关于机制砂加工与应用技术研究

敬智午

摘要：利用机制砂配制混凝土在国内外已有多年历史，在工程中得到了广泛的应用。我国的三峡工程、黄河小浪底工程均使用机制砂配制混凝土。实际工程中，已配制出C10～C70的普通混凝土和泵送混凝土，泵送最大高度达400m，在试验室设计强度C100的混凝土实际强度达到155Mp。应用范围涉及无筋混凝土、钢筋混凝土、预应力钢筋混凝土、高强混凝土、超高强混凝土等，现已推广应用于交通、水利、工业与民用建筑、铁路等土木工程领域，取得了良好技术经济效益。

关键词：机制砂加工与应用研究

一、前言

广东省仁化（湘粤界）至博罗公路新丰至博罗段TJ22合同段位于广东省惠州市博罗县，起讫桩号K442+000～K456+043，路线全长13.976km，为双向六车道高速公路，设计速度120km/h。主线涵洞43道；大、中桥7座，桥梁共长2121.4m；长隧道一座，单洞全长2877m，设计各类砼约30万m3。

本人自供职仁博高速22标项目部以来，项目团队调查发现我标沿线河砂资源匮乏，难以满足高速公路持续生产的需求。市面现有的河沙性状多变，质量不稳定。河砂供不应求，且由产地至施工现场的运距较远，且受村道影响，致使河砂采购及运输成本高昂。从保证进度、质量和控制成本的角度出发，均迫切需要寻找到一种可以替代河砂的产品用于高速公路的施工。

本合同段茅田隧道开挖量约40万m3，需利用填筑路基约25万方，预计可加工利用洞渣约15万方。

综合考虑砂资源供应与隧道洞渣石方合理处置两方面的要求，本合同段项目经理部从满足建设需求，确保工程质量，合理利用资源，节约施工成本，保护自然环境的角度出发，拟对隧道洞渣进行综合开发利用，建立碎石、机制砂联合加工生产线，将质量较好的洞渣及石方加工为碎石和机制砂，经质量检验及砼配合比试验检验合格后作为原材料，用于本合同段结构物砼配合比中。

二、行业状况

2.1现有科研成果

2.1.1关于机制砂的级配、石粉含量和细度模数的研究成果

机制砂虽然级配比优质河砂略差，但由于其有较高的石粉含量，导致其堆积密度增大，空隙率减小，所以，机制砂不能简单的通过堆积密度或空隙率的大小来判断其级配的好坏，一般情况下，使用的机制砂稍微偏出级配（II区）的上限是比较正常的。

机制砂中的石粉通常是指小于0.075mm的颗粒，石粉主要是磨细的岩石粉末。通常认为石粉对混凝土质量不利，然而适量的石粉却可以有效弥补机制砂机制砂因颗粒形状的缺陷对混凝土的和易性造成的不良影响。石粉与机制砂成分相同，在混凝土中主要起微集料作用，能充分改善混凝土的和易性。石粉是一种惰性掺合料，细度小，可补充混凝土中缺少的细颗粒，增大粉体总量，在混凝土单位体积用水量不变的情况下，增加混凝土的浆量和浆体粘稠性，可以减少泌水和离析现象的发生。配制机制砂混凝土时，石粉含量应控制在7%左右。机制砂中的部分石粉可以作为掺合料使用，代替10%的水泥泥用量，混凝土的强度仍无明显降低，此时仅需适当调整混凝土配合比中的砂率使混凝土获得更好的工作性即可。

机制砂的细度模数应控制在2.6～3.7之间，不宜过高或过低。当细度模数过低、石粉含量过高、细度模数过高时，混凝土的黏聚性难以保证或造成砂率偏大。

2.1.2关于掺合料的研究成果

粉煤灰的掺入,可以减弱因机制砂级配不良而造成拌和物性能差的弊病,提高混凝土的凝聚性、保水性,同时利于泵送,提高强度,减少收缩。但是当机制砂石粉含量较高且掺有粉煤灰时，应适当降低机制砂混凝土的砂率以降低混凝土的黏度。

2.1.3关于砂率的研究成果

机制砂细度模数越小、级配越好、石粉含量越大，合理砂率就越小。机制砂混凝土的砂率一般较河砂混凝土高3%～6%，初选时一般在36%～42%范围内选取，泵送混凝土砂率应适当提高。在保证混凝土拌和物黏聚性良好的前提下，应尽可能选取较小的砂率，以保证混凝土的弹性模量和干燥收缩。

