用低强度薄层灰岩为原料生产粗骨料和高品质机制砂？

1 引言

随着经济建设的飞速发展，道路、桥梁、铁路、机场、水工建筑、近岸结构、城市建设、通讯等基础设施的建设，使得建筑材料在量上达到了历史上的最高水平。全球每年消耗砂石骨料约400亿吨，我国每年消耗约180亿吨。随着天然砂石资源日益匮乏、环境保护力度的日益增强，砂石供需矛盾日益突出，人工砂作为一种较为理想和实际的替代材料，正被越来越广泛地应用于各种工程建筑中。为满足使用需求，生产企业也从原有的“小、散、乱’逐步向规模化、集约化发展，在产量提高的同时， 对质量和企业绿色发展，智能化发展提出更高的要求。

传统砂石骨料生产线利用多段高速打击或挤压破碎原理，集成了粗、中、细多段破碎、整形、筛分、输送和除尘等装备，虽然满足了制备骨料的可行性问题，但仍存在一些制约高质量发展的问题，无法适应规模化、环保化、智能化的发展需求。主要表现在：   （1）受限于打击破碎的工作原理，产品的颗粒形貌和粒度分布不理想，高品质机制骨料生产困难；（2）工艺流程复杂，各环节均采用皮带输送机输送物料，扬尘点和漏料点多、生产效率低，（3）占地面积大、投资费用高、设备故障率高，易损件磨损后台时产量下降幅度大，骨料质量偏差，生产管理困难的问题凸出。（4）机制砂仍存在细度模数偏大，级配不合理和生产效率低等问题；湿法制砂虽然解决了机制砂含泥量的问题，但细砂和粉损失大，污水处理成本高，废物无法再利用。   砂石骨料生产技术的发展应朝着原料来源更广、生产规模更大、产品质量更优、工艺节能环保、绿色化、智能化等方向   ，生产技术符合高质量发展的理念和要求，推动机制砂快速发展并逐步代替天然砂，将会减少天然砂滥采滥挖，是保护生态环境和推动我国基础建设高质量快速发展的必经之路。

2 原料情况和项目方案概况

2.1原料情况

本项目现有一条日产熟料4000吨生产线，水泥的年生产能力达280万吨，由于矿山上高镁低钙的低品位及夹石数量多，矿山内部不同品位矿石难以平衡搭配，在时间上、空间上都给水泥原材料搭配开采带来困扰。为了从根本上解决这个问题， 企业决定利用这些难以处理的低品位石灰石及高镁白云岩、白云质灰岩及夹石等加工成骨料或机制砂等建筑材料产品 ，一方面解决了矿山质量不稳定和环保的问题，另一方面也为国家级绿色矿山建设和矿石资源综合利用寻求了出路。

由于岩石结构层较薄，生产粗骨料形貌较差， 片状含量偏高，不适合高比例、多级配生产粗骨料的传统工艺 ，且由于母岩强度波动较大，仅有50～80MPa，骨料产品存在压碎值偏高的问题，    因此经过多次试验反复验证后，将产品定位为10～20mm精品骨料、普通机制砂和精品机制砂三个产品。

图2-1 岩石形貌

表2.1 原料主要化学元素检测结果

2.2方案概况

本项目 建设一条年产500万吨骨料砂石干法生产线 ，矿石通过矿车运输进厂，骨料破碎系统采用两段破碎、一级除土筛分和一级骨料筛分，最终获得0～5mm含土石屑、0～15mm制砂用碎石和10～20mm精品骨料，0～5mm含土石屑采用干式洗泥系统和柱碎机整形制砂系统生产普通机制砂，0～15mm制砂用碎石采用先进的立磨整形制砂系统生产高品质机制砂。具体的产品方案如下：

