水洗法工艺制备凝灰岩机制砂在工程中的应用

肖建业 XIAO Jian-ye；张森林 ZHANG Sen-lin

（中交二公局东萌工程有限公司，西安 710119）

0 引言

随着全国建筑行业的快速发展,各种建设工程量不断增加,混凝土的需求量旺盛,这导致细集料的需求量也不断增加，同时河砂日益短缺和人们环保意识的增强，机制砂受到越来越多的关注，逐渐被认可并大量应用[1]。影响机制砂性能的因素有很多，比如各种母料差异和生产加工设备、工艺等都会对机制砂的质量和产量产生较大影响，因此本项目凝灰岩机制砂的制备工艺要结合项目的特殊性进行慎重考虑比选。

运用土石方工程弃石方加工机制砂既节约生产用砂的采购成本，又解决路基弃方的占地及复垦的问题，符合绿化环保理念，有较大的社会经济价值。但国内大部分机制砂制备过程产生大量粉尘，污染严重，含泥量和粉尘含量超标等质量问题较为突出，整体加工机制砂成品合格率偏低，因此研究机制砂的制备工艺具有一定的研究意义，对后续工程起到借鉴作用。

1 工程简介

太下线儒岙至常台高速双彩道口段改造工程位于浙江省绍兴市新昌县儒岙镇境内。典型山区项目，本项目挖方量约为56.5万m3，填方量约22.6万m3，弃方约18.8万m3，弃方主要是凝灰岩，致密坚硬，强度在110～160MPa之间，根据《公路桥涵施工技术规范》[2]JTG/T3650-2020岩石的抗压强度不小于1.5倍混凝土强度的规定，加工的机制砂具备拌合混凝土条件。

2 制砂工艺比选

凝灰岩是一种火山碎屑岩，本项目凝灰岩分为灰白色、灰青色两种，结构致密、强度高，经检测强度最高达到160MPa，加工难度大，高强度破碎容易产生大量扬尘，项目弃石方母岩还存在质量不稳定容易夹杂泥土等杂物的特点，而合格的机制砂对含泥量和粉尘含量有较高要求，同时又要考虑生产机制砂过程中产生扬尘和水污染等环境保护问题。机制砂制备既要满足生产合格机制砂的能力，还要满足环境保护要求，对机制砂制备工艺提出了更高的要求，通过研究分析制定两种符合要求的制备方案，一种是较为成熟的干法制砂+喷淋降尘加工工艺，一种是水洗法制砂工艺，主要综合考虑机制砂加工质量、环保要求、经济性等方面，经比选水洗法制砂工艺优点突出，符合各方面要求，两种加工工艺特点如下：

水洗法制砂工艺：水洗法制砂工艺主要通过向振动筛筛网喷水，对石料混合物进行冲洗，小于筛网规格的混合料和污水一块进入洗砂机，污水和石粉进行沉淀池沉淀处理，成品砂进入堆场。水洗法工艺的主要优点是对母岩含泥量要求不高，机制砂含泥量和含粉量容易控制，没有粉尘污染，生产废水经净化池净化后可重复利用，基本不会造成环境污染，生产过程污染治理成本较低，但其加工设备成本较高。

干法制砂工艺：主要是从振动筛筛分出来的0-4.5mm细料进入分级设备，直接运输成品砂堆，成产区域采用喷淋降尘。其生产工艺简单，生产设备较为低，制砂过程基本不产生污染，但其对母岩要求较高，母岩经过水洗后才能加工，成品砂中石粉含量偏高，质量控制难度大，后期环保设备维护难度大，废水不易循环利用。

3 水洗法制砂工艺

根据以上比选原则，凝灰岩机制砂制备采用水洗法加工，母岩选择路基开挖弃方中风化凝灰岩，制砂生产线主要由振动给料机、鄂式破碎机、圆锥式破碎机、振动筛、胶带运输机、集中电控、制砂机、洗砂池、沉淀池，泥沙分离机、水净化循环系统等设备设施组成，生产系统安装完成后要先进行联合调试，进行试验性生产，验证各系统工作性能是否符合要求，逐个检查验收，生产的成品机制砂经试验检测合格，才能进行正式成产。具体凝灰岩机制砂制备流程见图1。