如果机制砂的石粉含量或细度模数、级配发生变化，应及时进行砂率调整。原则是：统一配合比用机制砂的细度模数变化范围不宜超过±0.2，石粉含量变化不宜超过±1.0%，否则应对配合比的砂率进行调整。

2.1.4关于用水量的研究成果

机制砂表面粗糙，石粉含量偏高，在相同条件下,配制相同坍落度的混凝土,机制砂比天然河砂需水量增加5～10kg/m3。

2.1.5关于假定密度的研究成果

机制砂的表观密度一般较天然河砂大，导致机制砂混凝土密度高，因此在假定容重法进行配合比设计计算时，约比相应天然河砂混凝土高30～40kg/m3。

综上所述，机制砂混凝土混凝土的工作性对用水量的改变、砂率的变化、石粉含量、外加剂和掺和料的使用都较敏感，一旦机制砂级配不良、砂率选择不当、用水量偏高、外加剂选择不当，易造成机制砂混凝土在出机卸料过程中离析、振后易泌水，在配合比设计与调整时要特别注意这一点。

2.1.6关于机制砂混凝土的强度的研究成果

河砂混凝土和同配合比的机制砂混凝土相比，理论上由于颗粒比较光滑，摩擦阻力小，因此，在用水量相同时，坍落度大一些，能够获得较好的流动性。但由于实际生产中，所采用的河砂往往含泥量较高，细度模数不稳定，而同一厂家的机制砂则无此缺陷，基本处于稳定状态，可弥补部分河砂的缺点。而且由于机制砂表面粗糙，棱角多，在相同配合比，和易性相差不大的情况下，所配制的混凝土28d抗压强度明显高于河砂混凝土。

2.1.7关于机制砂混凝土的变形与耐久性的研究成果

（1）弹性模量

随着石粉含量的增加，机制砂混凝土的弹性模量呈降低趋势，主要原因是石粉含量的增加增大了浆体体积，掺入粉煤灰或矿粉后，混凝土的弹性模量的高低主要取决于其抗压强度和界面过渡区的作用大小，与天然河砂混凝土相比，石粉含量高的机制砂混凝土的弹性模量略低，但差别不显著。

（2）干缩性

相关试验证明，石粉含量7.0%是一个分界点，石粉含量小于7.0%时，随石粉含量的增加，各龄期干缩率增大，石粉含量大于7.0%时，各龄期干缩率随石粉含量的增加而逐渐减小。主要是因为低石粉含量时，石粉处于硅酸盐水泥的水化产物Ca(OH)2的高碱环境中，一方面起晶核作用，加速了水化硅酸钙或水化铝酸钙的形成，另一方面自身会与Ca(OH)2、水化铝酸钙发生反应，生成水化碳铝酸钙晶体，即作为胶泥材料的一部分二增大了浆体量，使干缩增大；石粉含量大于7.0%之后。多数的石粉难以与硅酸盐水泥的水化产物发生反应，石粉中的微细粒子具有填充作用，使混凝土结构更为密实，对浆体的收缩起到了一定的抑制作用，因而，干缩率有减小的趋势。

（3）徐变

机制砂混凝土的徐变值小于河砂混凝土的徐变值，主要是因为机制砂中的石粉在混凝土中起微集料作用，使混凝土结构更加致密，降低了混凝土的变形性能，另外，机制砂所具有的粗糙表面和棱角可以更好对混凝土的变形起到限制作用。

（4）氯离子扩散系数

经过大量的试验证明，机制砂混凝土的氯离子扩散系数均小于规范上限值，并且适量的粉煤灰可以起到改善机制砂混凝土的抗氯离子渗透性能的作用。

2.2本项目机制砂研究工作依据

本项目机制砂生产设备与工艺要求、机制砂母材选择、成品质量检验、混凝土配合比设计、施工控制及机制砂使用等各个环节均按照《广东省交通运输厅关于我省公路项目水泥混凝土使用机制砂的指导意见》中相关要求严格执行。

三、仁博TJ22标机制砂生产线建设

3.1机制砂生产线选址

机制砂生产线建在茅田隧道出口旁边约300m处，场地面积约2500㎡，毗邻主线红线外旁边小河，水源充足，便于水洗加工。计划生产能力为10吨/小时，可堆放成品砂800m³。

