陈贵春
摘 要：针对天然砂资源逐步减少，品质日益下降以及限采等现实情况，推行淘汰天然砂使用机制砂已经是一种必然趋势。在发展过程中，主要使用的制砂方式为棒磨机、立轴式冲击破碎機、立轴式冲击破碎机与棒磨机联合，两级立轴式冲击破碎机以及最近使用的塔式制砂楼系统制砂等。
关键词：机制砂;湿法;干法;细度模数;石粉含量
1 前言
砂石骨料是水电、建筑、道路、桥梁等工程建设不可或缺、不可替代的基础材料，据不完全统计我国每年砂石骨料需求量约200亿吨，占世界第一，随着基本建设的日益发展和天然砂资源的不断开采，天然砂资源作为一种短时间内不可再生、区域分布很不均的地方资源已近枯竭，且品质日益下降，颗粒级配也不合理。另外，出于防洪和资源的保护的考虑，国家已明文限制或禁止一些河段天然砂的采掘，进一步减少了天然砂的来源，使得天然砂资源日渐紧缺，价格不断上涨，砂石供需矛盾日益突出，影响了工程建设的进展。因此用资源更丰富、质量更优良的机制砂替代天然砂已是大势所趋，机制砂生产工艺和合理的设备选型也得到了砂石骨料业界内外前所未有的关注。
2 机制砂发展历程
在上个世纪60年代的时候，欧美和日本等发达国家就已经能够利用自己先进的工业技术，用机制砂代替天然砂混凝土，应用在实际的建筑工程中，形成了完善的机制砂材料、试验、应用的标准和规范。
我们国家当前仍然比较依赖天然砂的使用，机制砂技术和设备的研究起步较晚，发展缓慢。
当下，机制砂的生产和使用只有水电行业比较熟练，以水电为例，我国机制砂生产线技术的发展大致可分为三个阶段：摸索阶段、成熟阶段和不断创新广泛应用阶段。
3 机制砂生产工艺
干法制砂和湿法制砂是机制砂的两种主要生产工艺。从上个世纪60年代以来我国主要使用的制砂方式为棒磨机制砂、立轴破碎机制砂、立轴破碎机与棒磨机联合制砂，两级立轴破碎机制砂以及最近开始应用的塔式制砂楼系统等。其中干法制砂适合使用塔式制砂楼系统和立轴破碎机;湿法制砂适合使用棒磨机制砂。
3.1 湿法制砂工艺
3.1.1 棒磨机制砂
我们经常见到的湿法制砂设备就是卧式放置的棒磨机，主要由进料部、筒体部、出料部等工作部分，以及轴承部、传动部、基础部等组成。在筒体回转的过程中，筒体当中的钢棒会受到离心力和摩擦力的作用，伴随着筒体回转逐渐升高，在最高点时以线速度匀速抛落，于是对筒内制砂原料产生冲击、磨削和挤压，使其粉碎。
典型工艺流程：制砂原料（进料粒径一般3～25mm）从棒磨机一端进入，磨细的产品借助连续给入原料的推力、水力从另一端排出机外。使用螺旋分级机，将排出的产品分成污水污泥和机制砂，污水污泥一般情况下会自流到沉砂池或者旋转式分级机，将流失的细砂重新回收。使用湿法制砂，一般情况下都会配有净化处理污水污泥的设备。
优点：机制砂粒形较好，颗粒级配优良，可以调整细度模数，能够合理控制石粉的含量，生产稳定。如MBZ2136棒磨机产量为一般为28-40t/h。缺点：①设备的配套设施比较复杂，基础较大，在使用过程中需要有污水处理设施来辅助，生产场地需求较大;②耗水量大，每生产lt机制砂需用水约1～1.5t，此外细砂会流失30～35%之间，十分严重;③进料粒径一般在25mm以下，并且产量也不是很高，在运行的过程中，会对钢棒造成很大的损耗。三峡下岸溪生产机制砂的过程中，就会使用棒磨机制砂，单机平均产砂量约25～35t/h，钢棒消耗量约0.5～0.9kg/t。
3.1.2 立轴式冲击破碎机与棒磨机联合制砂：
基于提升立轴冲击式破碎机制砂的产品质量，解决中径含量较少等问题，使用棒磨机和立轴式冲击破碎机两种工艺一同制砂。
典型工艺流程：立轴冲击式破碎机将石料破碎，然后使用筛分机进行分级，将小于3mm的石粉混合进入成品仓;在3～5mm之间的石料投入棒磨机进行再次破碎，进行分级，与3mm以下的石粉混合;大于5mm的石料重新返回转料仓。
优点：这种工艺制作出来的机制砂质量上乘、粒型也不错。将棒磨机和立轴冲击式破碎机的优点结合在一起，摆脱了两种工艺缺点的限制，让中径含量显著提升，石粉流失问题也能得到根本性解决。缺点：①棒磨机的不足之处仍然没有实现根本性解决;②整个工作流程中需要使用多种设备，比较复杂。
