高速鐵路自產(chǎn)機(jī)制砂生產(chǎn)工藝研究及試驗(yàn)分析

李 建

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高速鐵路自產(chǎn)機(jī)制砂生產(chǎn)工藝研究及試驗(yàn)分析

李 建

（中鐵五局測繪試驗(yàn)中心 貴州貴陽 550008）

本文通過對自產(chǎn)機(jī)制砂生產(chǎn)工藝特點(diǎn)及與地方機(jī)制砂、河砂的室內(nèi)對比試驗(yàn)分析，闡述了自產(chǎn)機(jī)制砂在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)越性，對改變地方機(jī)制砂的質(zhì)量現(xiàn)狀，有一定參考意義。

自產(chǎn)機(jī)制砂；工藝特點(diǎn)；對比試驗(yàn)

由中鐵五局承建的滬昆鐵路客運(yùn)專線貴州段CKGZTJ-8標(biāo)，位于貴州安順市境內(nèi)，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(qiáng)度等級C15～C60，涉及橋涵、隧道、路基等工程，砂用量達(dá)60萬立方米以上。由于地理位置原因，貴州境內(nèi)河砂資源匱乏，最近也需從湖南、云南或廣西等地運(yùn)入，運(yùn)輸難度大、單價(jià)高，對工程進(jìn)度、成本及質(zhì)量非常不利，因此從外省大量運(yùn)入河砂生產(chǎn)混凝土既不現(xiàn)實(shí)也不可取。為解決混凝土用砂難題，本項(xiàng)目投入資金2000余萬元自建砂石場，采用先進(jìn)生產(chǎn)工藝，利用當(dāng)?shù)刎S富的石灰石資源生產(chǎn)機(jī)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(chǎn)機(jī)制砂的生產(chǎn)工藝特點(diǎn)及與地方機(jī)制砂、河砂的對比試驗(yàn)情況，對今后使用機(jī)制砂配制混凝土有一定參考價(jià)值。

1 生產(chǎn)工藝

雖然機(jī)制砂在建筑工程中應(yīng)用已有近40年之久，但其生產(chǎn)工藝普遍較落后，砂質(zhì)量普遍較差，而且對環(huán)境污染較大。

項(xiàng)目開工前，我們調(diào)查了安順境內(nèi)近30個(gè)砂石場，生產(chǎn)工藝均簡單落后，主要有兩種，一種為簡易制砂機(jī)，僅有簡單的破碎和篩分設(shè)備，只對砂的最大粒徑進(jìn)行控制。另一種更是簡單，沒有專用制砂設(shè)備，直接將生產(chǎn)碎石后的篩下顆粒當(dāng)作砂。這些砂石場所產(chǎn)砂質(zhì)量都比較差，泥塊含量、石粉含量、針片狀顆粒含量較大，細(xì)度模數(shù)、壓碎指標(biāo)值偏大，顆粒級配差，而且產(chǎn)能小，粉塵對環(huán)境污染也比較嚴(yán)重。我們對這些砂石場的機(jī)制砂取樣進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果見表1，由試驗(yàn)結(jié)果可知地方機(jī)制砂絕大部分質(zhì)量指標(biāo)不能滿足高速鐵路混凝土標(biāo)準(zhǔn)要求，如用于高速鐵路，必須進(jìn)行篩分、水洗二次處理才能滿足質(zhì)量要求，并且二次處理后數(shù)量損失達(dá)20～30%，資源浪費(fèi)嚴(yán)重，成本大幅增加。

表1 地方機(jī)制砂試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

為改變地方機(jī)制砂的質(zhì)量現(xiàn)狀，使其滿足高速鐵路混凝土質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，我們經(jīng)過多次調(diào)研和反復(fù)試驗(yàn)，從母巖選用、生產(chǎn)設(shè)備選型、生產(chǎn)工藝優(yōu)化等環(huán)節(jié)著手解決問題。

1.1母巖選用

母巖是機(jī)制砂成品質(zhì)量的基礎(chǔ)，要想生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的機(jī)制砂，必須選用優(yōu)質(zhì)的母巖料源。首先，母巖材質(zhì)應(yīng)均勻致密，風(fēng)化石及軟石含量少，強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，不應(yīng)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(zhì)含量均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。為保證母巖選用的準(zhǔn)確可靠，項(xiàng)目對管段內(nèi)4座礦山的巖石分別鉆探取芯，并按要求進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，其中金銀山巖石質(zhì)量整體較好（試驗(yàn)結(jié)果見表2），儲量滿足項(xiàng)目工程需求，經(jīng)濟(jì)成本也在可控范圍內(nèi)，因此選定金銀山作為本項(xiàng)目自產(chǎn)機(jī)制砂的母巖料源。

