CN103304171A - 一种可替代天然砂的机制砂制备方法 - Google Patents

Abstract

一种可替代天然砂的机制砂制备方法，由四种或四种以上不同规格的砂为半成品，在建设用砂级配、石粉含量、泥块含量、细度模数等标准约束下，进行混合而成。该方法有助于实现废弃资源的循环利用，具有综合成本低廉、操作简单、工艺环保、可大规模连续生产等优点，并且产品工艺质量完全符合建设用砂标准，可完全替代天然砂，可广泛应用于桥梁、道路、管桩、楼宇等建筑混凝土领域。

Description

一种可替代天然砂的机制砂制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种可替代天然砂的机制砂制备方法。

背景技术

砂是混凝土细骨料，在混凝土制品中起到充填作用，可以提高混凝土的致密性，对混凝土性能影响较大。有关资料显示，2012年，我国建筑砂石总产销量约100亿吨，开采总量是2001年的5倍，砂总产量约50亿吨。预计2016年我国砂石总产量将达到160亿吨，砂总产量将达到80亿吨。

砂主要有天然砂和机制砂两类，现阶段我国建设用砂仍以天然砂为主，主要是河砂、江砂、海砂和平原地下卵砂。天然砂开采对河道和土壤生态影响极大，其治理恢复周期长达数百年。大规模天然砂开采也导致各类安全事故、质量事故频发，为此，西方发达国家早在上个世纪就陆续压缩了天然砂的开采规模。近年来我国也逐渐加大了长江、闽江、赣江等内河及沿海天然砂限采和禁采力度。因此，大力开发机制砂以替代天然砂将成为建筑砂石产业发展的趋势。

机制砂原料取材广泛，主要有岩石、尾矿和废弃建筑混凝土，通过特定的制砂工艺可以生产出符合质量标准的砂石料。参考潘圣明主编《矿山又绿——浙江省矿产资源开发与环境保护协调发展的探索实践》（浙江科学技术出版社，2009年12月），2000年前后，浙江省国土资源厅牵头对浙江地区废弃岩石开采区的地质修复实践表明，机制砂开采对环境的破坏修复周期一般不超过5年，因此机制砂生产既可解决当前尾矿、废弃混凝土无法有效利用的问题，又可以替代天然砂，从而达到保护环境的目的。

当前，我国机制砂石生产企业超过1万处，平均产能约60万吨/年，机制砂石生产点分布广、数量大，然而产品质量波动很大。机制砂质量问题主要表现在针片状含量易超标、级配和微级配不符合要求、细度模数大、石粉含量或泥块含量超标。在实际使用时，这些问题严重影响混凝土的和易性、坍落度、抗压强度等性能，为各类建筑物安全埋下隐患。

目前也有一些机制砂生产专利技术的报道，例如，CN101708968A公开了一种天然砂、特细砂、机制砂进行混合，生产出细度模数符合标准的混合砂；CN102173626A公开了利用自然冷却高炉渣和石灰石尾矿配制复合机制砂的工艺；CN202037066U公开了一种级配和细度模数可调的机制砂湿法生产工艺；CN102806133A公开了一种碎石生产工艺，通过筛分和深加工，附带生产各项指标符合标准要求的机制砂生产工艺；CN1648094公开了一种人工砂石系统半干式制砂工艺，该工艺强调在立轴式制砂机生产过程中，随时依据排料细度模数调整给料参数，该工艺同时设计了机制砂细度模数调节工艺；CN1344592公开了一种利用废弃的高炉水渣和电厂粉煤灰，通过烘干、粉碎过筛、分级后按一定的比例混合后生产出级配和细度模数可控的人工砂；CN101134226公开了一种半干式制砂工艺，该工艺由人工砂细度模数的自动控制、石粉含量的自动控制和成品砂含水率的自动控制，并将这几个自动控制技术贯穿于粗碎、中碎和细碎过程。这些工作总体上，要不对原料限制较多；要不生产工艺控制要求较高；要不只注重部分工艺质量指标的控制。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种工艺简单、质量可控、并且可以完全替代天然砂的机制砂制备方法，该方法以岩石、尾矿或建筑垃圾为原料，实现了尾矿、建筑垃圾的循环利用，并解决了建筑砂石料矿山石粉尾矿难以充分利用的难题；利用四种以上半成品机制砂的合理组配，所得机制砂产品严格遵循建设用砂标准，可做到级配、细度模数、泥块含量、石粉含量、亚甲蓝（MB）值等工艺质量指标可调可控。

