人工砂石料生产技术与质量控制措施

【摘要】在混凝土中，砂石料占混凝土的总体积达到60~80%，占总质量的70~90%，是构成现代建筑主体的基本材料，砂石料品质的好坏对新拌混凝土的施工性能、经济性以及建筑工程的质量和安全性都有显著影响。本文对人工砂石料的基本特性做了简单描述，结合现场运行管理经验介绍了砂石料的生产工艺以及质量控制的方法。

【关键词】人工砂石料生产技术质量控制

中图分类号：O213.1 文献标识码：A 文章编号：

混凝土中的砂和石子称为骨料，是混凝土的主要组成材料，约占混凝土总体积的60~80%，左右，其作用是构成混凝土的骨架，并对水泥石的体积变形起一定的抑制作用。骨料在混凝土中既有技术上的作用，又有经济上的意义，品质优良、质量稳定的砂石料对减少胶凝材料用量和生产高质量的混凝土至关重要。人工生产的砂石料，可以弥补天然的砂石料的不均匀级配的缺点，还可以根据工程的需求来调制各种粒径骨料的生产量。在人工砂石料的生产中主要包括覆盖层剥离、毛料开采、毛料运输、超径石解小、粗碎、中细碎、筛洗、制砂等一些环节。在生产质量过关的人工砂石料还要在每个生产环节和检验上面进行严格控制，因此，本文对人工砂石料的加工工艺和质量控制方法进行分析。

1人工骨料的基本特性

国家标准《建筑用砂》（GB/T14684-2001）中明确了砂按产源分为天然砂和人工砂两类。天然砂包括河砂、湖砂、山砂及淡化海砂；人工砂为“经除土处理的机制砂和混合砂的统称”。机制砂是“由机械破碎、筛分制成的，粒径小于4.75mm的岩石颗粒，但不包括软质岩、风化岩的颗粒”。

由于人工砂是用专门的制砂机械生产，如用冲击式破碎机制砂，可以通过进料量、进料粒径、转速等参数的调整，按工程的需要，人为地较稳定地控制人工砂的质量，故得到日益广泛的应用，它有如下主要特性：

①人工砂颗粒是多棱体，级配合理，粒度均匀，通常含有的石粉可以部分改善混凝土的工作性能。

②通常在同一工地，人工砂与碎石是同一种母岩制成，热学性能一致，对大体积混凝土技术效果尤为显著。

③同一生产设备或工艺，机制砂的细度模数和单筛的筛余量成线性关系，对于一种砂子，先通过试验建立关系式后，只要测定一个单筛的筛余量即可快速求出细度模数。

④机制砂中石粉含量的变化是随细度模数变化而发生变化的，细度模数越小，石粉含量就越高；反之，细度模数越大，石粉含量越低。

2人工骨料系统的工艺流程

2.1料场的开采技术

通常情况下，料场都采取梯段作业，开采方案中需根据料场地形地质条件和拟采用的开挖设备类型和型号确定梯段高度、边坡坡比、马道宽度、边坡支护形式等。料场运输方案常考虑公路运输、竖（斜）井运输等形式。公路运输要求地形和场地条件适合布置公路，一般运输线路长，生产运行期需投入的装运设备多，但生产管理简单，地质风险小，易于稳定生产。竖（斜）井运输要求地质条件适合布置竖（斜）井，可减小运距，需投入的装运设备少，但应充分考虑竖（斜）井及相连接的平洞的防护措施和出现坍塌或石渣堵塞的处理措施，考虑爆破作业对其稳定的影响，必要时需降低爆破规模，生产管理复杂，地质风险大。公路运输和竖（斜）井运输大多可根据应用条件作选择，工程采用何种形式，需根据具体情况结合系统后续作业进行技术经济比较。

2.2破碎加工

破碎加工是人工砂石生产中最关键的一环，从破碎原理上，物料破碎主要有通过挤压、剪切型破碎和碰撞、打击型破碎两大类破碎，从理论和工程实际使用情况，挤压、剪切型破碎机（如颚破、旋回破、圆锥破等）破碎时不易过粉碎，扬尘少，适于各种硬度的岩石；碰撞、打击型破碎机（如反击破、锤破、立式冲击破、棒磨机等）破碎时破碎比大，产品细，粒形好，但维修工作量大，易产生扬尘，作中细碎设备时一般适于中硬岩石。破碎工艺的选择和破碎设备的选型与配置对人工砂石料系统的成败起着决定性的作用。采用粗碎、中碎、细碎三段破碎，根据设备加工情况和骨料的需求情况，有的破碎环节形成闭路循环加工，用于调整砂石料级配。