表2 金銀山母巖試驗(yàn)結(jié)果

1.2 生產(chǎn)設(shè)備選型

生產(chǎn)設(shè)備是機(jī)制砂質(zhì)量優(yōu)劣的重要條件，應(yīng)根據(jù)母巖強(qiáng)度、巖相成分及砂的質(zhì)量要求選用適宜的制砂設(shè)備，并根據(jù)試生產(chǎn)情況對設(shè)備進(jìn)行技改。地方機(jī)制砂場設(shè)備相對簡單，條件好的僅配備鄂式制砂機(jī)和一級篩分設(shè)備，其余的根本沒有專用的制砂機(jī)，而是將生產(chǎn)碎石后的附屬物當(dāng)做砂，所以其粒形、級配、潔凈度均無法滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。自產(chǎn)機(jī)制砂場從選料、破碎、整形、篩分、吸塵、水洗等環(huán)節(jié)選配設(shè)備，從硬件上有效解決了地方機(jī)制砂生產(chǎn)環(huán)節(jié)上的諸多不足。自產(chǎn)機(jī)制砂場選用的主要設(shè)備有選料振篩機(jī)、鄂式破碎機(jī)、1315V反擊式破碎機(jī)、一級振動(dòng)篩、VI-8000整形機(jī)、2XL-195制砂機(jī)、螺旋式洗砂機(jī)、ZXMC-360-3吸塵裝置、二級振動(dòng)篩、三級振動(dòng)篩等，詳見圖1。

圖1 自產(chǎn)機(jī)制砂設(shè)備配置圖

1.3 生產(chǎn)工藝優(yōu)化

生產(chǎn)工藝是機(jī)制砂質(zhì)量好壞的關(guān)鍵，自產(chǎn)機(jī)制砂場對生產(chǎn)工藝進(jìn)行了優(yōu)化革新（生產(chǎn)工藝流程見圖2），使機(jī)制砂的泥塊含量、石粉含量、粒形級配等指標(biāo)得到有效改善。與地方機(jī)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(jìn)入鄂破斗前，設(shè)置了一段長約10米的振動(dòng)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(huán)節(jié)設(shè)置吸塵裝備，最后采用螺旋式洗砂機(jī)對砂進(jìn)行均勻清洗，石粉含量可通過調(diào)整吸塵裝置風(fēng)壓和洗砂機(jī)水量進(jìn)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(jīng)過三級沉淀循壞利用，工藝綠色環(huán)保。

⑶為減少針片狀顆粒含量，改善粒形，采用整形機(jī)對顆粒進(jìn)行整形。整形工藝原理是骨料在整形機(jī)中高速運(yùn)轉(zhuǎn)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(qiáng)形狀較規(guī)整的顆粒。

⑷為控制細(xì)度模數(shù)，使砂級配可控，生產(chǎn)過程中將影響細(xì)度模數(shù)的3～5mm顆粒經(jīng)二級振動(dòng)篩輸送帶送入制砂機(jī)進(jìn)行再次加工，從而保證了細(xì)度模數(shù)和級配符合要求。

圖2 生產(chǎn)工藝流程

1.4 質(zhì)量檢驗(yàn)

為確保出廠機(jī)制砂質(zhì)量滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，在砂石場設(shè)置試驗(yàn)室，配置砂石檢驗(yàn)設(shè)備，配備專職試驗(yàn)人員，每2小時(shí)對生產(chǎn)的機(jī)制砂進(jìn)行抽樣檢驗(yàn)，杜絕不合格產(chǎn)品出廠，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果及時(shí)調(diào)整生產(chǎn)工藝參數(shù)，使機(jī)制砂質(zhì)量穩(wěn)定可控。

2 試驗(yàn)

2.1機(jī)制砂品質(zhì)試驗(yàn)

我們對自產(chǎn)機(jī)制砂近2年的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并與湘江河砂、地方機(jī)制砂對比，結(jié)果見表3。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，自產(chǎn)機(jī)制砂石粉含量、泥塊含量、壓碎指標(biāo)值、細(xì)度模數(shù)、顆粒級配等指標(biāo)均滿足C50等級混凝土標(biāo)準(zhǔn)要求，與地方機(jī)制砂比較有質(zhì)的提高，其品質(zhì)達(dá)到甚至優(yōu)于河砂。并且自產(chǎn)機(jī)制砂最大的特點(diǎn)是各項(xiàng)指標(biāo)穩(wěn)定可控，質(zhì)量波動(dòng)小，這是天然河砂也無法可比的。

表3 砂品質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

注：湘江河砂為滬昆客運(yùn)專線鐵路某預(yù)制梁場用砂料源。

2.2 混凝土配合比室內(nèi)試驗(yàn)

