工程弃渣绿色制备高品质机制砂成套技术

沈玉，巨高权

（中交二公局第三工程有限公司，陕西 西安 710016）

0 前言

近两年国家健全环保执法机制，加大监管力度，为保护生态环境，全面禁止河道采砂，严打非法采砂、堆砂、洗砂行为。在中央及各级政府部门的高度重视下，全国各地区“整砂行动”陆续开展，国内河砂价格屡创新高，且持续暴涨，2017 年至 2018 年，河砂价格疯涨，即使高价之下，汛期仍然“一砂难求”，有钱也买不到，严重制约工程进度。砂石材料的稀缺也进一步导致价格的高涨，从 2013 年每吨 30～40 元上涨到目前每吨近 200 元。稀缺的砂石资源、暴涨的砂石价格，导致重点建设工程项目成本上升，中标项目的施工企业处于亏本的境地，面临巨大的经营压力。

各地区机制砂制作工艺的差异、生产工艺及流程控制不严，导致机制砂合格率低下，市场上的石料场生产的机制砂普遍存在级配不良、细度模数和石粉含量超标等问题，无法满足高速公路混凝土用砂标准。这些因素都要求项目须充分利用隧道洞渣、路基石方爆破洞渣开展材料的自加工，以保证项目砂石等地方材料的供应，又达到材料成本可控的目的。

本研究结合施工项目自身特色，充分利用隧道洞渣、路基石方爆破洞渣等工程弃渣，通过对机制砂生产工艺的研究，形成全新的高品质机制砂生产工艺成套技术，使机制砂各项指标满足规范要求，并成功应用于项目施工，为减少河砂开采、保护环境、节约造价和建设优质工程提供技术保障。

1 工艺原理及流程

1.1 工艺原理

充分利用隧道工程、路基石方工程的洞渣，通过头破进入圆锥破，经圆锥破破型后进入整形机；通过整形机夹板及碎石间互相挤压碰撞实现粒径规则，增加机制砂细料含量；再经过水洗筛分，小于 4.75mm 的细料进入机制砂螺旋水洗机进行冲洗及细料回收、振筛过滤，实现机制砂的细度模数、级配、石粉含量以及洁净度的质量指标合格；冲洗机制砂产生的泥浆进行发酵、压滤处理，形成泥饼；对压滤后的污水进行沉淀、澄清，最终实现机制砂的质量目标以及环保目标。高品质机制砂生产工艺原理及生产线布设如图 1。

图 1 高品质机制砂生产工艺原理及生产线布设

1.2 工程弃渣绿色制备高品质机制砂生产工艺流程

见图 2。

图 2 高品质机制砂生产工艺流程图

2 操作要点

2.1 施工准备

（1）场地选址。选址要设置在场地较空旷处，面积 8000m2以上，地理位置相对较高处，周边不容易发生地质灾害处，电力方便且能够取到水源，若无现成的沟渠取水，可以进行打井蓄水。

（2）设备安装。安装生产需要配备的设备，并进行调试，设备之间要有足够的骨料生产堆放空间、材料装运空间及其他机械设备迂回行驶空间。

2.2 生产过程

（1）洞渣由装载机缓慢推进入口处，进入头破工序进行鄂式破碎，对块石进行粒径分解，由块石变成片石，由片石变成石渣。在喂料口设置缓冲轮胎，用于控制喂料速度（图 3）。鄂式破碎机一侧为固定板，另一侧为活动板，对块石进行冲击夹破（图 4）。

鄂式破碎机内部的构造见图 5。

图 5 鄂式破碎机内部构造

（2）鄂式破碎后的石渣进入圆锥破进行二次破碎，使石渣粒径进一步细碎并产生 4.75mm 以下的细料。圆锥式破碎机的外观和内部构造见图 6、7。

图 6 圆锥破

图 7 圆锥式破碎机内部构造

（3）圆锥二次破碎后的石渣经过初筛（图 8），粒径大于 34mm 的碎石返回圆锥破进行第三次破碎（图9），使碎石粒径小于 34mm，并产生 4.75mm 以下的细料。

