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重慶地區機制砂發展現狀與展望
發布人:admin 發布時間:2009年11月24日 被瀏覽 5346
一、前言
重慶地處長江、嘉陵江交匯處,沿江及其支流有著豐富的天然特細砂資源。長期以來,重慶地區的建筑及混凝土用砂幾乎全部使用特細砂,由于過去混凝土強度等級普遍較低,對已經習慣使用的特細砂并沒有引起過多的關注或質疑。
然而近十年來,重慶地區市政建設、道路橋梁、高層建筑大規模興建,混凝土強度等級、工作性能普遍提高,混凝土耐久性也成為不可小視的問題,特細砂已經不能夠滿足需要。自此,重慶的工程技術人員開始探討和正視特細砂的缺點:顆粒過細,表面積及空隙率大,配制混凝土需水量大,水泥用量高,收縮率大,耐久性差等,這些缺點限制了特細砂的使用范圍。因此,某些工程不得不從四川簡陽等地購買中砂,并花費高額運費運到重慶使用。其實,縱觀國內外混凝土技術規程規范,特細砂從來就是被列入另冊或是受限制使用的。
重慶市地處三峽工程庫區,幾年后,大壩建成蓄水至175米高程,沿江沙灘將被淹沒,天然砂資源將面臨季節性枯竭。即使部分江段可以采砂,也將由于水文變化、含泥量增高而失去在某些混凝土工程中的使用的價值。砂是大宗地方性建筑材料,依靠從外地采運是不現實的。因此,尋求新的的砂源成為重慶建設發展的當務之急。
在此形勢下,重慶地區的機制砂生產企業應運而生,機制砂的開發及應用研究也在科研院所及部分企業迅速開展起來。
 
二、機制砂的開發與應用研究
機制砂是指由巖石破碎,經篩分后粒徑在5mm以下的大小不同的顆粒。重慶地區機制砂應用最早是從石屑開始,80年代初,重慶住宅建設進入高潮,天然卵石無法滿足房屋構件生產的需要,碎石廠應運而生。當時,石屑作為廢物被大量拋棄,一些預制構件廠將石屑運回,用于小構件的生產,主要替代特細砂,試驗發現石屑替代特細砂后試件強度大幅度提高。之后,石屑逐步擴大到在預應力空心板中使用,經檢測發現,不僅每立方米混凝土可節約30~40公斤水泥,而且構件質量得到改善。
正式開發應用機制砂,并進行系統試驗研究的單位是鐵五局成渝高速公路指揮部。1990年5月,成渝高速公路中梁山隧道開始建設,為降低工程造價,減輕從四川簡陽購買天然中砂的壓力,成渝高速公路指揮部決定在普通混凝土、泵送混凝土、防水混凝土、噴錨支護和砌石砂漿中全面使用機制砂。為此,就近建了四條專業砂石生產線,并就地取材,利用工程開挖的石灰巖作為原材料,總計生產了約10萬噸機制砂,共澆筑混凝土12.6萬m3,砌石1.7萬m3。為了獲取科學的結論,抽取了2583組各種試件,對機制砂及機制砂配制混凝土的工作性能、物理力學性能、長期耐久性能進行了較系統的試驗研究,大量數據證明,機制砂在成渝高速公路工程中的應用是成功的。從而,為重慶市機制砂開發應用奠定了基礎。
1993年,重慶建科院開展了用長江鵝卵石破碎生產的機制砂配制C50高強混凝土的試驗研究,并成功應用于鵝嶺鷹冠大廈工程。重慶建科院相繼又開展了石灰石機制砂配制混凝土的研究工作。
其實,精明的企業家們早就盯上機制砂這塊領地和它潛在的經濟效益。只是在等待生產條件成熟的時機。1997年初,重慶第一家民營專業機制砂生產企業長渝機制砂有限公司建成投產,拉開了機制砂產業化的序幕。1998年以后,雷蒙諾克、雙盈、后功、大足機制砂廠先后建成投產。部分碎石廠也相繼進行工藝改造擴大機制砂生產能力,一些碎石場也紛紛兼營石屑。從此以后,機制砂在重慶建設工程中的應用得以迅速推廣,來自四川簡陽、德陽的中砂幾乎退出重慶市場。