图1 制砂工艺流程图

3.1 原材料选择及上料

母岩选择路基挖方整体性好，强度高的中风化凝灰岩（110-160MPa），经试验检测其强度满足《公路桥涵施工技术规范》[2]JTG/T3650-2020中相关规定，母岩开挖采用机械破碎开挖解小，经筛选破碎块石小于0.8m，用水冲洗干净，将块石内杂物清理干净堆放整齐，采用自卸车运输至加工场地，采用50型装载机进行上料，上料前将大于0.8m的块石进行剔除破解，避免母料过大卡膛，影响生产。

3.2 石料破碎

石料破碎由鄂破破碎机和圆锥式破碎机两级破碎组成，石料破碎全过程采用喷淋降尘，石料经鄂破机经过初级破碎，将块石破碎至15cm以下，经过鄂破机粗破碎完成的石料经过输送带传送至圆锥机料斗，经圆锥破碎机加工后将石料破碎至6cm以下，经振动筛筛选可形成16-31.5mm、10-20mm、5-10mm、0-5mm四个档位分别运输存放至成品待检区，其中筛选的0-5mm粒径机制砂经洗沙池水洗后运输至机制砂成品待检沙堆。

鄂破破碎机是将块石分解破碎制15cm以下，破碎过程控制对后续圆锥破生产成品砂的质量及产量尤为关键，因此破碎前要检查破碎机内是否有块石等杂物，及时清理，破碎前鄂破破碎机空转5分钟，才能开始投料，根据圆锥破生产砂石材料速度控制装载机上料速度和上料粒径，防止鄂破破碎机机卡料死机。破碎时，若因破碎机过载造成停机，应立即关闭电动机，将物料排除后，才进行重新启动。停机前，应先停止给料，待破碎腔的料全部破碎完后，才可关闭电动机。停机后，应检查活动平板、固定平板和侧付平板的磨损情况。若过度磨损，活动平板或固定平板应作调头或更换，侧付平板应作更换。

圆锥破破碎后直接生产机制砂成品，破碎机的稳定运行直接关系到机制砂的质量及产量，因此启动前检查润滑、液压油箱中的油位、油质，检查、清除破碎腔内矿石、杂物，检查、清除防尘罩及下架体臂架上方矿石、杂物，检查皮带松紧并盘车一周以上。运转过程中随时检查润滑、液压油箱中设备的运转状态，确保油泵运转时无异响，确保圆锥破运行稳定。

3.3 振动筛筛选

振动筛主要由筛箱、激振器、悬挂（或支承）装置及电动机等组成，电动机经三角皮带，带动激振器主轴回转，由于激振器上不平衡重物的离心惯性力作用，使筛箱获振动，改变激振器偏心重，可获得不同振幅，在通过不同尺寸的筛网，振动筛选出成品砂石在符合要求的级配范围。生产过程中通过喷淋降低筛选过程中散发的扬尘，将圆锥式破碎机破碎产生的砂石经传送带传送至振动筛进行区分，并将5-10mm碎石经筛网筛选出来通过运输带运送至机制砂机进行二次制砂，0-5mm集料通过运输带运送至水洗池进行水洗堆放至成品砂堆，粒径较大的由传送带返回圆锥破二次加工。振动筛的筛孔的大小（磨损程度）对成品砂的产量和质量起点决定作用，因此要经常检查筛孔的大小（磨损程度），做到及时更换。筛选过程中要确保喷淋设施运行，防止灰尘逸散。

本项目机制砂制备全程采用水法加工，其物料含水量高，工作时振动使物料更紧实的粘附于筛面，容易造成物料拥堵或者被迫停机，从而影响机制砂的生产，因此本项目更为强力的TES系列三轴椭圆筛，三轴驱动能使筛机产生理想的椭圆运动，它兼有圆振动筛和直线振动筛的优点，且椭圆轨迹、振幅可调，可根据实际物料状况选择振动轨迹，对难筛分的物料更具优势，三轴驱动强迫同步激振，能使筛机获得稳定的工作状态，对要求处理量大的筛分尤其有利。