为实现本发明的目的，针对生产原料，遵循“分离——加工——混合”思路进行机制砂生产，具体采用以下技术方案：

一种用于替代天然砂的机制砂制备方法，包括以下步骤：

（1）选择原料

选用岩石、尾矿或废弃建筑混凝土，通过筛选除去其中杂质，作为机制砂生产原料；

（2）制备半成品机制砂

①0～5mm普通机制砂：

将粒径大于4.75mm的原料依次进行粗碎和中细碎处理，然后将中细碎后的石料经过筛分、筛上水冲洗、捞取和脱水工艺，得到0～5mm普通机制砂；

②0～3mm细砂：

取部分步骤①中的0～5mm普通机制砂，筛分得到0～3mm细砂和3～5mm石屑；

③0～5mm优质机制砂：

将步骤②中分离的3～5mm石屑进入整形破碎工艺以进一步破碎，整形破碎后的石料经过筛分、筛上水冲洗、捞取和脱水工艺，制得颗粒形状好、级配和细度模数得到优化的0～5mm优质机制砂；

④0～1mm细砂：

将步骤①和③中的含细砂生产废水固液分离，提取0～1mm细砂；

（3）计算配合比

检测各种半成品机制砂的级配、细度模数、泥块含量、石粉含量和亚甲蓝值指标；然后基于建设用砂质量标准，如GB/T 14684《建设用砂》标准，通过以下方法计算各半成品机制砂的配合比，以确保混合后所得成品的级配、细度模数、泥块含量、石粉含量和亚甲蓝值等指标完全符合标准要求；

以生产m区、n类别建设用砂为例，配合比计算方法如下：

级配约束：

$\frac{\underset{i}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\left(A_{4.75}\left(i\right)X_i\right)}{\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{X}_i}\∈B_{4.75}\left(m\right)$ $\frac{\underset{i}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\left(A_{2.36}\left(i\right)X_{\mathrm{ii}}\right)}{\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{X}_i}\∈B_{2.36}\left(m\right)$ $\frac{\underset{i}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\left(A_{1.18}\left(i\right)X_i\right)}{\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{X}_i}\∈B_{1.18}\left(m\right)$

$\frac{\underset{i}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\left(A_{0.6}\left(i\right)X_i\right)}{\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{X}_i}\∈B_{0.6}\left(m\right)$ $\frac{\underset{i}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\left(A_{0.3}\left(i\right)X_i\right)}{\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{X}_i}\∈B_{0.3}\left(m\right)$ $\frac{\underset{i}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\left(A_{0.15}\left(i\right)X_i\right)}{\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{X}_i}\∈B_{0.15}\left(m\right);$

细度模数约束：

$\frac{\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\left((A_{0.15}\left(i\right)+A_{0.3}\left(i\right)+A_{0.6}\left(i\right)+A_{1.18}\left(i\right)+A_{2.36}\left(i\right)-5\×A_{4.75}\left(i\right))X_i\right)}{\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\left((100-A_{4.75}\left(i\right))X_i\right)}\∈S\left(j\right);$

产量约束：X_K≤D_K，K=1、2、3、4；

石粉含量约束： $\frac{\underset{i}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\left(F_i{X}_i\right)}{\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{X}_i}\≤C_{t1}\left(n\right);$

泥块含量约束： $\frac{\underset{i}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\left(G_i{X}_i\right)}{\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{X}_i}\≤C_{t2}\left(n\right);$

其中：

B_4.75（m）、B_2.36（m）、B_1.18（m）、B_0.6（m）、B_0.3（m）、B_0.15（m）分别为标准规定的机制砂不同方孔筛筛余比例区间，m取值为1、2、3，分别代表机制砂级配1、2、3区；