3.2 干法制砂工艺
3.2.1 立轴冲击式破碎机制砂
新一代以“石打石”为代表的制砂设备，让人工砂生产技术实现了突破。立轴式冲击破碎机基本原理：利用高速自旋转子将物料加速，从通道抛射腔口射出与破碎腔进行撞击，使物料受冲击产生破碎。在立轴式冲击破碎机的物料破碎方式上可分为两类：“石打铁”型立轴式冲击破碎机和我们前面提到的“石打石”立轴式冲击破碎机，石打铁破碎腔制砂时，转子总成的线速度最好在65-76m/s，这时制砂较好，如选用石打石破碎腔制砂时，转子线速度可选在68-80m/s，虽然制砂效率稍逊石打铁型，但砂石粒型较好。
典型工艺流程：进料-破碎-筛分-返回（或进料仓），即制砂原料（进料粒径一般5～40mm）供给立轴式冲击破碎机进行破碎，然后从排料斗排出后通过输送系统进入筛分分级设备，其中筛出的大于5mm的碎石和部分3-5mm的粗砂返回立轴式冲击破碎机再次破碎加工，部分3-5mm的粗砂和小于3mm的细砂进入成品砂仓。
优点：单位能耗低。缺点：①3-5mm粗砂反复循环破碎，破碎效果差，能量损耗略偏大;②机制砂级配不合理，粗颗粒多细颗粒少，2.5～1.25mm、1.25～0.63mm粒径的颗粒偏少，即“两头大，中间小”;③砂细度模数控制难，如采用干法生产，石粉含量普遍偏高。
为降低石粉含量、降低制砂机工作损耗、缩减工艺流程，降低设备破碎壁、调整进料粒径不失为一种有效的方式。
3.2.2 常速与高速立轴式冲击破碎机联合制砂
典型工艺流程：进料-常速立轴式冲击破碎机破碎-筛分-返回常速立轴式冲击破碎机破碎（大于5mm的碎石）+高速立轴式冲击破碎机破碎（部分3～5mm的粗砂）-进料仓，即制砂原料（進料粒径一般5～40mm）供给常速立轴式冲击破碎机（V=50～70m/s）进行破碎，然后从排料斗排出后通过输送系统进入筛分分级设备，其中筛出的大于5mm的碎石全部返回常速立轴式冲击破碎机再次破碎加工，部分3-5mm的粗砂过输送系统进入高速立轴式冲击破碎机（V>75m/s）进行整形，经整形的机制砂和筛分出的小于3mm的细砂混合进入成品仓。
优点：在保证优质砂的前提下，解决了棒磨机制砂运行成本高，产能低等问题。缺点：流程复杂。
3.2.3 塔式制砂楼系统制砂
目前塔式制砂楼系统被誉为顶级制砂技术的代表，最高等级的机制砂制造设备。该楼采用全封闭式输送、生产，及负压除尘设计，以制砂机和空气筛为核心的生产装备，并由给料机、除尘器、调控板、鼓风机、回收过滤器五个部分组成的闭环控制系统。
典型工艺流程：制砂原料（粒径20或30mm以下）使用底层制砂机深度破碎原料，接下来使用斗提机，将破碎后的原料砂石提升到顶层的扩散机上，最总使用空气振动筛、级配调整机以及拌湿机，共同制作出精品机制砂和石粉，将传统机制砂细度模数不合格、级配差和石粉含量不好控制等问题从根本上解决，对工程质量也有着明显的提升。
制砂楼的优势：1）噪音低、无排放。由于制砂楼采用全封闭结构，完全与外界隔绝，具有防尘、隔绝噪音的优势;2）分离合格砂与石粉。制砂楼采用空气筛，比一般制砂生产线的分级精度更细、更准确，并可以使机器进行调控，然后进行级配调整;3）返回式闭路系统。有了这个系统可以使制砂楼通过加水混合机根据需要，设置产品的含水率，提高机制砂的粒型和大小。
4 机制砂质量控制
不管使用哪种方法，干法制砂或者湿法制砂，要保障细度模数和粒度特性，还需要将产品中多余的石粉和泥土去除掉，让成品砂含水率更加稳定。
4.1 原料质量控制
在勘探设计阶段选定满足要求的矿山，母岩强度高（火成岩>80MPa;变质岩>60MPa;水成岩>30Mpa），质地坚硬，无潜在碱活性危害。但实际开采过程中，往往会发生与勘探结论不完全一致的情况，如出现意外的断层带、严重夹带碎屑和泥块、溶蚀、溶沟充泥增加、出现较多的软弱带或其他不良的地质现象，遇到这种情况，就需采取必要的质量控制手段，对加工原料进行控制。
4.1.1 原石在取料中的软弱颗粒控制