表2.2 工艺系统产品方案

3 骨料破碎工艺流程方案

图3-1 骨料破碎工艺流程图

骨料破碎系统工艺流程如图3-1所示，主机设备见表3.1。全系统工艺采用干法，分为一段破碎→除土→二段破碎+返料破碎→骨料筛分→成品骨料+含土石屑+制砂用碎石料。

一段破碎采用反击式破碎机，出料粒度90%≤80mm，再进除土筛，除土筛选用两台先进的SEMS4385高频双层微粉筛，上层筛板采用15mm孔径的高弹聚氨酯模块化筛板，下层筛板采用5mm孔径的聚氨酯微粉筛板，聚氨酯材料耐磨性能好，根适用于本项目矿石硅铝含量高的特性，SEMS4385高频双层微粉筛将来料分成-5mm含土石屑、5-15mm制砂用碎石料和15+mm粗料，15+mm粗料通过胶带输送机送入二段破碎，   二段破碎采用两台整形效果较好的反击式破碎机，反击式破碎机易于维护和维修，产品粒度均匀且多呈立方体状，破碎比大，可减少破碎段数   。两台反击式破碎机于两台圆振筛组成“闭路循环破碎+筛分”工艺，圆振筛采用20mm和10mm双层金属筛面，将来料破碎并筛分成-10mm制砂用碎石料和10～20mm精品骨料，矿石经二段筛分后，0～10mm汇总到一段筛分5～15 mm胶带输送机输送到中间库；10~20mm作为成品骨料输送入10~20mm成品库，骨料滞销时也可以直接进中间库。≥20 mm筛上料汇同一段筛分≥15 mm筛上料经胶带输送机返回二段破碎机循环破碎。最终获得0～5mm含土石屑、0～15mm制砂用碎石和10～20mm精品骨料。设置3个Φ15m×38米、储量为7000t的中间储存圆库，满足制砂系统额外运行时间。

表3.1 骨料破碎系统主机设备表

表3.2含土石屑和制砂用碎石的粒度级配

骨料破碎系统伴生的含土石屑和碎石用于生产机制砂，其粒度级配如表3.2所示， 0-15mm碎石中含成品砂约30%，0-5mm去除泥粉即可满足机制砂的细度模数。

4 机制砂生产工艺流程方案

干法制砂设备一般采用立轴破碎机，立轴破碎机具有体积小，价格低，工艺流程简单，   立轴破碎机不同工况的多种腔型适应于大部分物料的细碎和超细碎,兼顾破碎和整形的双重功能   。但   立轴破碎机单台设备产量低，产品砂中的细度模数偏大，颗粒较粗且颗粒级配不理想，且因其破碎效率较低，导致系统电耗高，伴生石粉量较大。

4.1 立磨制砂系统

立式辊磨机采用料床挤压工作原理，集中碎、细碎、粉磨等功能于一体，技术移植到机制砂领域完成中碎和细碎的工作在理论上是可行的，并充分发挥了立磨的大产能和可靠性。单台立磨的产量可满足200t/h 至1500t/h，立磨的磨辊压力和磨盘转速等可大范围调节，适用于不同母岩的物料，机制砂产品细度模数灵活可调，粒度级配合理，颗粒形貌球形度高，生产电耗低，耐磨件使用周期长，系统清洁环保无排放问题，自动化程度高。解决了当前机制砂系统产量低、产品类型单一、质量差等问题，满足了砂石行业大型绿色矿山的高质量、大规模化、清洁生产、品种多样化的要求。

本项目所用立磨制砂系统的工艺流程图见图4-1，制砂设备采用天津水泥工业设计研究院的TRMA36机制砂立磨，系统设计产量420t/h，总装机功率约3000kw，主要设备表见表4.1。

表4.1 立磨制砂系统主机设备表

图4-1 立磨生产机制砂工艺流程

以图4-1介绍立磨制砂工作原理，中间储存圆库存储的0～15mm制砂用碎石物料经计量和输送喂入立磨，物料从下料口落到磨盘中央，电动机通过减速机带动磨盘转动，物料在离心力的作用下向磨盘边缘移动并受到磨辊的碾压，粉碎后的物料从磨盘边缘溢出到磨外，即物料全部外循环，通过输送装置送入缓冲仓，缓冲仓下配制四台计量称和四台液压高频筛对出磨物料进行分级，筛机采用双层筛网和三通阀调节机制砂的粒度级配，不满足粒径要求的粗料经循环皮带机输送返回立磨继续碾压，符合机制砂粒度要求的经皮带机输送喂入组合式选粉机调节机制砂的粉含量和石粉细度，分选后的石粉进入旋风筒捕集，机制砂经皮带和斗式提升机输送入库。

该系统自2023年10月投产以来，经8个月的运转实践，运行情况见表4.2，产品质量稳定，立磨设备噪音小，系统电耗较低。

表4.2 立磨制砂系统运行情况

4.2 柱碎机制砂系统

图4-2干式洗泥和柱碎机制砂系统工艺流程图

破碎系统制备的0～5mm含土石屑采用干式洗泥和柱碎机制砂系统生产普通机制砂产品，工艺流程图见图4-1， 系统主要由高效干式洗泥机系统、两台柱碎机和高效多级选砂系统组成，设计产量300t/h，总装机功率约2000kw ，主要设备表见表4.3。

0～5mm含土石屑采用干法制砂工艺，干法洗泥系统产生的泥粉和整形制砂系统伴生的石粉用于水泥生产线配制生料，较湿法水洗制砂系统工艺简单，投资节省，且生产中节约大量水资源，又便于产品存储、运输和使用。