图 8 初筛

图 9 大于 34mm 粒径返回圆锥破

（4）初筛后小于 34mm 的碎石输送到整形机进行整形（图 10），物料由机器上部垂直落入高速旋转的叶轮内，在高速离心力的作用下，与另一部分以伞状形式分流在叶轮四周的物料产生高速撞击破碎，物料在相互撞击后，又会在叶轮和机壳之间以物料形成涡流多次的互相撞击、摩擦而粉碎，从下部直通排出，使碎石粒径规则，减少碎石针片状含量，提高碎石的抗压碎能力；同时产生大量粒径规则的 4.75mm 以下的细集料，用于制造机制砂；与圆锥破相比，整形机整形后的机制砂级配更加良好，细度模数达 2.8～3.0 左右。在皮带轮下方设置细料回收刮板，增加机制砂产量及细料含量，减少抖落在地上的污染。图 11 为整形机内部结构。

图 10 整形机整形、制砂

图 11 整形机内部结构

（5）整形后的碎石进行第二次筛分并水洗（图12），根据预定的规格生产出 5～10mm 碎石、10～20mm 碎石、10～30mm 碎石（图 13），对小于4.75mm 以下的细集料用于生产机制砂。

（6）对 4.75mm 以下细集料进行二次螺旋水洗（图 14），冲洗水管顺着螺旋水洗机由低到高一字排开，共设 15 个水龙头，水龙头开放个数可以有效调控机制砂的石粉含量；在泥浆池中设置两台泥浆泵，开动泥浆泵，对泥浆池中 0.075～0.6mm 的粉料进行循环回收，与前序机制砂一起循环冲洗，再经过机制砂振滤机（图 15）滤水后生产出机制砂。振滤机采用 80 目筛网，筛网尺寸不宜大，大了将导致机制砂细料少，细度模数变粗；筛网尺寸也不宜太小，小了容易导致石粉含量超标。

图 12 整形后水洗筛分

图 13 筛分出三档碎石

图 14 螺旋式机制砂水洗机

图 15 机制砂水份振滤机

（7）采用三个 80t 水泥罐作为泥浆发酵罐、污水沉淀罐、净水循环罐，通过在发酵罐内添加聚氯化铝与絮凝剂等化学试剂，对泥浆发酵，而后泥浆进入压滤机（图 16）进行压滤处理，形成泥饼后转运；将压滤后的污水抽至沉淀罐进污水沉淀，下部沉淀后的泥浆进行压滤（图 17），上部澄清的水流入净水罐，净水罐内的水循环用于机制砂冲洗，实现污水零排放。

图 16 泥浆压滤设备

图 17 压滤后的泥浆

3 原材料与设备

3.1 原材料

用于生产机制砂的原材料为隧道洞渣或者路基石方爆破洞渣，要求母岩抗压强度及碱活性反应满足：I 类不宜小于 80MPa，母岩应不具有碱活性反应；Ⅱ类不宜小于 60MPa，Ⅲ 类不宜小于 30MPa，母岩若含有碱—硅酸反应活性矿物且具有碱活性反应性，应根据使用要求进行碱集料反应试验；不宜使用具有碱—碳酸盐反应活性的岩石制作机制砂。

3.2 设备配置

工程弃渣绿色制备高品质机制砂生产工艺机械设备见表 1。

表 1 机械设备配置表

4 质量控制

4.1 质量控制标准

（1）岩石母材抗压强度应满足 JT/T 819—2011《公路工程水泥混凝土用机制砂》标准中第 5.1.1 条款要求以及 JTG/TF 50—2011《公路桥涵施工技术规范》规范第 6.4.1 条款要求。

（2）机制砂各项指标应满足 JT/T 819—2011《公路工程水泥混凝土用机制砂》标准要求，其中石粉含量、吸水率应满足 GB/T 14684—2011《建设用砂》标准要求。

（3）根据规范要求的试验检测频率，对生产的机制砂进行抽样检测，检测结果均符合上述质量控制标准，可用于各强度等级的混凝土工程。

4.2 质量保证措施

（1）生产前由生产队长组织工人对工艺流程进行生产技术交底，明确机制砂生产质量控制要点。

（2）生产全过程由生产队长进行管控，以确保生产的机制砂质量满足规范要求，落实过程控制。

（3）对成品机制砂进行检测，包括破碎场自检与试验室抽检，特别是对关键指标，如细度模数、级配、石粉含量及亚甲蓝 MB 值加大抽检频率，针对检测出的不合格指标及时调整生产过程中影响质量的环节，使最终检测结果符合规范要求。

5 技术优势

（1） 机制砂生产线技术改进。改进常规的生产线布置，由颚式破碎机（头破）—圆锥破碎机（二破）—振动筛（初筛）—整形机（细碎、制砂）—振动筛（水洗筛分）—螺旋式机制砂水洗机—机制砂滤水机—泥浆压滤机—污水处理系统组成。