机制砂生产线选址主要优点有：

（1）距离项目部1#拌和站7公里，2#拌和站2公里，隧道喷射砼拌和站0.5公里，成品料运输及堆放便利；

（3）毗邻碎石生产线，原材料供应方便；

（4）靠近主线红线外旁边小河，用水方便。

3.2机制砂生产工艺

3.2.1机制砂生产线设备与人员配置

机制砂采用湿法工艺生产，生产线依照实际情况进行设备和人员配备，具体见表3-1和表3-2。

机制砂生产线流程框图

3.2.3机制砂生产工艺

（1）上料：石粉/瓜米石经过喂料口从输送皮带进入双层水洗振动筛；

（2）筛分：砂或石粉进入双层振动筛后，振动筛做圆形运动，利用筒体式偏心轴激振器及偏心块调节振幅，经过双层筛网将超大粒径颗粒筛除，大粒径颗粒由输送带重新送回对辊机破碎；

（3）水洗：石粉在经过双层振动筛的过程中，振动筛上方的喷水排管不断往振动筛喷水，起到第一次水洗作用，然后，石粉顺着给料槽流入畚斗洗砂机，畚斗洗砂机工作时，动力装置通过三角带、减速机、齿轮减速后带动叶轮缓慢转动，砂石由给料槽进入洗槽中，在叶轮的带动下翻滚，并互相研磨，除去覆盖砂石表面的杂质，同时破坏包覆砂粒的水汽层，以利于脱水，并继续加水，形成强大水流，及时将杂质及比重小的异物带走，并从溢出口洗槽排出，完成清洗作用；

（4）细料回收：细砂提取回收机主要是将被水洗带走的细料经过双泵重新收集，可调节并通过一定的比例添加到水洗砂中，以使机制砂的性能指标与河砂相近；

（5）搅拌混合。通过畚斗洗砂机叶轮把水洗砂带入细砂抽取机筛上与细砂抽取机抽取的细料经过振动搅拌均匀。

3.2.4机制砂生产循环用水系统

机制砂生产循环用水采用四级沉淀池循环，示意图如下：

循环用水示意图

机制砂生产补给水源为机制砂场旁边小河。引入到四级沉淀池的第四个沉淀池，从第四个沉淀池用水泵抽取水到振动筛上冲洗石粉，然后，石粉顺着给料槽流入畚斗洗砂机，再经过细砂提取机抽取细料后，污水排入第一个沉淀池进行沉淀，然后逐级沉淀，最后清水和小河引入的水汇集到第四级沉淀池，重复循环利用汇集的水，做到不破坏环境，定期清理沉淀池内尾砂。

四、项目阶段性成果

4.1生产线调整

1.经过不断调试，砂的细度模数由开始的3.2降低至目前的2.9。

2.增加大口径反向水管，对筛分前机制砂进行分散，提高了筛网筛分效率，提高了成品机制砂的匀质性，降低了大颗粒回收再破碎比例。

细料提取机进行振动幅度和网面倾角的调整，控制细料的掺入比例，可以根据试验结果和工程实际来调整机制砂细度模数、级配和石粉含量。

4.2成品机制砂性质

4.2.1工地试验室试验结果

工地试验室进行了部分机制砂性能试验，结果符合《公路工程水泥混凝土用机制砂》(JT/T819-2011)中相关技术指标要求，其中筛分结果符合I类机制砂级配范围，并与河砂进行了比对，河砂套用公路桥涵施工技术规范（JTG/TF50-2011），结果见表4-1和图4-1、4-2。

4.2.2广州市宏阳工程检测有限公司的试验检测结果

机制砂母岩采用茅田隧道爆破开挖出来的花岗岩，抗压强度114.4Mpa，机制砂表观密度2632kg/m3，石粉含量5.4%，筛分结果符合JTG/TF50-2011中砼用砂II区中砂级配要求，其他指标符合JTG/TF50-2011中砼用砂I类砂质量技术要求。

4.3机制砂混凝土试配情况

4.3.1原材料性质

（1）水泥

采用惠州塔牌P.O42.5R水泥。水泥标准稠度24.8%，28天强度51.6Mpa，比表面积362m2/kg，所检项目符合GB175-2007中P.O42.5R水泥的技术要求。

（2）碎石

采用茅田碎石场5-10、10-20、16-31.5三档碎石。碎石级配满足5-31.5mm连续级配要求，压碎值9%，针片状含量7%，所检指标符合公路桥涵施工技术规范（JTG/TF50-2011）中砼用II类碎石技术要求。