以图4-2介绍干式洗泥整形制砂工作原理，中间储存圆库存储的0～5mm含土石屑和0～15mm制砂用碎石物料经计量和输送喂入干式洗泥机系统，双旋风分离器将泥粉和石料分离，泥粉经输送进入泥粉仓，石料进入第一道柱碎机，柱碎机将石料破碎整形后经皮带机和提升机输送进入多级选砂系统，多级选砂系统将石粉、机制砂和大颗粒料粉机，调节多级选砂系统的分级机转速和通风量可以调节石粉细度、机制砂的细度模数和粉含量，石粉和机制砂产品经输送入库，不满足机制砂粒径要求的粗料经溜管进入第二道柱碎机继续破碎，破碎后的石料与入第一道柱碎机破碎的石料一起经皮带机和提升机输送进入多级选砂系统再次分级，最终获得石粉和机制砂产品。

表4.3干式洗泥和柱碎机制砂系统主机设备表

表4.4 干式洗泥和柱碎机制砂系统运行情况

0～5mm含土石屑采用干法制砂工艺，干法洗泥系统产生的泥粉和整形制砂系统伴生的石粉用于水泥生产线配制生料，较湿法水洗制砂系统工艺简单，投资节省，且生产中节约大量水资源，又便于产品存储、运输和使用。

5 机制砂产品质量和配制混凝土性能情况

5.1 两种机制砂系统的产品质量情况

表5.1 立磨制砂产品的颗粒分布情况

立磨制砂产品细度模数稳定，   细度模数在2.7～2.9，石粉含量3-7%，根据亚甲蓝值适当调整粉含量，颗粒分布较窄，0.15～0.6mm细粒级含量仅有26%以上   。

表5.2 柱碎机制砂产品的颗粒分布情况

柱碎机制砂产品细度模数波动较大，细度模数偏大，颗粒分布更宽，0.15～0.6mm细粒级含量仅有20%。

5.2 两种机制砂产品对混凝土性能的影响

众多文献表明，针对机制砂特性，对机制砂混凝土配合比进行了优化设计，可以配制出工作性能和力学性能良好的混凝土。为检测立磨制砂和柱碎机制砂产品对混凝土性能的影响，先对立磨制砂、柱碎机制砂和天然砂的基本物性进行检测，结果如表5.3所示，   立磨制砂孔隙率较天然砂和柱碎机产品更低   ，这是由于立磨制砂产品的颗粒级配分布更加合理，天然砂中小于0.3mm细颗粒偏少， 柱碎机制砂的粗粒级和细粒级偏多，中间粒级偏少，而立磨制砂产品恰恰解决了前两种机制砂产品的问题。

表5.3 试验用砂的颗粒分布情况

表5.4 试验所用三种砂的基本性能对比

表5.5 混凝土配合比

再用立磨制砂、柱碎机制砂和天然砂配制工作性能相当的C30和C60混凝土，如表5.4和表5.5数据显示，配制混凝土时，保证胶凝材料、骨料用量和水胶比不变，通过调整外加剂掺量调节混凝土的坍落度、扩展度和1h的经时坍落度等工作性能基本相当。此时，   立磨制砂配制混凝土需用的外加剂量略低于天然砂，C30和C60中，立磨制砂较柱碎机制砂减少外加剂用量分别是46.7%和30.8%   。 电通量数据结果显示，立磨制砂配制的混凝土抗渗透能力更好。

表5.6 试配混凝土工作性能和抗氯离子渗透检测结果

图5-1 C30混凝土性能检测数据

图5-2 C60混凝土性能检测数据

使用天然砂、柱碎机制砂和立磨制砂配制C30和C60混凝土并检测各龄期的抗压强度，结果如图5-1和图5-2所示，天然砂配制的混凝土各龄期抗压强度均高于另外两种混凝土，立磨制砂配制的混凝土各龄期强度略低于天然砂混凝土，差别比较小，但柱碎机制砂产品配制的混凝土各龄期都明显低于天然砂和立磨制砂配制的混凝土。

6 结论

（1）骨料线的建设和产品定位需要结合母岩特性和设备的工作机理，本项目以薄层灰岩为原料，采用两级反击破和两级筛分生产10～20mm粗骨料，   以立磨制砂系统生产精品砂，由高效干式洗泥机系统除泥，柱碎机和高效多级选砂机系统生产普通砂，该工艺方案获得了成功。

（2） 立磨制砂系统不仅产量高、电耗低、设备可靠性强，立磨制砂产品的产品质量稳定性、颗粒级配和形貌较柱碎机制砂产品更优 ，深受广大客户青睐。

（3）配制C30和C60混凝土，立磨制砂配制的混凝土性能与天然砂配置的混凝土在工作性能、抗压强度和抗氯离子性能等方面基本相当，但使用机制砂的成本较天然砂节省很多； 立磨制砂配置C30和C60混凝土柱碎机制砂减少外加剂用量分别是46.7%和30.8%，降低了混凝土的生产成本，且后期强度更高。  

来源：陈军