3.4 制砂机二次制砂

圆锥式破碎产生的0-5mm机制砂直接由岩石破碎，其产量低，且针片状较多，质量不稳定，一般称为机口砂，不能满足施工成产需要，特别是高标号混凝土的制备。因此需对圆锥破生产的5-10mm碎石进行二次研磨整形制砂，经二次研磨整形机制砂，具有强度高，形态圆润，质量及产量稳定的特点。本项目二次制砂机选择高效细碎机，高效细碎机具有产量高、结构简单、造价低廉、高效节能等特点，经振动筛将筛选的5-10mm碎石传送至制砂机，由制砂机二次研磨，并整形，经振动筛二次筛选后传送至洗砂池进行水洗堆放至成品待检砂堆（和圆锥破生产的机口砂分开堆放），经检测合格后运输至合格成品砂堆，进行混凝土拌合，粒径较大的传送至制砂机二次加工。

3.5 洗砂池

经圆锥破和制砂机等制砂设备经振动筛产生的0-5mm粒径的物料用皮带传送至洗砂池，通过洗砂池充分搅拌水洗，将机制砂中的泥沙和石粉水洗分离后，经捞砂筛捞选后传送至待检料仓，捞砂筛容易磨损，需要经常检查更换，避免因捞砂筛孔隙过大，造成生产的机制砂粒径过粗，影响机制砂的质量及产量。

洗沙池减少了机制砂的中粉尘和泥土含量，同时也减少了机制砂在皮带上运输至料仓过程中的扬尘污染，有效降低了机制砂生产对环境的影响。洗砂池产生的废水严禁直接流入当地河道内，通过排水沟引排至沉淀池，由污水处理系统二次处理。

3.6 污水处理系统

污水处理系统由泥沙分离机、三级沉淀池、抽水设备组成，洗砂池产生的污水经排水沟排至一级沉淀池，加入絮凝剂将泥沙加速沉淀后经管道将污水和泥沙混合物抽至泥沙分离机，由泥沙分离机将泥沙分离，污水排至二级级沉淀池继续二次沉淀，沉淀物继续抽至泥沙分离机第二次泥沙分离，排至三级沉淀池变清澈后经抽水设备通过振动筛和洗沙池二次利用，分离后的泥沙经晾晒干燥处理后运输至弃土场掩埋，进行无害化处理。

3.7 机制砂的检测

圆锥破生产机制砂和制砂机生产的机制砂分别取料进行外观对比，圆锥破生产的机制砂针片状和颗粒感明显较多，具体见图2（左侧为制砂机生产的机制砂，右侧为圆锥破生产的机口砂）。

图2 两种生产方式产品机制砂外观对比

取随机取料3批次，其中制砂机生产的机制砂取1批次（组1），圆锥破直接生产的机制砂取2批次（组2、组3）经工地试验室进行级配筛分试验，经检测两种方式生产的机制砂石粉含量都小于等于10%，细度模数2.3-3.0之间，亚甲蓝（MB）值小于1.0，级配等均符合《公路工程集料试验规程》[3]（JTG E42-2005）相关参数要求，但圆锥破生产机制砂针片状较为明显，级配相对较差，细度模数及石粉含量相差不大，见表1、图3。

图3 机制砂级配曲线

表1 机制砂级配检测结果

采用上述工艺生产出的机制砂在工地试验室经过试验检测各项其级配、含粉量、细度模数、亚甲蓝值等检测参数均符合规范要求，产量大而且质量稳定，基本不产生污染问题，能利用于实体工程建设，其中圆锥破直接生产的机制砂可利用于低标号混凝土制备，制砂机生产的机制砂可利用于高标号混凝土制备。

4 总结

通过试验数据分析，经水洗法制备的凝灰岩机制砂质量可靠，能利用于工程实体混凝土施工。目前太下线儒岙至常台高速双彩道口段改造工程桥梁施工基本结束，采用水洗法加工的凝灰岩机制砂经工程实体验证，其性能各方面基本和天然河砂相当，且机制砂制备过程中未发生一起污染环境事故。水洗法加工机制砂的加工质量、环保要求、经济性等方面得到了验证。凝灰岩机制砂的成功制备，实现了机制砂的自产，为项目节约大量成本，减少了原材料不稳定对施工质量和进度的影响。同时减少项目弃方及弃土场建设，少占用土地，节省项目征地成本，还符合绿色公路理念。目前天人河砂接近枯竭，水洗后凝灰岩机制砂用于拌合混凝土创造较大的社会和经济效益，具有较好的推广空间。