引言

　　国家统计数据显示，2012年水泥产量21.8亿吨，按混凝土中水泥与砂的比例为1:2.5估计，砂用量超过50亿吨。然而，天然砂受资源总量、分布和季节限制，加之政策限采，由此产生了供应不足、价格攀升、运输成本高、质量波动大等问题，局部地区已出现供需矛盾激化的现象。结合社会发展的一般规律和国外先进经验，发展机制砂已成行业共识。但是，传统机制砂性能不足，存在如级配“两头大，中间小”、粒型多角尖锐、杂质多等问题，在实际应用中影响混凝土和砂浆的整体性能和效益，难以满足市场对优质砂的需求。

　　另一方面，人们对砂的认识大部分仍停留在“5mm以下颗粒”的层面，对砂的性能指标及其对混凝土的影响重视程度不足，不利于解决砂石产业发展的困境。因此，本文主要通过总结国内外研究结果与具体项目经验，探讨混凝土与砂的关系、传统制砂工艺的局限及新型制砂概念，为砂石、水泥、混凝土产业链的整合研究提供参考，希望为砂石产业的发展带来新的机会。

　　混凝土用砂的核心要求

　　混凝土是由胶凝材料和水，粗、细骨料(砂)按一定比例配制而成的混合物，经搅拌、捣实、硬化而成的人造石材。如图1所示，砂石约占混凝土体积的70%，对混凝土的性能和配制成本影响显著。详细讨论砂石对混凝土的影响规律已经超出本文的范围，但工程经验及我们与多家混凝土企业的联合实验证明，混凝土用砂的核心要求是：级配、粒型和含粉(泥)量(当然，诸如氯离子、坚固性等指标必须符合国标要求)。

　　总体而言，级配和粒型综合影响砂的空隙率、比表面积和流动性能(其示意关系如图2所示)，从而影响混凝土配比中水泥和水的用量。比如，针片状、棱角尖锐的颗粒，将增大空隙率和比表面积，增大拌合物的流动阻力，因此需要更多的水泥浆去填充、包裹和产生流动性。级配组成中0.15~0.6mm部分的细砂，可以有效填充拌合物的空隙，并充当润滑中心，降低流动阻力，利于优化混凝土配比。

　　而控制含粉(泥)量主要是为了保证砂的洁净度，控制膨胀性粘土的含量，以免在拌合过程中发生吸附反应和活性反应，破坏混凝土的性能。但石粉含量应根据实际情况进行灵活调节，对裹挟泥粉、矿物组分活性高的石粉，应严格控制;对剥离干净、成分无害的石粉，可放宽标准。通过亚甲蓝值测试可对砂的洁净度进行评价，同时确定其石粉的活性和可采用范围。

　　至此，结合图3的直观对比，我们可总结天然中砂与传统机制砂在混凝土配制中表现不一的原因为：天然中砂经过长期的自然作用，级配合理、粒型圆润、杂质含量少，符合混凝土用砂的核心要求;而传统机制砂针片状含量高、棱角尖锐、级配不均、含粉高(部分产品含泥量高)，不符合混凝土用砂的核心要求。

　　传统制砂工艺的局限

　　传统机制砂性能不足主要是由制砂工艺不合理造成的，主要表现为以下两点：

　　1、破碎工艺单一，甚至采用挤压式破碎机作为终碎设备。从破碎原理来看，常见的制砂设备可分成挤压式破碎和冲击式破碎两类。诸如颚破、圆锥破、对辊破、锤破等挤压式破碎设备，虽然可以提供较大的破碎比，但成品针片状含量高，颗粒棱角尖锐，且磨损后不能产生稳定的级配，一般不能作为制砂终段设备。相反，冲击式破碎设备，特别是VSI冲击破，能产出粒型基本达标的成品砂，属于比较合理的制砂设备选型。但单一采用传统冲击破制砂，其成品表面棱角仍过于尖锐，且石粉含量过高、0.15~0.6mm细砂含量过低(如图4所示)，难以满足高标准用砂的需求。

　　2、筛选工艺单一，调控困难，效率较低。以最常见的湿法生产工艺为例，这种工艺通过振动筛控制砂的最大粒径，通过洗砂机去除泥、粉。如果筛分设置合理(如设置2~3层5mm及以下筛网并将筛下物按一定比例混合)，水洗彻底并配置细砂回收装置，该工艺也可生产出合格的中低标准砂。但这种筛选工艺无法改变冲击破出料细砂含量过低的问题，同时，即使配置细砂回收装置，水洗也难免带走较多的细砂，使成品砂级配更加不合理(如图4所示)。另外，整套筛选工艺除了更换筛网尺寸以外，调控空间小，同时存在损耗大、易堵塞、效率低、用水量大、污水淤泥处理困难等问题。

