机制砂生产应用及热点问题分析

上海砼力：王丹 138 188 14838

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胡建伟1 闻宝联2

（1.河北工业大学，天津，300401；2.天津市交通科学研究院，天津，300074）

摘要：机制砂作为天然河砂的替代品，在我国已有六十年左右的应用历史。现代混凝土对砂的技术要求越来越高，特别是高强度等级和高性能混凝土对骨料的要求很严，随着我国机制砂制砂工艺和设备的提高，越来越符合工程建设的优质机制砂成为国内关注的焦点之一。首先，评述了国内机制砂的三种制砂工艺：干式、湿式与半干式；其次，介绍了机制砂在水电工程、桥梁工程与预拌混凝土中的实际应用；最后，根据国内研究现状着重分析了机制砂的级配、配合比设计与石粉含量等热点问题。

关键词：机制砂；制砂工艺；级配；配合比设计；石粉含量

2013年我国水泥产量超过24亿吨,预拌混凝土超过11亿m3。细集料砂作为混凝土的重要组成材料消耗量也是巨大的。天然河砂是一种短期不可再生的资源,而且在我国分布不均匀，随着河砂的大量开采，我国多数地区已面临无砂可采，优质河砂匮乏的资源现状。面对我国河砂资源短缺与基础设施建设飞速发展的大背景，迫切需要新的砂资源替代天然河砂。

现代混凝土对砂的技术要求越来越高，特别是高强度等级和高性能混凝土对骨料的要求很严，而能满足其要求的天然砂越来越少，因此寻找新的混凝土用砂资源已迫在眉睫，开发使用机制砂已成为解决建筑用砂短缺的重要途径之一。国家建委自1973年制定《机制砂混凝土技术规程》以来，机制砂的应用得到大范围的推广,由建筑行业扩大到公路、铁路、水电、冶金等系统,由挡护工程扩大到桥梁、隧道及水工工程,从砌筑砂浆发展到普通混凝土、钢筋混凝土,预应力混凝土、泵送混凝土、气密性混凝土及喷锚支护等工程。

机制砂作为河砂的替代品，已经成为未来混凝土的发展趋势。《建筑用砂》（GB/T14684-2011）对机制砂的定义是“经除土处理，由机械破碎、筛分制成的，粒径小于www.csir.com.cn的岩石、尾矿或工业废渣颗粒，但不包括软质、风化的颗粒，俗称人工砂”。

机制砂的主要优点在于：1)机制砂表面粗糙且具有新鲜界面，与水泥胶材的粘结性能优越，用机制砂配制的混凝土强度更高；2)机制砂级配可以进行人工调试，这是与天然砂的本质区别之一；3)生产机制砂可使大量的废石资源再利用，变废为宝，减少环境污染；4)机制砂中适量的石粉可以优化机制砂级配，改善机制砂混凝土的工作性。石粉还可以起到晶核的作用，加速水泥的水化过程；5)机制砂基本不含云母、轻物质、有机物等有害物质。

本文介绍了机制砂的制砂工艺研究现状以及机制砂在实际工程中的应用，对机制砂研究的热点问题进行了重点分析。

破碎机根据破碎原理不同可分为两大类：挤压式破碎机和冲击式破碎机。一般挤压式破碎机(旋回破碎机、领式破碎机、圆锥破碎机)适用于较硬岩石(花岗岩、玄武岩等)；冲击式破碎机(反击式破碎机、立轴式破碎机、锤式破碎机)适用于硬度不高、磨蚀性不强的岩石(石灰岩等)。

目前机制砂的制备方式有三类：干法制砂、湿法制砂和半干法制砂。干法制砂生产线是由多个破碎设备组合而成的，包括：给料机、粗细碎机、制砂机、圆振动筛、洗砂机等，设备与设备间的物流传送由输送带来完成。湿法制砂工艺是由破碎设备和制砂机生产出的成品砂经螺旋分级机和旋流器分成机制砂和废污泥水,废污泥水最后送至旋转式分级机或沉淀池以回收流失的细砂。

干式制砂的优点是减少了系统的耗水量,细砂、石粉流失量少,成品砂细度模数较低、石粉含量合适,无需配置石粉回收装置和省去脱水工艺。缺点是制砂源料表面含水较低,骨料在经过立轴式冲击式破碎机破碎、振动筛筛分和胶带机输送时粉尘逸出多,对大气环境保护不利,需设置专门的除尘系统。

