國(guó)家統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2012年水泥產(chǎn)量21.8億噸，按混凝土中水泥與砂的比例為1:2.5估計(jì)，砂用量超過(guò)50億噸。然而，天然砂受資源總量、分布和季節(jié)限制，加之政策限采，由此產(chǎn)生了供應(yīng)不足、價(jià)格攀升、運(yùn)輸成本高、質(zhì)量波動(dòng)大等問(wèn)題，局部地區(qū)已出現(xiàn)供需矛盾激化的現(xiàn)象。結(jié)合社會(huì)發(fā)展的一般規(guī)律和*進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)展機(jī)制砂已成行業(yè)共識(shí)。但是，傳統(tǒng)機(jī)制砂性能不足，存在如級(jí)配“兩頭大，中間小”、粒型多角尖銳、雜質(zhì)多等問(wèn)題，在實(shí)際應(yīng)用中影響混凝土和砂漿的整體性能和效益，難以滿(mǎn)足市場(chǎng)對(duì)優(yōu)質(zhì)砂的需求。
另一方面，人們對(duì)砂的認(rèn)識(shí)大部分仍停留在“5mm以下顆粒”的層面，對(duì)砂的性能指標(biāo)及其對(duì)混凝土的影響重視程度不足，不利于解決砂石產(chǎn)業(yè)發(fā)展的困境。因此，本文主要通過(guò)總結(jié)國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果與具體項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，探討混凝土與砂的關(guān)系、傳統(tǒng)制砂工藝的局限及新型制砂概念，為砂石、水泥、混凝土產(chǎn)業(yè)鏈的整合研究提供參考，希望為砂石產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來(lái)新的機(jī)會(huì)。
混凝土用砂的核心要求
混凝土是由膠凝材料和水，粗、細(xì)骨料(砂)按一定比例配制而成的混合物，經(jīng)攪拌、搗實(shí)、硬化而成的人造石材。如圖1所示，砂石約占混凝土體積的70%，對(duì)混凝土的性能和配制成本影響顯著。詳細(xì)討論砂石對(duì)混凝土的影響規(guī)律已經(jīng)超出本文的范圍，但工程經(jīng)驗(yàn)及我們與多家混凝土企業(yè)的聯(lián)合實(shí)驗(yàn)證明，混凝土用砂的核心要求是：級(jí)配、粒型和含粉(泥)量(當(dāng)然，諸如氯離子、堅(jiān)固性等指標(biāo)必須符合國(guó)標(biāo)要求)。更多機(jī)制砂投資訪(fǎng)問(wèn)：http://www.jizhishashebei.org/
圖1. 混凝土微觀(guān)組織圖(砂石約占混凝土體積70%)
總體而言，級(jí)配和粒型綜合影響砂的空隙率、比表面積和流動(dòng)性能(其示意關(guān)系如圖2所示)，從而影響混凝土配比中水泥和水的用量。比如，針片狀、棱角尖銳的顆粒，將增大空隙率和比表面積，增大拌合物的流動(dòng)阻力，因此需要更多的水泥漿去填充、包裹和產(chǎn)生流動(dòng)性。級(jí)配組成中0.15~0.6mm部分的細(xì)砂，可以有效填充拌合物的空隙，并充當(dāng)潤(rùn)滑中心，降低流動(dòng)阻力，利于優(yōu)化混凝土配比。
圖2. 級(jí)配和粒型對(duì)砂空隙率的影響示意圖
而控制含粉(泥)量主要是為了保證砂的潔凈度，控制膨脹性粘土的含量，以免在拌合過(guò)程中發(fā)生吸附反應(yīng)和活性反應(yīng)，破壞混凝土的性能。但石粉含量應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)，對(duì)裹挾泥粉、礦物組分活性高的石粉，應(yīng)嚴(yán)格控制;對(duì)剝離干凈、成分無(wú)害的石粉，可放寬標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)*值測(cè)試可對(duì)砂的潔凈度進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)確定其石粉的活性和可采用范圍。
至此，結(jié)合圖3的直觀(guān)對(duì)比，我們可總結(jié)天然中砂與傳統(tǒng)機(jī)制砂在混凝土配制中表現(xiàn)不一的原因?yàn)椋禾烊恢猩敖?jīng)過(guò)*的自然作用，級(jí)配合理、粒型圓潤(rùn)、雜質(zhì)含量少，符合混凝土用砂的核心要求;而傳統(tǒng)機(jī)制砂針片狀含量高、棱角尖銳、級(jí)配不均、含粉高(部分產(chǎn)品含泥量高)，不符合混凝土用砂的核心要求。
圖3. 天然中砂(左) 與傳統(tǒng)機(jī)制砂(右)對(duì)比圖
傳統(tǒng)制砂工藝的局限
傳統(tǒng)機(jī)制砂性能不足主要是由制砂工藝不合理造成的，主要表現(xiàn)為以下兩點(diǎn)：
1、破碎工藝單一，甚至采用擠壓式破碎機(jī)作為終碎設(shè)備。從破碎原理來(lái)看，常見(jiàn)的制砂設(shè)備可分成擠壓式破碎和沖擊式破碎兩類(lèi)。諸如顎破、圓錐破、對(duì)輥破、錘破等擠壓式破碎設(shè)備，雖然可以提供較大的破碎比，但成品針片狀含量高，顆粒棱角尖銳，且磨損后不能產(chǎn)生穩(wěn)定的級(jí)配，一般不能作為制砂終段設(shè)備。相反，沖擊式破碎設(shè)備，特別是VSI沖擊破，能產(chǎn)出粒型基本達(dá)標(biāo)的成品砂，屬于比較合理的制砂設(shè)備選型。但單一采用傳統(tǒng)沖擊破制砂，其成品表面棱角仍過(guò)于尖銳，且石粉含量過(guò)高、0.15~0.6mm細(xì)砂含量過(guò)低(如圖4所示)，難以滿(mǎn)足高標(biāo)準(zhǔn)用砂的需求。
2、篩選工藝單一，調(diào)控困難，效率較低。以zui常見(jiàn)的濕法生產(chǎn)工藝為例，這種工藝通過(guò)振動(dòng)篩控制砂的zui大粒徑，通過(guò)洗砂機(jī)去除泥、粉。如果篩分設(shè)置合理(如設(shè)置2~3層5mm及以下篩網(wǎng)并將篩下物按一定比例混合)，水洗*并配置細(xì)砂回收裝置，該工藝也可生產(chǎn)出合格的中低標(biāo)準(zhǔn)砂。但這種篩選工藝無(wú)法改變沖擊破出料細(xì)砂含量過(guò)低的問(wèn)題，同時(shí)，即使配置細(xì)砂回收裝置，水洗也難免帶走較多的細(xì)砂，使成品砂級(jí)配更加不合理(如圖4所示)。另外，整套篩選工藝除了更換篩網(wǎng)尺寸以外，調(diào)控空間小，同時(shí)存在損耗大、易堵塞、效率低、用水量大、污水淤泥處理困難等問(wèn)題。
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