1999年初,重慶建科院與長渝機制砂有限公司共同完成了《重慶地區機制砂配制混凝土應用研究》,該課題通過市科委專家鑒定。鑒定意見結論為“機制砂可以取代天然中粗砂配制C10~C60混凝土,機制砂與特細砂按一定比例混合來取代天然中砂具有較為明顯的技術優勢和經濟效益,研究成果處于國內先進水平”。該課題研究成果榮獲2000年重慶市科技進步三等獎。
與此同時,重慶市建科院、重慶建筑大學、重慶交通學院、一些大型施工企業和攪拌站,都加大了對機制砂或石屑配制混凝土的應用試驗研究,均取得很好的成果。系統試驗與工程應用均表明:石灰巖機制砂配制的高強、普通、抗滲、泵送混凝土、與天然中砂混凝土一樣具有優良的物理、力學、長期耐久性能,完全可以替代四川德陽和簡陽中砂。工程技術人員還根據機制砂棱角多、0.315mm以下顆粒少、含粉量較大、配制的混凝土流動性差,不利用于泵送的缺點,研究出機制砂和特細砂復合后配制泵送混凝土的優化方案,解決了機制砂混凝土可泵性差,易堵管的技術難題。
但是,機制砂因為采用不同品質的巖石,不同的破碎工藝,其產品質量差異很大,對配制混凝土的質量影響也是較大的。鑒于當時我國的建筑用砂質量標準中只規定了天然河砂的質量標準與檢驗方法,而沒有機制砂的內容,這給機制砂的生產質量控制和推廣應用帶來了很大的不便。一些比較保守的設計單位、業主和施工單位甚至以此拒絕使用機制砂。規范機制砂質量標準成為推廣應用的當務之急。
1999年,在市建委和市技術監督局的重視和支持下,由市建委下達編制《混凝土用機制砂質量標準與檢驗方法》的科研任務,該課題主要由重慶市建科院承擔。課題組在認真總結近年來機制砂應用研究成果的基礎上,又進行了大量試驗和調研工作。主要針對市內6家機制砂廠和不同的制砂工藝流程的產品,以及重慶小泉、歌樂山一帶碎石廠所生產的石屑,進行篩分、級配、含粉量、壓碎指標等性能的測試和對比研究,共取得近千個數據。課題組在編制過程中還參考了云南和貴州的地方標準,以及其它行業標準,在2000年7月21日完成了重慶市地方標準《混凝土用機制砂質量標準及檢驗方法》的編制工作,并通過了市建委組織的專家組鑒定,經重慶市技術監督局批準為地方強制性標準,于2000年11月20日發布實施。
自此以后,重慶工程界對機制砂的認識發生了很大的轉變,相當多的重點工程,如黃花園大橋、鵝公巖大橋、嘉陵江復線橋等工程都使用了機制砂。重慶生產的機制砂逐步地替代了四川簡陽中砂,取得了顯著的社會效益和經濟效益。目前,重慶武隆江口電站、渝合、渝竹、渝黔高速公路以及重慶輕軌一號線等工程也開始大規模使用機制砂。
 
三、機制砂質量中的幾個問題
機制砂在應用中有三項主要指標備受關注:含粉量、壓碎指標和細度模數。
機制砂在生產過程中,不可避免地附帶有少量粒徑小于0.08mm的石粉。按天然砂質量標準,小于0.08mm顆粒定義為泥,而對泥的含量限制是非常嚴格的。機制砂中的石粉顯然與泥不同,大量試驗研究與工程應用實踐表明:機制砂中含有一定量的石粉對改善中低強度等級混凝土的工作性有較大的幫助,對混凝土強度幾乎沒有影響。但石粉含量較高時,對配制高強混凝土的強度有不利的影響。DB50/5017—2001《混凝土用機制砂質量標準及檢驗方法》標準規定的機制砂含粉量指標見:表1
表1                        機制砂含粉量指標                         