湿式制砂的优点是制砂源料表面含水较高,骨料在经过立轴式冲击式破碎机破碎、振动筛筛分和胶带机输送时粉尘逸出少,对大气环境保护有利,无需设置专门的除尘系统。缺点是增加了系统的耗水量,细砂、石粉流失量大,成品砂细度模数偏大、石粉含量偏低,配置石粉回收装置,含水量高,需要增加脱水工艺。为保护环境,需对废水进行处理。

半干式制砂工艺可以避免干法、湿法制砂存在的缺陷， 一次性投资小， 扬长避短，砂的石粉含量、细度模数、含水率均能得到较好的控制，并可以减轻粉尘污染空气，实现粉砂、废水回收利用, 提高砂的产量并减少用水量。

阿海水电站新源沟砂石加工系统用高强度石灰岩制砂，采用全干式制砂工艺，在粗碎车间设置毛料分选车间，既降低了成品砂石粉含量，又避免了成品砂含泥粉的可能性。采用干式制砂，避免了湿法生产带来的水处理难题和石粉回收的难题。

湿式制砂比较有代表的项目有三峡下岸溪砂石系统、溪洛渡中心场砂石系统、彭水鸭公溪砂石系统等。它们的工艺流程特征是:立轴式冲击式破碎机与检查筛分形成闭路循环,检查筛筛网设3mm、5mm和部分5～40mm筛网,3mm以下颗粒与棒磨机产品经分级、脱水后直接进成品砂仓,3～5mm颗粒进棒磨机5mm以上颗粒回立轴式冲击式破碎机。三峡工程下岸溪人工砂石系统采用立轴式冲击式破碎机与棒磨机联合制砂工艺,在我国开创了此类人工制砂技术的先河,将我国人工制砂技术工艺研究与应用推向了新的高度,对我国水电建设起到了积极的贡献。

彭水水电站砂石加工系统采用湿法制砂生产工艺,针对螺旋洗砂机进行砂水分离的过程中部分石粉流失造成成品机制砂石粉不足的问题，设计了石粉回收工序,釆用了Derrick公司的2套2E48-120W-4A型细砂回收装置。

台山核电厂砂石系统采用半干式制砂工艺实施的方式为“以破代磨+高频筛分”的破碎分级技术将砂分为0～3 mm和3～5mm两级，根据细度模数的需求大小调整3～5mm的掺人量，经风机抽粉然后进行部分水洗调节石粉含量，确保成品砂的质量优良。以破代磨+高频筛分形成多余的3～5mm的粗砂进人棒磨机车间，由棒磨机制砂辅助制砂。由以破代磨+高频筛分和棒磨机制砂辅助生产的砂分别进人砂调节料仓，两种均可生产为合格的成品优质砂，在经调节料仓后送入成品砂仓。成品砂经三重工艺的细度磨数调整措施后级配连续性更好、含水率易控制，质量更加得以保证。

索风营水电站人工砂石骨料系统的设计针对石灰岩的特性,采用立轴式制砂机“以破代磨”半干式制砂工艺,结合粉砂、水回收利用与环保工程配套,消除了粉尘对大气的污染,建成了绿色环保的砂石生产系统。

苏家河口水电站采用半干式制砂技术，破碎采用粗、中、细碎三段破碎。粗碎、细碎采用开路;中碎采用与相应的筛分车间形成闭路循环生产工艺。中碎采用调整排料口的开度,细碎采用调整速度等方法适应各种粒径级配的生产要求。

一个好的生产工艺流程必须充分考虑到物料性质,工艺合理性、可靠性、先进性、经济性及相互的匹配性。此外，开发符合生产规模的自动化控制系统，在满足环保要求的前提下，走一条低碳绿色的发展之路，是未来机制砂生产的发展趋势。而且，我们还需要大量,吸收国内外同行业先进经验、技术,最后进行系统优势整合,开发出一条适合目标工程的机制砂生产模式。

机制砂在我国的应用研究始于贵州省对石灰岩机制砂的生产和应用研究。到目前为止，我国在机制砂混凝土的应用主要集中在水电工程、桥梁工程以及预拌混凝土等方面。

水电工程是我国最早使用机制砂石的工程项目，从上世纪五、六十年代西南山区的狮子滩、猫跳河水电站开始使用，多年来积累了较为丰富的经验。在三峡大坝二期、三期工程中全部采用花岗岩机制砂做细骨料。湖北宣恩洞坪水利枢纽工程采用石灰岩生产机制砂，湖北天堂抽水蓄能电站、皂市水利枢纽工程均采用灰岩生产机制砂，并采用天然砂和机制砂混合的办法进行施工。棉花滩大坝和黄河小浪底等工程都采用了机制砂混凝土。此外，苏家河水电站和沙沱水电站采用半干式制砂工艺生产的机制砂进行实际应用。