我們采用自產(chǎn)機(jī)制砂、地方機(jī)制砂及河砂進(jìn)行了大量的室內(nèi)配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)，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(chǎn)機(jī)制砂與地方機(jī)制砂進(jìn)行試驗(yàn)對比，配合比試驗(yàn)用原材料見表4。我們選有代表性的C30、C40配合比進(jìn)行對比，見表5。由表中試驗(yàn)結(jié)果可知，自產(chǎn)機(jī)制砂配制的混凝土較地方機(jī)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(jī)制砂，利于現(xiàn)場澆筑施工，其抗壓強(qiáng)度、電通量等指標(biāo)也明顯優(yōu)于地方機(jī)制砂配制的混凝土。經(jīng)分析，主要是因?yàn)樽援a(chǎn)機(jī)制砂粒形級配好、石粉含量小、有害物質(zhì)含量少、顆粒強(qiáng)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(dá)到均勻密實(shí)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(chǎn)機(jī)制砂與地方機(jī)制砂混凝土試驗(yàn)對比表

在C50梁體混凝土配合比設(shè)計(jì)中，我們分別采用河砂和自產(chǎn)機(jī)制砂試配，對拌合物性能、力學(xué)性能、耐久及長期性能進(jìn)行試驗(yàn)對比。從試配結(jié)果來看，機(jī)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(diào)整。機(jī)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(jī)制砂混凝土拌合物的和易性也不亞于河砂。而力學(xué)性能指標(biāo)方面，機(jī)制砂混凝土28天立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、靜力受壓彈性模量、劈裂抗拉強(qiáng)度較河砂混凝土略有偏高。同時(shí)，我們對機(jī)制砂混凝土的電通量、抗裂性、抗?jié)B性、抗凍性、鋼筋銹蝕、碳化、收縮等長期和耐久性試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，各試驗(yàn)值均正常。對比發(fā)現(xiàn)有差異的是機(jī)制砂混凝土快速凍融200次的相對動(dòng)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(biāo)相接近。這說明，優(yōu)質(zhì)機(jī)制砂配制高速鐵路較高強(qiáng)度等級混凝土，技術(shù)上是可行的。

3 效益

與地方機(jī)制砂比較，自產(chǎn)機(jī)制砂混凝土直接成本大幅降低，不同等級混凝土達(dá)12～18元/m3,整個(gè)項(xiàng)目節(jié)約成本約1800萬元，經(jīng)濟(jì)效益可觀。另外，混凝土質(zhì)量內(nèi)實(shí)外美，得到各方人士的好評。

4 工作建議

隨著國家基礎(chǔ)建設(shè)投入的不斷擴(kuò)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(shè)項(xiàng)目混凝土砂石供需矛盾將十分突出。對大規(guī)模的鐵路工程建設(shè)項(xiàng)目，很多單位將采取自建砂石場來減小質(zhì)量、成本、進(jìn)度等壓力，而自建砂石場的建設(shè)問題又是一個(gè)新課題，針對鐵路項(xiàng)目自建砂石場建設(shè)有以下建議：

⑴項(xiàng)目開工前應(yīng)先做好地方砂石市場的調(diào)查工作，專題研究，對工程質(zhì)量、成本、進(jìn)度綜合分析評估，超前籌劃。

⑵砂石場的建設(shè)位置及規(guī)模應(yīng)根據(jù)運(yùn)輸條件、工程需求、成本等綜合考慮。

⑶破碎機(jī)、制砂機(jī)及除粉設(shè)備須選型合理、運(yùn)行可靠，其生產(chǎn)工藝參數(shù)應(yīng)通過試驗(yàn)優(yōu)化選取。機(jī)制砂應(yīng)至少采用三級破碎工藝。應(yīng)注重粒形、級配、除粉等環(huán)節(jié)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(xù)有利。礦山選定前應(yīng)地勘取樣進(jìn)行試驗(yàn)，應(yīng)使用質(zhì)地堅(jiān)硬、材質(zhì)均勻、潔凈、無風(fēng)化石及軟弱顆粒的石灰?guī)r、白云巖、花崗巖、輝綠巖和玄武巖等巖石，其抗壓強(qiáng)度、SO3含量、堿活性等指標(biāo)應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。不得使用泥巖、頁巖、板巖。

⑸生產(chǎn)過程中應(yīng)加強(qiáng)母巖監(jiān)測，杜絕使用不合格母巖。應(yīng)加強(qiáng)設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)，及時(shí)更換易損部件，確保砂石質(zhì)量穩(wěn)定。

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1007-6344（2017）03-0048-03