（2）机制砂各项指标均在可控范围。使用该工法生产出来的高品质机制砂有以下优点：粒径规则，级配良好，细度模数 2.8～3.0 达中砂水平，石粉含量 3%～5%，亚甲蓝指标小于 1.4，其余指标均符合规范要求。

（3）机制砂含水率得到有效控制。采用普通工艺生产出来的机制砂含水率高达 17%～20%，采用本工艺生产的机制砂含水率达 10% 左右，可有效地控制其含水率，使生产出的混凝土质量得到较好的控制。

（4）降尘除尘效果明显。采用全过程水洗机制砂工艺，在各个环节均实现无尘生产，降低对周边环境的粉尘污染。

（5）水洗后产生的泥浆零排放。通过压滤设备对泥浆进行发酵、脱水并压制成泥块处理，实现特定区域的泥浆零排放。

（6）实现污水零排放。通过添加试剂，对压滤后的污水进行沉淀、澄清，澄清后的水达到排放标准，循环用于进行冲洗机制砂、碎石，可有效地节约水资源，并对周边水资源环境形成保护。

（7）可减少后期的污染治理。采用该工艺生产机制砂，可减少工程结束后期治理，实现环保目标。

（8）自生产机制砂质量可控，不受外界因素干扰。自产机制砂与外购相比，能够更加有效地管控产品质量，项目部对机制砂支配有自主权，减少对当地地材市场的依赖，为现场混凝土顺利施工提供保障。

（9）适用于隧道工程、路基石方工程的洞渣消耗及碎石、机制砂生产，本技术实用性强，在环境保护区域与自然区域均适用。当河砂资源严重匮乏、水资源使用受限制时采用本技术经济性最佳。

6 经济效益分析

项目自产机制砂用于水泥混凝土施工，普通混凝土本次暂不统计在内，仅统计在预应力混凝土中使用量，预应力混凝土有 96870m3，其中预应力高性能海工混凝土共有 37694m3，根据施工配合比计算，预应力混凝土需要砂用量约 68777t。

自产机制砂、外购机制砂、外购河砂综合成本计算见表 2。

通过对自产机制砂、外购机制砂、外购河砂之间发生的成本进行计算分析，自产机制砂产生的效益见表3。

表 2 自产机制砂、外购机制砂、外购河砂综合成本计算表

表 3 自产机制砂效益计算表

综上所述，本研究成果的机制砂直接替代河砂用于预应力混凝土，通过试验室配合比数据统计，机制砂等量替换河砂使用，其他材料用量一致，混凝土各项指标均满足配合比设计及规范要求。自产机制砂折算综合成本后，单价较低，与外购河砂相比节约 432.6 万元；与外购机制砂相比节约178.1万元。外购机制砂与河砂相比可节约 254.5 万元。由此可见，本研究成果取得的经济效果可观。

7 结语

隧道及路基爆破洞渣常规处理方法是：征地弃方或经破碎后用于工程建设。前者会造成大量土地资源浪费，后者则带来粉尘污染。即便后者对破碎设备加装水洗系统，泥浆一般也会直接排入河道，形成堵塞和水资源污染，后期不得不进行费用昂贵的治理，得不偿失。这些方法对环境带来巨大影响，且先污染后治理的做法，违背了可持续发展战略。

工程弃渣绿色制备高品质机制砂成套技术，减少了隧道洞渣弃方，减少弃渣场征地，生产出来的机制砂取代河砂应用于各强度等级混凝土中，克服了项目生产过程中河砂资源短缺的困难，机制砂完全等量取代了河砂，且混凝土中其他材料用量与河砂配合比一致，减少了河砂资源的开采，节约了混凝土成本，解决了洞渣破碎带来的粉尘污染和水洗带来的水污染难题，保护了当地的生态环境。

在洞渣破碎环节中，采用工程弃渣绿色制备高品质机制砂成套技术，带来一系列的社会效益，降低了生产过程中的粉尘污染，对景区和周边环境影响降到最低程度；水洗筛分产生的泥浆通过压滤净化系统，将泥浆与水干湿分离，泥浆压滤成饼块状运输至场外集中存放，污水经高效聚氯化铝澄清滤净沉淀，现场取样检验达到排放标准，可确保水资源不受污染；同时澄清滤净处理后的水再用于机制砂生产循环使用，有效减少水污染和节约水资源。