在桥梁工程中的应用主要是指在高速公路和铁路工程上的应用。从C20-C80机制砂混凝土均有所应用。湖南省吉茶高速公路、永蓝高速公路、怀新高速公路等桥梁工程均使用了机制砂配制混凝土，混凝土等级有C25普通混凝土，C25水下混凝土，C30普通混凝土，C40普通混凝土和C50T梁用混凝土。山东省东明黄河大桥工程为了更好的应用机制砂，制定了针对机制砂的应用技术规程。在湖北省沪蓉高速公路、三峡翻坝、宜巴高速公路等均采用机制砂配制混凝土，而且依托沪蓉高速公路，湖北沪蓉西高速公路建设指挥部和武汉理工大学联合编制了《机制砂在混凝土中应用技术指南》。四川省巴南高速公路10个标段采用机制砂配制高性能混凝土。在重庆嘉陵江黄花园大桥建设中，通过对机制砂与渠河砂取代简阳砂配制黄花园大桥主桥箱梁C50混凝土，各项工作性能指标和力学性能指标均符合规范要求，工程应用效果良好。贵州省余庆县境内的构皮滩乌江大桥采用机制砂与河砂复掺配置出泵送距离达820m的C50机制砂混凝土。此外，福建省福永高速公路，山西省左黎高速公路，重庆渝澳大桥，菜园坝大桥等工程均应用机制砂配制混凝土。在铁路桥梁中，云南省玉蒙铁路第五标段，在混凝土结构中全部使用了机制砂。贵州省水柏线北盘江大桥钢管拱内混凝土，利用机制砂配制自密实混凝土经大桥局桥科院检测,混凝土充盈饱满,达到优良等级。在株六线南山河特大桥C55高性能混凝土成功应用机制砂配置。京沪高铁和武广高铁等高速铁路的需求，将会改善目前机制砂质量，提高机制砂生产设备和技术。

在预拌混凝土中，北京世纪财富中心C60混凝土全为机制砂高性能混凝土。北京恒坤混凝土有限公司和北京恒坤拓峰采石有限公司采用干法工艺生产石灰岩机制砂，在一年多的时间里累计生产预拌混凝土40多万方，多数使用纯人工砂，石粉含量应用范围达8％～15％，应用于各种工程取得了很好的效益。天津西尔斯混凝土工业有限公司已成功生产机制砂127万吨，生产预拌混凝土180万m3，并成功应用于南水北调西河闸工程。浙江湖州新开元碎石有限公司已生产人工砂100万吨，用机制砂配制高强度泵送混凝土已成功应用于上海世贸滨江花园、徐汇苑等工程。瑞科尔建筑材料（天津）有限公司用机制砂配制普通泵送混凝土，以及C60以上的高强高性能混凝土和大流动性混凝土，并成功应用于海河堤岸改造（金刚桥至狮子林桥的灌注桩）、中心城区快速环路（津塘路至张贵庄）工程、家世界购物广场等工程，开创了天津市机制砂在预拌混凝土中大规模应用的先例

www.csir.com.cn  机制砂级配

机制砂由于自身的特性，表面粗糙，棱角尖锐，表面球形度弱于天然河砂。换句话说，适用于天然河砂的颗粒级配，并不完全适用于机制砂，甚至会引起新拌机制砂混凝土离析泌水，缺乏良好的工作状态。

艾长发等以www.csir.com.cn筛孔为分界点，将机制砂颗粒组成分成Ⅰ（粒径≥www.csir.com.cn 颗粒）Ⅱ（粒径≤www.csir.com.cn颗粒）组分，设计并进行了6种不同级配类型机制砂及其混凝土性能的试验.试验结果表明：①细度模数仅是表征机制砂的粗细程度的宏观指标，无法反映颗粒级配的真实情况，决定机制砂品质好坏的内在因素是颗粒级配,生产时应得到严格控制，为提高混凝土强度及工作性能，应尽量使颗粒级配曲线具有骨架密实特征；②机制砂 Ⅰ组分主要影响混凝土的泌水性，Ⅱ组分主要影响混凝土的保水性及黏聚性，为保证混凝土的工作性能，应使 Ⅰ、Ⅱ 组分的含量比例保持在 1：2左右，并有效控制 Ⅰ组分颗粒组成比例；③为充分发挥 Ⅰ组分的填充密实与次骨架结构作用效应，以提高混凝土的整体性能，宜将www.csir.com.cn筛档累计筛余百分率控制在级配中值附近，且www.csir.com.cn、www.csir.com.cn、www.csir.com.cn三筛档累计筛余百分率按 2:3:1 进行控制。

