建立、完善、成熟的。

4.3 颗粒级配分析

经过取样不同地区的机制砂,对多组市场上所谓的“精品砂”和“普通机制砂”进行颗粒级配分析,发现“精品砂”的颗粒级配都位于2区、细度模数基本为2.6-2.8,颗粒粒形好。而“普通机制砂”的颗粒级配偏离2区、细度模数基本为2.9以上,颗粒粒形差。

4.3.1 砂样分析

从5组典型砂样颗粒级配累计筛余测试数据(表五)及颗粒级配曲线(图二)可见,山东棒磨砂、大田、临澧“精品砂”的颗粒级配位于2区,细度模数为2.55-2.84,另外2组的级配偏离2区,细度模数大多偏高。

①山东泗水棒磨机砂:湿法,花岗岩石材废料,180-220MPa,给料为-30mm料(石屑占17%)。颗粒级配位于2区、细度模数2.55,粒形好;

②富阳大田机制砂:干法,凝灰岩,用立轴破生产-4.75mm料掺合石屑。颗粒级配位于2区、细度模数2.84,粒形差;

③横山下机制砂:干法,凝灰岩,石屑。颗粒级配位于1区偏2区、细度模数3.07,粒形差;

④临澧精品砂:干法,石灰岩,60.9MPa,立轴破+筛分闭路生产精品机制砂,进料为5-10mm(90tph),成品砂产量70tph(一台制砂楼)。颗粒级配位于2区、细度模数2.76,粒形优良;

⑤临澧石屑:干法,两段锤破骨料生产线产品,石屑单独外卖(单价是“精品砂”的1/4)。颗粒级配位于1区偏2区、细度模数3.18,粒形差;

表五:累计筛余测试数据表

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图二:颗粒级配曲线图

由筛余测试数据表(表六)可得,细度模数+2.8的砂样,+2.36mm颗粒占比明显高于细度模数-2.8的,而0.15-2.36mm颗粒占比却低于细度模数-2.8的。且大田、横山下、临澧石屑+2.36mm的颗粒粒形明显差于山东棒磨砂和临澧精品砂,详见各级颗粒粒形图(图三)。

表六:筛余测试数据表

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下图为山东棒磨砂、富阳横山下、富阳大田、临澧机制砂和临澧石屑颗粒在4.75mm、2.36mm、1.18mm的颗粒粒形照片。

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图三:各级颗粒粒形照片

4.3.2成果应用

建德更楼骨料线为干法生产,破碎石英砂岩,母岩饱和抗压强度70.4MPa,石屑+(立轴破+筛分)砂成为机制砂。试产后,其机制砂颗粒级配位于2区偏3区、细度模数2.62,粒形较差,属于不合格机制砂。

根据不同地区、不同工艺、不同设备生产的机制砂样分析结果,指导建德更楼进行工艺流程修改,生产的机制砂颗粒级配位于2区,细度模数为2.79,颗粒粒形优良、级配合理,修改方案成功,效果明显。砂样颗粒级配累计筛余测试数据详见表七,颗粒级配曲线详见图四,各级颗粒粒形照片详见图五,修改前后的工艺见下:

修改前工艺:颚破+中碎圆锥+细碎圆锥+筛分生产的-5mm石屑与立轴破+筛分生产的砂混合成为成品机制砂。

修改后工艺:颚破+中碎圆锥+细碎圆锥+筛分生产的-2.36mm石屑与立轴破+筛分生产的砂混合成为成品机制砂。

建德更楼机制砂生产工艺流程修改前后,砂的质量具有明显的差异,主要表现在下面两个方面。

(1)颗粒级配

①工艺流程修改前:颗粒级配位于2区偏3区,级配不合理;

②工艺流程修改后:颗粒级配位于2区,级配合理;

(2)粒形

①工艺流程修改前:粒形差,针片状含量高;

②工艺流程修改后:粒形优良,针片状含量低;

表七:累计筛余测试数据表

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图四:颗粒级配曲线图

由筛余测试数据表(表八)可得,工艺流程修改前的砂样,+2.36mm颗粒占比明显高于修改后的,而0.3-2.36mm颗粒占比却低于修改后的。且修改前+2.36mm的颗粒粒形明显差于修改后的,详见各级颗粒粒形照片(图五)。

表八:筛余测试数据表

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图五为建德更楼工艺流程修改前的机制砂和修改后的机制砂颗粒在4.75mm、2.36mm、1.18mm的颗粒粒形照片。

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图五:各级颗粒粒形照片

5 结语

颗粒级配位于《建设用砂》GB/T14684-2011规范中颗粒级配的2区、细度模数为2.6-2.8、目测颗粒粒形好、无泥和泥块的的机制砂满足了三峡、小湾、龙滩、锦屏、官地、溪洛渡、向家坝等巨型水电站,以及秦山、大亚湾、岭澳、田湾、宁德、阳江、海阳、台山等核电站对机制砂质量的高要求。建筑行业应采用此规范来生产机制砂。

根据前面的论述、颗粒级配分析和成果应用分析,颗粒级配位于2区、粒形优良、细度模数为2.6-2.8、经济、合格的机制砂是不难生产的。

机制砂生产工艺和设备是加工线的核心,加工线一旦形成,如生产工艺和设备不适合,那修改是很困难的,将会为此负出巨大的代价。每个项目都有其自身特点,从而也就决定了其具有不同的工艺、设备方案。

机制砂生产工艺的选择应从项目实际出发,充分考虑加工线的原始条件,工艺流程方案的可靠性、先进性、成熟性、简捷性、经济性。

正确的设备选型也尤为重要,不可靠、性能差、不成熟的制砂设备是无法生产出合格的机制砂。

运行管理也是其中重要的一环,必须严格按工艺流程方案进行生产,分析每天的测试结果,定期对生产工艺流程的主要参数进行细微调整。立轴破和棒磨机的主要调整参数见下:①立轴破的转速、进料量、进料粒径、筛分比例、筛孔尺寸、选粉机风量等;②棒磨机的进料量、给水量、进料粒径、装棒量、洗砂机补水量、细砂回收的旋流器等;通过调整才能较好地控制、稳定机制砂质量,同时,也才能稳定混凝土质量。

参考文献:

《建设用砂》GB/T14684-2011

《水工混凝土施工规范》DL/T5144-2015

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2021年07月12日



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