S（j）代表机制砂细度模数区间，j取值为1、2、3，分别代表粗砂、中砂和细砂；

C_t1（n）代表最大石粉含量标准，其中t=1为MB≤1.4时的石粉含量约束标准，t=2为MB＞1.4时的石粉含量约束标准；

C_t2（n）代表最大泥块含量标准，其中t=1为MB≤1.4时的泥块含量约束标准，t=2为MB＞1.4时的泥块含量约束标准；

以上n为建筑用砂类别，取值为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ；

A_4.75（i）、A_2.36（i）、A_1.18（i）、A_0.6（i）、A_0.3（i）、A_0.15（i），i取值1、2、3、4，分别代表0～1mm细砂、0～5mm优质机制砂、0～5mm普通机制砂、0～3mm细砂四个规格的方孔筛筛余比例检测值；

其他参数定义如表1所示；

表1：其他参数变量定义

通过以上方法可以确定四种半成品机制砂的配合比；

（4）混合

根据步骤（3）中计算的配合比，通过控制各半成品机制砂的给料量，由混料机实现进行均匀混合，从而制得可完全替代天然砂的机制砂。

步骤（1）中，原料选择应符合我国环保和安全相关标准和规范，不对人体、生物、环境及混凝土、砂浆性能产生有害影响，例如可选用玄武岩、安山岩、凝灰岩、砂岩、铁矿尾矿、煤矿矸石、拆迁混凝土等。原料中有害物质限量应符合GB/T14684《建设用砂》中6.3的规定，放射性核素限量应符合GB 6566中的规定。

步骤（2）中，在制备步骤①0～5mm普通机制砂时，可采用如旋回破碎机、鄂式破碎机、反击式破碎机等经过粗碎工艺以进行初级破碎；随后采用如圆锥破碎机、反击式破碎机、立轴式破碎机等经中、细碎工艺进行进一步破碎。步骤③中3～5mm石屑进入整形破碎前可加入少量大于5mm的石子进行配重，随后可采用立轴制砂机、滚筒制砂机或棒磨制砂机进行整形破碎工艺。步骤④中所述固液分离可采用如离心分离和脱水工艺实现。

上述制备方法中，如有必要，可进一步增多半成品机制砂的规格，例如将步骤（2）③中所得0～5mm优质机制砂进一步筛分为3～5mm的优质粗砂和0～3mm的优质细砂。

现有技术中机制砂的生产方法主要有两种，方法一：将普通机制砂与天然砂按比例进行混合制取符合要求的砂；方法二：将岩石、尾矿、废弃混凝土等原料进行多级破碎直接生产出符合要求的砂。与已知的机制砂制备方法相比，本发明的制备方法优势主要体现在：

1、本方法所生产的砂无任何天然砂成分，可完全替代天然砂，符合国家产业政策，其成本低于上述方法一；由于只需要对部分普通机制砂进行深加工，与上述方法二相比，可以大大节约加工成本。

2、本方法以建设用砂标准中的级配、细度模数、泥块含量、石粉含量、亚甲蓝值等工艺质量指标作为约束条件，利用若干不同规格的半成品机制砂进行混合。与上述方法一比较，混合后形成的成品机制砂工艺质量指标完全可调可控；与上述方法二比较，工艺控制方法简单，产品质量稳定可靠，并利于大规模的连续生产。

3、本方法对普通机制砂筛分后的石屑进行进一步破碎加工，使得混合后的机制砂产品中针片状含量大大降低，同时由于机制砂颗粒比表面积优于天然砂，进一步确保了本方法所产机制砂较天然砂性能上的优势。

4、上述方法二采用的直接制取机制砂，由于原料经过多级破碎，尾矿细量大，并易造成细石粉流失。而本方法特点决定尾矿量可控，尤其本方法可以通过对混合工艺各规格半成品机制砂的配合比优化，合理调节普通机制砂分级再加工量，可以将普通机制砂再加工过程的石粉尾矿充分混合到最终成品机制砂中。