（3）砂

采用茅田碎石场所产机制砂。

（4）外加剂

采用江苏超力CPA-R缓凝高效减水剂。减水剂减水率为33%，凝结时间差为185min，所检指标符合GB8076-2008缓凝型高效减水剂质量技术要求。

（6）水

搅拌站采用深井取水。所检指标均满足混凝土拌合用水要求。

4.3.2混凝土试配试验

配合比设计参照普通混凝土配合比设计规程（JGJ55-2011）进行，由于前期已进行大量配合比试验，对水泥、外加剂性能有一定了解，设计过程中省略了强度计算步骤，水灰比套用河砂混凝土配合比，主要进行砂率和外加剂产量来调整混凝土工作性，满足要求后由实测容重换算用量参数确定最终配合比。

4.3.3实体应用试浇筑情况

在已知机制砂混凝土7天强度基础上，项目部采用机制砂配制的混凝土在线外浇筑了试验立柱，拆模后显示机制砂混凝土颜色均匀，气泡较少，较河砂混凝土外观更胜一筹。

五、经济效益分析

机制砂生产成本低廉，运距短，运费低，与远运天然河砂相比，具有较大的优势。

仁博TJ22合同段工程用砂总量约12万方，扣除部分业主规定不得使用机制砂以及高标号砼(>C40)用砂量，初步估算使用机制砂的量约为4.5万方。机制砂的使用可以节约成本，产生显著经济效益，计算过程如下：

①天然砂：平均运距90km，平均购买价70元/m3;则工地价为70元/m3+90km×0.53元/t.km×1.6t/m3=146.3元/m3;

②机制砂：利用隧道弃碴生产机制砂单价为45元/m3，平均运距按6km计列，由于山路弯曲坡陡，车辆不能完全装满且行驶速度受限，运费单价较高，按1.7元/t.km。则工地价为45元/m3+6km×1.7元/t.km×1.6t/m3=61.3元/m3;

可节省投资约：Q=4.5万m3×(146.3-61.3)元/m3=382.5万元。由此可见，采用机制砂能有效节约施工成本。

六、结束语

仁博高速TJ22合同段机制砂研究团队根据自己的摸索和以往项目积累的经验，完成了茅田机制砂厂的建设与生产，本人能参与其中感到十分荣幸且收获良多，并将主要成果总结如下：

（1）机制砂在国内广泛应用已有十多年的经验，通过混凝土配合比设计完全可以配制出性能优异的混凝土，较河砂而言有更好的力学性能和耐久性能，且有大量的技术规范提供依据。

（2）仁博高速公路(新丰至博罗段)9个路基标混凝土施工方量大，河砂供应紧张，路面标进场后河砂供应不足情况会更加突出，河砂已成为制约项目进度和质量的主要因素，用质量良好的机制砂替代或部分替代河砂来缓解天然河砂短缺是迫在眉睫的大事。

（3）从机制砂厂的调研情况来看，通过合理的混凝土配合比设计使其应用于工程实体，目前所使用机制砂混凝土工程未出现混凝土病害。

（4）机制砂生产的成品机制砂筛分结果满足JTG/TF50-2011砼用砂II区中砂要求，其他指标满足JTG/TF50-2011砼用砂I类砂质量技术要求，符合《广东省交通厅关于我省公路项目水泥混凝土使用机制砂的指导意见》中机制砂质量控制相关要求。

（5）试验室配制各标号机制砂混凝土工作性及力学性能均满足要求，对于胶材用量在360kg/m3以下的混凝土（主要为C35及以下），较河砂混凝土宜增加10kg/m3用量来增加机制砂混凝土工作性，对于胶材用量在360kg/m3以上的混凝土（主要为C30及以上），不必增加胶材用量，可获得不低于河砂混凝土的工作性和强度。

总之，本标段机制砂厂建设经过精密的筹划，设备、工艺满足文件要求，所产机制砂质量符合规范要求，配制混凝土性能良好，浇筑实体内实外美。

仁博高速公路建设正处于广东省高速公路建设的高峰期，面临着河砂日益枯竭的局面，沿线质量较好的河砂资源短缺，难以满足项目施工进度和质量要求，开发和利用机制砂是顺势应时的积极举措，利用隧道弃碴，既可以保护环境，变废为宝，也是对“资源节约、环境友好”国策的贯彻响应。这都说明，机制砂的采用在缺砂地区的工程建设中具有巨大的社会价值和经济价值，极具推广意义。