一般来说，内部混凝土的软弱颗粒含量不能够超过15%，对于有抗磨要求和对外的混凝土也不能超过5%。对于混凝土来说，过多的软弱颗粒会影响强度和稳定性，需剔除软弱颗粒。通常在料源开采源头采用肉眼分析判断，在开采过程中进行剔除，或在砂石料生产线粗碎环节设置弃料筛分车间，筛出软弱颗粒作为弃料弃出。
4.1.2 无用层与有用层的分界线开采
之所以进行无用层和有用层的分界线开采，目的就是避免无用层混入有用层，一般来说，无用层和有用层的分界线是弱风化带下部，作为弃料，矿山无用层往往先采用玻璃无用层，然后对有用岩石进行开采的步骤。
4.1.3 夹层中开采
在实际的开采过程中我们发现，一旦岩层出现了夹层，地质人员就必须分析判断夹层的状态，分析夹层石料会不会影响混凝土质量，做出相应的决策，一般如夹层规模较小，不含有害物质时就可开采使用，如夹层规模较大，而且夹层中存在有害物质或者其他难以辨别的物质，应能剔除或舍弃。
4.2 生产过程质量控制
机制砂的质量控制主要重点是石粉含量、细度模数、含水率等。
4.2.1 石粉含量控制
在机制砂的生产过程中，石粉含量是一个十分重要的质量指标。干法制砂生产的机制砂石粉含量往往更高，质量一般都能满足或者高于标准，这时应考虑选用选粉设备如选粉机分离多余石粉或部分湿式生产，洗去部分石粉，从而满足标准要求。
机制砂石粉的流失在湿法制砂过程中更加明显，想要满足石粉含量的基本要求，都需要将石粉回收。在回收石粉的过程中，也有着人工和机械两种方式，机械回收是设计出石粉回收车间，也就是将制砂车间和筛分车间螺旋分级机溢流水中带走的石粉，借由刮砂机、黑旋风等设备进行回收，再回收利用。人工回收方式：也就是将洗砂机排放的西流水自然存放脱水，脱水后的细砂掺配到机制砂中。
4.2.2 细度模数控制
细度模数是机制砂质量控制的重点和难点，主要控制手段是依靠棒磨机、粗砂整形和细砂回收工艺进行调节，以及检查筛分机有效筛面面积与控制筛孔尺寸。
在湿法制砂过程中，棒磨机制砂是常用的方式，对机制砂细度模数的控制，是由棒磨机和细砂回收工艺决定的。干式生产时，一般配置立轴冲击式破碎机制砂。在机制砂质量控制中，能够解决多级破碎后粗砂和立轴破碎制砂细度模数偏大的问题，在工艺上将筛分出的3～5mm的粗颗粒返回立轴冲击式破碎机再次加工破碎，让细度能够得到明显的把控。此外，对<0.16mm（或0.15mm）细颗粒含量进行重点关注，控制好机制砂细度模数。
针对控制机制砂细度模数的目的，经常会使用以下几种措施：①借助取样测试砂的细度模数，保证细度模数在合理的范围内;②一旦出现细度模数过大的现象，就可以通过棒磨机的生产线来调整进料颗粒径、量和装棒量等，调整生产量;配备高速立轴破碎机的生产线可进行粗砂整形和再破碎，对砂的级配组成和细度模数进行合理调整;③对筛分机的筛网孔径进行合理调整，也可以通过颗粒级配和细度模数进行调整。
4.2.3 含水率的控制
采用湿式制砂时，机制砂脱水是生产质量控制的难题。为了让机制砂的含水率得到有效控制，当前主要是使用自然脱水和机械脱水两种形式。在实际应用中主要有以下方式：①首先，使用机械将机制砂中的大多数水分脱离，一般会使用振动筛脱水技术，这样的方式能够将含水率从20～23%降低到14～17%，另外也可采用真空脱水或离心脱水，脱水效果好，但投资费用较高。②将机制砂堆存脱水、下料和取料等各个环节区分开来，一般来说，堆存脱水三到五天之后就能够将含水率稳定到6%以下。③将脱水筛和干法生产的机制砂混合到砂仓当中，也能使含水率降低。④在机制砂仓顶部搭设防雨棚，砂仓底部设盲沟排水设施，及时清理盲沟，让自然脱水时间得到缩减，也能够让机制砂的含水率明显降低。
5 结语
砂作为混凝土的一种重要结构材料，在工程建设过程中有着至关重要的作用。在满足机制砂的基本性能的基础上，选择更具经济效益的生产方案，让机制砂能够发挥出应有的作用，又能节省更多的生产成本。随着天然砂资源的减少，生产机制砂将会是未来主要的发展方向，也是对可持续发展理念的贯彻。
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