　　新型制砂概念和工艺

　　从以上分析可知，新型制砂工艺所产成品应该像天然中砂一样，满足混凝土用砂的核心要求，明显提高级配、粒型、含粉(泥)量等指标。实际的技术方案应该是通过整体性的系统方案，尽可能模拟天然砂形成过程中的破、磨、选等自然作用，实现充分的破碎、搓磨及精细可控的筛选，同时兼顾环保要求。在这样的指导思想下，我们提出VU系列骨料优化系统，在全新的干式制砂工艺框架下，对破、磨、选三方面技术进行整体革新，以解决优质机制砂的生产问题，最终实现机制砂可替代天然砂的目标。

　　首先，我们以十多年的冲击破碎技术积累为基础，对传统冲击破结构和原理进行大幅度的改进，例如，加大抛料和碰撞频率，加强搓磨破碎作用等。在以上技术革新下，VU型冲击破(针对VU系统定制设计)克服了传统冲击破成砂率低、细砂生产能力不足的缺点，同时能进一步改善砂子粒型。

　　其次，为了对冲击破碎作用进一步补充，首次提出“低能量破碎整型技术”，并相应研制了粒优机(可进一步优化粒型的机器)，模仿天然砂形成过程中的水流冲刷作用，进一步去除砂颗粒表面的毛刺和棱角，而脱落的碎片成为珍贵的细砂，改善成品的级配。

　　最后，通过整合成熟的破碎筛分和磨机空气选粉技术，提出一体化干式筛选的方案。在全封闭腔体中，利用空气负压和机械振动的作用，同时完成除粉和筛分的任务。通过调节风量、流道等，可实现在线较精细的调节，使成品砂的细度模数变得可控可调，因此，我们对该设备暂命名为模控筛(细度模数可控的筛分机)。

　　我们通过两个塔楼结构，以合理的工艺流程将上述主要设备和其他辅助设备连接起来，其工艺流程图和三维效果图如图5所示。原料经过VU型冲击破破碎整型后，在模控筛和除尘模块作用下分成三路：石粉、返料和准成品砂。石粉通过除尘模块后统一储存在粉矿仓中，准成品砂进入粒优机进一步整型，经加湿搅拌后完成加工过程。值得一提的是，VU系统实现了全流程自动化检测、监控和调整，保证了生产过程稳定高效;防尘设计非常成功，现场基本无扬尘，环保指标符合国家标准。

　　需要说明的是，VU系统对原料有一定要求。其一，由于采用了调控性能、稳定性能和环保性能更高的干式生产工艺，VU系统要求原料干燥、较洁净，含水率在3%以下，含泥量不能过高;其二，为了针对性提高VU型冲击破对5mm以下物料的作用，我们适当调整了设备的破碎比，最大进料粒径须小于15mm(从市场角度来看，以30mm以下碎石作为制砂原料并不经济，而15mm以下、甚至10mm以下碎石，俗称“瓜米石”“石屑”，更廉价易得，以此作为制砂原料，也可同时增加系统的经济收益)。除此以外，VU系统可适用于大部分制砂工况，而即使原料不能满足以上两点要求，也可采用辅助设备和工艺进行配合。因此，VU系统实际上可满足大部分的优质制砂需求。

　　VU系统的成效完全达到我们的设计预期。成品砂级配符合二区中砂分布，-0.6mm细砂占比大幅提升;粒型以高方形度和球形度为主，表面棱角、毛刺最大程度地减少;含粉量稳定，并在3~15%间可调可控。实验表明，VU砂完全符合混凝土用砂的标准，可有效提高强度、工作性，并能节省水泥，性能媲美天然中砂。特别是，成品砂的性能指标十分稳定，这点对混凝土配合比设计和应用的重要性不言而喻。

　　结论

　　混凝土用砂对级配、粒型和含粉(泥)量等指标提出较高要求，VU系列骨料优化系统应该可以解决传统工艺破碎和筛选单一的问题，生产出可替代天然砂的优质机制砂。同时，系统采用价值低、甚至废弃的碎石作为原料，在干法工艺下完成优质制砂的过程，不产生扬尘和污水、淤泥，经济性能和环保指标出色。在用砂需求持续高涨、天然砂供应不足的背景下，VU系统所带来的新工艺流程和优质成品砂，有希望为砂石产业的发展带来新的机会。

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