张礼华等认为对中低强度等级混凝土而言，适量石粉能使机制砂的级配更完善，机制砂混凝土中浆体含量增加，有利于机制砂混凝土坍落度的提高和扩展度的增加，并减少拌合物泌水。

岳海军等试验表明，使用石粉含量超过现行国标限值、级配不符合规范级配区要求的机制砂，仍然可以配制出工作性优良的机制砂混凝土。根据机制砂的实际生产状况和国外机制砂级配划分标准，提出了一个适合我国机制砂生产的全级配标准，该级配标准对现行规范中www.csir.com.cn、www.csir.com.cn、www.csir.com.cn、www.csir.com.cn筛孔的累计筛余适当放宽，并新增了 www.csir.com.cn筛孔的累计筛余控制值，有利于拓宽机制砂的级配和高石粉机制砂的利用。

芮捷等利用单因素分析法，对高强混凝土机制砂颗粒级配进行研究，推荐使用级配在Ⅱ区中值和下限之间的机制砂配制高强混凝土。

机制砂的级配不仅影响新拌机制砂混凝土的和易行，也直接关系到胶凝材料的用量。良好的机制砂级配不仅节约水泥用量，而且空隙率低，提高混凝土的密实性。此外，石粉作为重要的填充材料，可以优化机制砂颗粒级配，应当在应用中适当放宽对石粉含量限制的要求。

www.csir.com.cn  机制砂混凝土配合比

进行机制砂混凝土配合比的研究，对于推广机制砂用于我国建设工程项目，具有极为深远的现实意义，尤其是进行高强高性能机制砂混凝土的配合比研究，符合我国混凝土来来应用的发展方向。

张会芝等进行配合比试验发现，全机制砂混凝土砂率对各龄期立方体抗压强度的影响为一阶指数衰减型曲线,7 d、14 d和28d立方体抗压强度均随砂率的增加而降低。

郑忠双等认为Abrams的水灰比定律对全机制砂混凝土同样有效,在配制全机制砂混凝土时,砂率宜控制在37%-43%。

Tao Ji等根据最小浆体理论得出，较低含量的石粉不影响机制砂混凝土的流动性，一定量的石粉具有凝聚水河保水的作用。石粉含量不超过24%，添加石粉可以提高机制砂混凝土的密实性，改善混凝土的力学性能。

余川提出了全计算法设计机制砂高性能混凝土配合比的可行性,并对已有的机制砂配合比设计的全计算法进行参数改进,以适用于现有的机制砂混凝土的配制,并用改进后的全计算法设计双惨矿物外加剂的机制砂高性能混凝土,并探讨粉煤灰和矿粉合理的掺加方式和掺加比例,验证改进后的全计算法制备的机制砂高性能混凝土的力学性能和耐久性能。

杨玉辉等试验表明，C80机制砂混凝土的合理砂率应略大于相应的河砂混凝土,合理砂率选择在42%～45%较好。机制砂中一定量的石粉对混凝土强度有促进作用,在7%石粉含量情况下,C80机制砂混凝土的工作性和强度均达到最佳。

蒋正武等通过混凝土配合比基本参数优化技术、外加剂复掺技术、大掺量矿物掺和料复掺技术等,可配制出初始坍落度大于24 cm、坍落扩展度大于60 cm、倒坍落度筒流出时间在5～15 s、抗压强度等级达到C50以上的大掺量矿物掺和料机制砂自密实混凝土。