附图简要说明

图1是本发明实施例1制备机制砂工艺流程图。

具体实施方式

以下将通过具体实施例对本发明作进一步描述，但不应将其理解为对本发明保护范围的限制。

实施例1

本实施例以GB/T 14684《建设用砂》质量标准为依据，主要控制其中的级配、泥块含量、石粉含量、细度模数指标，制备工艺可结合附图1来理解。

（1）机制砂产品制备工艺流程

①以安山岩为原料，将其依次经过旋回破碎机粗碎、圆锥破碎机中碎和圆锥破碎机细碎，得到破碎后的石料。通过振动筛筛分、振动筛筛上水冲洗、螺旋洗砂机捞取、高频筛脱水后得到0～5mm普通砂，分级后的含细砂废水经过固液分离工艺即水力旋流器离心分离和高频筛脱水后获得0～1mm细砂（部分）。

②通过分料器取部分0～5mm普通砂，经过细粒筛网振动筛筛分为0～3mm细砂和3～5mm的石屑。

③3～5mm的石屑中掺入少量大于5mm的石子进行配重，然后一起输送到立轴破碎机进一步整形破碎，整形破碎后的石料经振动筛筛分、振动筛筛上水冲洗、螺旋洗砂机捞取、高频筛脱水后得到0～5mm优质砂，分级后的含细砂废水经过固液分离工艺即水力旋流器离心分离和高频筛脱水获得0～1mm细砂（另一部分）。

④检测上述半成品机制砂即0～5mm普通砂、0～5mm优质砂、0～3mm细砂和0～1mm细砂的级配、石粉含量、泥块含量、亚甲蓝值、细度模数，结果如表1中所示。以GB/T 14684《建设用砂》标准为参照，按照0.35:0.3:0.2:0.15的重量配比，通过控制各自输送皮带的带速，经混料机实现上述四种规格半成品砂的均匀混合，制得可以达到天然砂质量标准的高品质机制砂。

（2）机制砂产品性能参数及使用效果

2区Ⅲ类中砂成品配料和质量检测如表2所示（-75μm细粉为微级配），C40混凝土试验配方如表3所示，试验结果如表4所示。测试表明：配方基本一致前提下，用机制砂替代天然中砂，在新拌混凝土的工作性能、混凝土力学性能方面均能达到标准要求，机制砂混凝土7d、28d和56d强度测试结果比纯天然中砂的混凝土稍强。

表2：各规格机制砂工艺参数

表3：C40混凝土试块试验基本配方           单位：kg/m³

表4：C40混凝土试块试验结果

Claims (6)

1.一种用于替代天然砂的机制砂制备方法，包括以下步骤：

（1）选择原料

选用岩石、尾矿或废弃建筑混凝土，通过筛选除去其中杂质，作为机制砂生产原料；

（2）制备半成品机制砂

①0～5mm普通机制砂：

将粒径大于4.75mm的原料依次进行粗碎和中、细碎处理，然后将中细碎后的石料经过筛分、筛上水冲洗、捞取和脱水工艺，得到0～5mm普通机制砂；

②0～3mm细砂：

取部分步骤①中的0～5mm普通机制砂，筛分得到0～3mm细砂和3～5mm石屑；

③0～5mm优质机制砂：

将步骤②中分离的3～5mm石屑进入整形破碎工艺以进一步破碎，整形破碎后的石料经过筛分、筛上水冲洗、捞取和脱水工艺，制得颗粒形状好、级配和细度模数得到优化的0～5mm优质机制砂；

④0～1mm细砂：

将步骤①和③中的含细砂生产废水固液分离，提取0～1mm细砂；

（3）计算配合比

检测各种半成品机制砂的级配、细度模数、泥块含量、石粉含量和亚甲蓝值指标；然后基于建设用砂质量标准，通过以下方法计算各半成品机制砂的配合比，以确保混合后所得成品的级配、细度模数、泥块含量、石粉含量和亚甲蓝值指标完全符合标准要求；