2.3破碎加工工艺

（1）破碎工艺

一般来讲，破碎工艺主要有如下几种形式：a.粗碎和中碎开路生产；b.粗碎和中碎开路生产，细碎采用闭路生产；c.粗碎开路，中细碎均闭路生产。

图1 破碎工艺

（2）制砂工艺

制砂因其重要性和复杂性，是目前国内水利水电工程砂石加工技术投入研究较多的环节，工程实践中常采用的破碎工艺形式有：a.冲击式破碎机加棒磨机联合制砂，该工艺生产的人工砂质量好，成本较低，是主要的制砂工艺；b.棒磨机单独制砂，该工艺生产的人工砂质量好且稳定，但水量及钢棒消耗量大，成本高，目前制砂工艺较少单独采用；c. 不同转速冲击式破碎机物料分级制砂，该工艺主要是采用较低转速的冲击式破碎机对较粗的骨料进行破碎，采用高转速的冲击式破碎机对较细的骨料或3~5mm的粗砂进行破碎，同时通过设置检查筛分来调整成品砂的细度模数，其生产的人工砂质量较好，成本低；d. 冲击式破碎机物料不分级单独制砂，该工艺生产的人工砂级配不连续，细度模数大，生产的人工砂一般在临时工程中使用。

2.4筛分和冲洗

由于人工砂石加工需要分级加工破碎，同时由于料源岩石含泥和杂质的影响，人工砂石加工系统一般都需要设计筛分和冲洗工艺。主要设备有：筛分给料类及筛分分级类。筛分给料常用设备为粗碎用棒条给料机、溜井下部用放矿机和料仓下部给料机；筛分分级设备有圆振筛、直线筛等，圆振筛一般用于粗细骨料分级和粗骨料冲洗，直线筛一般用于骨料脱水、脱泥，均可实施干湿筛分作业。

2.5石粉回收

研究表明适当掺量的石粉可能提高混凝土力学性能，改善新拌混凝土和易性，提高混凝土抗裂能力，改善混凝土的抗渗抗冻性能及其它性能。湿式生产不可避免会有部分细砂和石粉流失，采用石粉回收装置对废水中的细砂和石粉进行回收并回掺到人工砂中，有利于提高人工砂石粉含量和降低人工砂细度模数，以降低生产成本和废水处理难度。石粉回收主要设备有：旋流器+强力脱水筛和刮砂机等，旋流器+强力脱水筛石粉回收装置具有废水处理量大、高产量的精细回收，在大型工程中广泛使用。刮砂机具有结构简单，运行成本低的特点，但产量低，占地面积大，不具备选择性回收。

2.6电气控制

在系统电气控制方面，PLC控制、工业电视和计算机自动控制方面，近年来都得到了长足发展，尤其是计算机自动控制技术，可有效提高设备的生产能力，减少设备事故，减轻工人的劳动强度，实现资源的合理化配置，降低生产运行成本，已经成为砂石系统研究和应用的重点。

2.7环境控制

（1）用水工艺

湿式生产由于有去泥、降尘、提高筛分效率等优点，在人工骨料生产系统中广泛应用，但也带来了砂的水力分级过程中小粒径粒级物料的流失、含水物料破碎作业时成品率降低、成品砂的脱水困难、综合成品率低和生产废水处理复杂等弊端。

（2）除尘装置

目前在水利水电工程中应用的除尘设备和工艺主要为密闭除尘、喷雾降尘、布袋除尘器、脉冲除尘器、静电除尘器等，结合系统工艺，分别有各自的应用范围，一般除尘效果均能满足要求，若能将成本控制在工程承受范围内，均有不错的应用前景。另外，利用干化池进行重力沉淀作污泥或细砂的分离处理，由于投资省、运行管理简单、成本低，在地形条件较好的工程中仍然广泛应用。

3人工骨料的质量控制

3.1通过岩石性质与机械设备来控制质量

（1）在岩石相同时，反击式、冲击式破碎机产品的针片状较少，一般均小于12%。实验表明，针片状含量增加10%，每方混凝土用水量需增加2%，这势必增加水泥用量，同时使混凝土工作性差，容重减小。

（2）岩石的硬度和成分决定了破碎设备中耐磨金属的磨损率，它是决定人工砂石料生产成本的主要因素之一。从总体上看，随着岩石硬度的增加，金属的磨损速率相应增加。从而加快了破碎机的锥体失圆和棒磨机衬板和棒筋的损耗，于是影响骨料的级配组成和砂子的细度模数指标。

（3）岩石的吸水率的大小是岩石风化程度的标志之一，也是影响人工砂石料质量的主要因素。在各类岩石中，大多数新鲜岩石的吸水率均小于2.5%，能够满足水工混凝土施工规范要求。页岩、板岩等因吸水率高，不适用于作混凝土原料。

（4）岩石风化愈严重，软化愈严重，吸水率也愈大，粗磨后产品的细颗粒比例也随之增加，石粉含量也成正比例递增，成品率下降。实验表明，吸水率每增加1%，混凝土强度下降7.1%。一般砂子细度模数在2.4～2.8之间，混凝土的和易性和抗冻较好。

3.2工艺流程的控制

先进的加工工艺和正确的设备选型是产品质量的保证，也是系统可靠运行和降低骨料生产成本的关键，工艺流程设计时，对硬岩的加工，如花岗岩、玄武岩、砂岩等，宜采用全整形工艺，设备选型时应优先选旋回破和圆锥破，中石、小石生产结合制砂工艺，采用经立式冲击破整形后筛分出料，可有效改善中、小石的粒形和提高制砂产量。对中硬岩的加工，如石灰岩、白云岩等，宜优先选用反击破和立式冲击破。