巖石品種
石灰巖
砂巖
混凝土強度等級
≥C40
<C40
30
含粉量(%)
≤5
≤7
≤10
 
目前,重慶多數專業機制砂廠工藝配制較完善,如雷蒙諾克、雙盈、大足都配備了旋風收集石粉裝量,或靜電收塵系統,后功、雙盈還采用水洗除粉工藝,能有效地把機制砂石粉含量控制在5%以內。幾年的應用實踐證明《混凝土用機制砂質量標準及檢驗方法》對機制砂含粉量限制指標是科學和合理的。
壓碎指標是指機制砂在外力作用下抵抗破壞的能力,是間接表達機制砂堅固性的一個重要指標。壓碎指標直接影響所配制混凝土的強度,特別對于高強混凝土的影響最大。DB50/5017—2001《混凝土用機制砂質量標準及檢驗方法》規定的壓碎指標見表2
表2                           機制砂壓碎指標                    
混凝土強度等級
≥C60
≥C30
<C30
壓碎指標(%)
≤25
≤30
≤35
 
長渝、雙盈、雷蒙諾克、后功等專業機制砂廠生產的機制砂顆粒形狀較好,加之所采用母巖強度高,壓碎試驗值一般在20~25%范圍內。試驗發現,當這些專業砂廠采用的母巖強度較差時,其壓碎指標值將增大,一般都大于25%。機制砂中的針片狀含量對壓碎值最為敏感。調查發現,針片狀顆粒含量多的產品一般均為非專業機制砂廠生產碎石篩留下的石屑,試驗壓碎指標值一般都在30%以上,有些甚至高達40%。這種石屑雖然也可以作為混凝土細集料使用,但只可限制在強度等級較低的混凝土或砂漿中使用。大量試驗表明壓碎指標值30%是一個比較明顯的分界線,小于30%的機制砂幾乎全是專業機制砂廠生產,而大于30%的砂樣大部分出自非專業或小碎石廠的石屑。
重慶市的大足、永川等地砂巖分布較廣,一種是黃砂巖,也稱泡砂石,易風化、強度低,破碎成砂后一般用于砌筑砂漿。另一種是青砂巖,強度較高,母巖強度一般在55MPa以上。用青砂巖破碎制成的機制砂,顆粒形狀好,幾乎無針片狀,試驗壓碎指標值一般在27~30%之間。混凝土試驗表明用這種機制砂配制C30混凝土是非常好的,但對于配制較高強度等級的混凝土由于試驗研究較少,使用前應進行試驗。
機制砂在生產過程中,為能除去大部分石粉,往往將0.315mm以下顆粒清除了大部分,從而造成機制砂顆粒級配不好,細度模數偏大的問題,加之機制砂棱角多,表面粗糙,單獨用于配制混凝土很難滿足其工作性要求,也不符合行業標準JGJ/T10《混凝土泵送施工技術規程》規定。針對這一 問題,重慶的工程技術人員總結出了較好的解決辦法,將機制砂與特細砂按比例混合配制成復合砂,既解決了機制砂的缺點,又可機動調整復合砂細度模數以滿足高性能泵送混凝土工作性要求,同時還降低了成本。這一方法成為重慶機制砂應用的一大特點。在應用實踐中,工程技術人員還總結出復合砂細度模數的簡化計算公式。只要測試出機制砂和特細砂的細度模數μ1、μ2和機制砂的比例β就可按公式(1)計算出復合砂的細度模數μf
                        μf=βμ1+(1-β)μ2                                              (1)
反之,也可根據所要求的復合砂細度模數μf求出機制砂的適用比例β。
                                       μf2
                             β  = ——————                                            (2)