以生产m区、n类别建设用砂为例，配合比计算方法如下：

级配约束：

$\frac{\underset{i}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\left(A_{4.75}\left(i\right)X_i\right)}{\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{X}_i}\∈B_{4.75}\left(m\right)$ $\frac{\underset{i}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\left(A_{2.36}\left(i\right)X_{i_i}\right)}{\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{X}_i}\∈B_{2.36}\left(m\right)$ $\frac{\underset{i}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\left(A_{1.18}\left(i\right)X_i\right)}{\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{X}_i}\∈B_{1.18}\left(m\right)$

$\frac{\underset{i}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\left(A_{0.6}\left(i\right)X_i\right)}{\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{X}_i}\∈B_{0.6}\left(m\right)$ $\frac{\underset{i}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\left(A_{0.3}\left(i\right)X_i\right)}{\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{X}_i}\∈B_{0.3}\left(m\right)$ $\frac{\underset{i}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\left(A_{0.15}\left(i\right)X_i\right)}{\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{X}_i}\∈B_{0.15}\left(m\right);$

细度模数约束：

$\frac{\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\left((A_{0.15}\left(i\right)+A_{0.3}\left(i\right)+A_{0.6}\left(i\right)+A_{1.18}\left(i\right)+A_{2.36}\left(i\right)-5\×A_{4.75}\left(i\right))X_i\right)}{\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\left((100-A_{4.75}\left(i\right))X_i\right)}\∈S\left(j\right);$

产量约束：X_K≤D_K，K=1、2、3、4；

石粉含量约束： $\frac{\underset{i}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\left(F_i{X}_i\right)}{\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{X}_i}\≤C_{t1}\left(n\right);$

泥块含量约束： $\frac{\underset{i}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\left(G_i{X}_i\right)}{\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{X}_i}\≤C_{t2}{\left(n\right)}^{;}$

其中：

B_4.75（m）、B_2.36（m）、B_1.18（m）、B_0.6（m）、B_0.3（m）、B_0.15（m）分别为标准规定的机制砂不同方孔筛筛余比例区间，m取值为1、2、3，分别代表机制砂级配1、2、3区；

S（j）代表机制砂细度模数区间，j取值为1、2、3，分别代表粗砂、中砂和细砂；

C_t1（n）代表最大石粉含量标准，其中t=1为MB≤1.4时的石粉含量约束标准，t=2为MB＞1.4时的石粉含量约束标准；

C_t2（n）代表最大泥块含量标准，其中t=1为MB≤1.4时的泥块含量约束标准，t=2为MB＞1.4时的泥块含量约束标准；

以上n为建筑用砂类别，取值为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ；

A_4.75（i）、A_2.36（i）、A_1.18（i）、A_0.6（i）、A_0.3（i）、A_0.15（i），i取值1、2、3、4，分别代表0～1mm细砂、0～5mm优质机制砂、0～5mm普通机制砂、0～3mm细砂四个规格的方孔筛筛余比例检测值；

其他参数定义如表1所示；

表1：其他参数变量定义

通过以上方法可以确定四种半成品机制砂的配合比；

（4）混合

根据步骤（3）中计算的配合比，通过控制各半成品机制砂的给料量，由混料机实现进行均匀混合，从而制得可完全替代天然砂的机制砂。

2.权利要求1所述的机制砂制备方法，其特征在于：步骤（1）中，原料选自玄武岩、安山岩、凝灰岩、砂岩、铁矿尾矿、煤矿矸石、拆迁混凝土中的至少一种。

3.权利要求1所述的机制砂制备方法，其特征在于：制备步骤①0～5mm普通机制砂时，采用旋回破碎机、鄂式破碎机或反击式破碎机进行粗碎，采用圆锥破碎机、反击式破碎机或立轴式破碎机进行中碎和细碎。

4.权利要求1所述的机制砂制备方法，其特征在于：步骤（2）③中3～5mm石屑进入整形破碎前加入少量大于5mm的石子进行配重，随后采用立轴制砂机、滚筒制砂机或棒磨制砂机进行整形破碎。

5.权利要求1所述的机制砂制备方法，其特征在于：步骤（2）③中所得0～5mm优质机制砂进一步筛分为3～5mm的优质粗砂和0～3mm的优质细砂。

6.权利要求1所述的机制砂制备方法，其特征在于：所述建设用砂质量标准是GB/T14684《建设用砂》标准。

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