由于机制砂具有明显的地域差异，不同岩性，不同生产工艺生产的机制砂具有较大的区别，这为机制砂进行配合比的研究带来了不小的问题。虽然许多学者根据当地的实际情况，配置出了符合要求的机制砂混凝土，包括高强高性能机制砂混凝土。但是，为了制定相对统一的机制砂混凝土配合比设计规程，建议制定不同岩性机制砂的配合比修正系数，严格规范控制全国机制砂生产质量指标，编制适用于机制砂混凝土的配合比国家规范。

www.csir.com.cn  石粉含量

机制砂与天然砂最显著的区别是机制砂中含有大量粒径小于www.csir.com.cn的颗粒,但机制砂中小于www.csir.com.cn的颗粒与河砂中小于www.csir.com.cn的颗粒性质完全不同。河砂中的泥粉对混凝土的工作性、体积稳定性和耐久性都有不利的影响,但机制砂中的石粉与母岩的物理化学性质完全一样,且大量的研究表明,适量的石粉对机制砂混凝土的工作性和强度无不利影响,甚至还可以改善混凝土的性能。石粉作为机制砂生产过程中的副产品，国内学者对不同石粉掺量进行了大量研究。   

周明凯等研究含20%石粉的机制砂，利用高标号水泥配置低强度混凝土，水泥用量少，由于机制砂中的石粉增加了固体表面积对水的比例,保水性增强,泌水情况得到改善。同时石粉还起到微滚珠作用,减少砂与砂之间磨擦而改善棍凝十的和易性。机制砂中的石粉在水泥水化反应中起晶核作用和微集料填充作用,增加了混凝土的密实度,改善了抗渗性能,在一定程度上提高了棍凝十的强度。这在水泥用量少的贫混凝土中,石粉对强度的贡献比较明显。

李北星等研究表明，石粉可以增加机制砂混凝土拌合物的黏聚性和保水性,有利于改善离析泌水现象, 且石粉含量对混凝土坍落度的影响不如对坍扩度影响敏感, C30、C60、C80 机制砂混凝土工作性较佳的石粉含量范围分别在 10%～15%、7%～10%及 3%～5%范围。石粉含量的增加对C30、C60 机制砂混凝土的强度基本上有提高作用, 而对 C80 机制砂混凝土的强度有降低作用,C30、C60、C80 机制砂混凝土抗压强度最高的石粉含量约为20%、10%、3%。

王雨利等研究得出，适量的石粉可以改善机制砂混凝土的抗冻性;适当提高机制砂混凝土中胶凝材料与石粉的比例,可以改善机制砂混凝土的抗冻性能。当石粉含量在5%～10%时,混凝土的工作性能、抗压强度较好。此外，适量的石粉可以优化硬化水泥砂浆的孔结构。

王立华等试验得出在配合比相同时，石粉含量增大，人工砂混凝土的含气量和坍落度线性减小，抗压强度线性增大。石粉含量增大 10%，含气量减小 www.csir.com.cn%，坍落度平均减小 www.csir.com.cn，抗压强度平均增大 www.csir.com.cn%。

赵顺波等对机制砂水泥砂浆进行研究发现，机制砂石粉具有吸水效应、形态效应和填充效应。M5、M10、M15砂浆最佳石粉含量为10%～15%之间，M20 砂浆最佳石粉掺量为 15%～20%之间。

刘秀美等配制C40机制砂混凝土认为石粉含量的适度增加可以改善混凝土工作性，增加抗压强度。石粉的最大掺量在不同机制砂中其值不同，球形度越好的机制砂，石粉含量限值越大。

王稷良选取石灰岩石粉进行石粉含量的试验，认为对于不同强度等级的机制砂混凝土石粉含量存在不同的最佳范围。C30混凝土最佳范围在10%～15%，而C60混凝土的最佳含量介于7%～10%，而C80混凝土的最佳石粉含量介于3%～5%之间。

以上关于石粉含量的研究均说明，机制砂中适量石粉含量不但可以提高混凝土的力学性能，而且在一定范围内可以改善抗冻性、抗腐蚀性等耐久性指标。

总结文献资料的研究得出以下结论：

1  目前机制砂制砂设备和工艺，能够生产优质的机制砂替代天然河砂，满足机制砂混凝土的工作性、强度、体积稳定性和耐久性的要求。

2  利用机制砂完全可以配制出满足设计和施工要求的高性能机制砂混凝土。

3  机制砂混凝土配合比设计区别于天然河砂混凝土配合比设计。建议重新选取计算公式的修正系数，综合考虑强度、和易性、体积稳定性等对水胶比、砂率和浆骨比等得影响。

4  机制砂中适量的石粉可以改善混凝土的各项性能。石粉的最佳含量主要受机制砂的级配、细度模数、水泥标号、外加剂和混凝土强度等因素的影响。

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