骨料转运堆存次数增多，跌撞破碎量也相应增大，从而使逊径随之增加。新安江工程试验表明：用皮带机运送石子，每增加一条皮带转运一次，逊径率增加0.4～2.5%。丹江口工程试验表明：40～80mm大石，经20次转运，逊径率增加了17.4%。因此，对中石以上的浄料，在工艺布置上，应尽量减少转运次数，缩短运输距离，采用大功率和长度长的皮带机。同时在皮带机转运点上，高度宜控制在3米以内，并在用于衔接的溜槽内衬以橡皮或缓冲坎，减轻石料冲击破碎造成骨料逊径。卸料时，粒径大于40mm骨料的自由落差大于3m时，应设置缓降器。

3.3人工砂的细度模数控制

从细度模数的表达式看，2.36mm~4.75mm的粗砂含量与细度模数成正比，小于0.15mm的石粉含量与细度模数成反比，且影响较大。在生产中，通过在筛分机上设置一层网孔为3mm和5mm的组合筛网（面积比例由生产试验确定）来调整成品砂中粗砂含量，通过调节冲洗水量、洗砂机的转速及石粉回收装置的回收量来控制成品砂的石粉含量，同时通过调节棒磨机的进料量与进水量的方法调整砂的中间级配含量这三种措施可保证砂的细度模数、石粉含量和级配连续满足规范要求，但要保持砂的各指标稳定，则需保持供料设备均匀稳定地供料和加工系统连续生产。

3.4人工砂的含水率控制

人工砂由于比表面积很大，含水率往往很高且不易脱水，特别是人工骨料系统，在湿法生产过程中，因而砂子的含水率和石粉含量较高，要求有更长的堆存时间脱水，要将其控制在规范允许的6%以内实非轻而易举。砂的含水量，直接影响到混凝土的水灰比，如使用未达到稳定含水量的砂子进行混凝土拌和，加水量难以控制，影响混凝土质量，砂含水量不稳定仍是影响混凝士水灰比的主要原因。人工砂的含水率难以控制的主要原因是砂在成品堆场堆存留时间过短，自然脱水时间不够。自然脱水时间与自然条件（如风速、空气湿度、堆场排水设施等）有关，要使砂达到稳定含水量（即表面含水率在3～4%）时，应作专门试验，确定自然脱水时间。工程中常采用的主要措施有：①成品砂入仓前，采用脱水筛进行机械脱水，以减少人工砂入仓前的含水率。②设置足够大的砂仓，将砂仓分三个区，每个区的堆存量一般不小于高峰期7天的用砂量，并轮流取料，即一个生产区、一个脱水区、一个出料区，延长砂子的自然脱水时间，以保证砂子含水量的稳定。③在成品砂堆场上部设置防雨棚，下部设置排水盲沟。

3.5粗骨料的超逊径及中径筛余量控制

粗骨料的超逊径和中径含量直接影响混凝土的密实度和强度，因而规范规定粗骨料中超径含量不允许大于10%，逊径含量不允许大于5%，中径筛余量应在40%～70%范围。影响粗骨料超逊径的因素有：筛网给料强度、筛网网孔尺寸、筛孔变形破损、筛网倾角，筛分机的机械特性、筛分效率、堆料，转运、卸料跌落破碎、储存混仓、混级等。就其主要影响因素而言，可表达为：

超逊径数量=f(a、b、c、d、e)

式中a—筛分效率；

b—筛网倾角及机械特性；

c—筛孔变形破损，它与使用时间短及筛网材质有关；

d—筛网给料强度，与生产强度有关；

e—系指堆、运、卸等固定影响因素。

工程实践表明，砂石加工系统经过调试和试生产，系统达到稳定生产工况后，上式中的a、b、d、e参数变化对超逊径影响可忽略不计，因此生产过程中超逊径的变化影响因素主要是筛孔变形破损，其控制措施主要有：①加强生产过程中的质量检验和生产巡视，发现质量波动及时查找原因。②将筛分机入料端筛网网孔设置比标准网孔稍小，出料端筛网网孔比标准网孔稍大的组合筛网形式，可大大提高筛网使用寿命。③尽量保证筛分机筛面上物料厚度的均匀性。④当通过调整筛网无法控制超逊径含量时，再调整其它参数。

粗骨料的中径含量控制措施主要有：①通过调整破碎机的排料口径或破碎机转子的转速来控制。②设置中径筛筛除超标的这部分。③成品料供料时，采用多点放料，以保证供应骨料的均匀性。

结束语

在建筑工程中，砂石骨料作为混凝土的原材料，属中间产品，但对整个工程的造价、质量、进度影响重大，因此在砂石骨料生产时，需对料场选择、加工工艺方案和设备选型进行论证，必要时进行生产性试验，对骨料加工生产、运输、储存等环节都必须要进行质量控制，才能够使得工程得到品质优良的砂石骨料。

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