                                          μ12
 
四、機制砂產業化中的教訓與經驗
重慶生產機制砂的企業大致分為兩種類型:其一為專業機制砂廠,或以生產機制砂為主兼生產部分碎石,這類企業年設計制砂能力約20~30萬噸,工藝裝備可靠,能夠保證機制砂質量要求,是產業中的骨干。其產品一般供應攪拌站和大型市政、公路、橋梁等工程。另一類企業為原有碎石廠通過工藝改進而成,這類企業通過將篩分后的石屑除粉后作為機制砂出售,一般制砂能力較低,產量在幾千噸到幾萬噸之間。其產品質量不如專業機制砂廠好,質量波動較大,但價格一般較低,主要用于普通混凝土配制。
重慶專業機制砂生產廠在建設過程中都經歷過程度不等的失誤和教訓,甚至付出過沉重的代價。總結其教訓和經驗,對今后機制砂產業健康發展有著很好的借鑒作用。這些經驗和教訓主要表現在以下幾個方面。
機制砂生產線工藝設計是決定投資規模、生產效率、產品成本,運行可靠性最關鍵的環節。重慶早期建設的機制砂生產線,在工藝設計上均存在一些問題,不得不在投產后又進行改造。這些問題是:工藝設計不盡合理,破碎設備選用不當或與工藝流程不匹配,篩分系統不配套,傳送系統過于復雜,設備檢修不便等。個別企業設計生產規模過大,造成投資過大,設備利用率低,直接導致后期生產成本居高不下。
制砂機的選型及使用的可靠性是保證機制砂質量的關鍵。適用于制砂的破碎設備主要有棒磨式、錘式、反擊式、旋盤式、立式沖擊破等。這些制砂機械各具優缺點。在設備選型時一定要仔細調查其規格、功率,必須與生產線的客觀環境相適應,要注意與進料粒徑、生產能力、效率相匹配。設備選型不當往往造成故障頻發,效率過低,能耗過大等問題,給以后的正常生產帶來困難和麻煩,甚至有試車就將主機打爛的先例發生。
工藝設計要因地制宜,盡可能利用地形高差,專業機制砂生產線一般采取兩級或三級破碎,要重在降低設備運行功率和成本上下功夫。原料破碎、制砂、篩分設備一定要匹配,并應考慮維修方便。重慶地區多雨,還應考慮雨天能夠正常生產。重慶現有機制砂廠多數雨天不能生產,這是個很大的設計失誤。
濕法工藝是機制砂生產的一種較好方法,可以有效防止塵污染,保證產品質量,提高生產效率,特別是不受下雨天氣的影響,可以提高設備利用率。新建廠工藝設計時建議優先考慮濕法制砂工藝。重慶后功機制砂廠和雙盈機制砂廠的濕法制砂工藝各具特色,值得借鑒。
礦山母巖的質量是決定機制砂質量的重要因素之一,《混凝土用機制砂質量標準及檢驗方法》規定:石灰石母巖的強度應不小于80Mpa。新建廠應做好礦山資源的勘察工作,礦山母巖的強度應不小于80Mpa。要避免因礦石質量差及采礦成本高對企業經營的影響,對于覆蓋土層較厚、夾層含泥較多、母巖強度較低、白云石含量較大,以及巖石分層成片狀的礦山應避免就地建廠。
機制砂生產過程將不可避免的帶來粉塵污染和對現有植被的破壞,新建廠應十分注意環保問題,必須符合重慶市政府“五管齊下”的“凈空”措施的有關規定,符合重慶市建委制定的新建采(碎)石場必須工廠化、規模化、環保型的布局方案。
   
    五、問題與展望
目前重慶機制砂生產已經成為一個新興的產業,年產量達100萬噸左右,其應用范圍逐年擴大,由最初僅限于生產C50及其以上混凝土應用,發展到現在幾乎所有等級的混凝土都使用機制砂。主城區的市政工程、道路橋梁、高層建筑、混凝土制品也大部分采用機制砂混凝土。機制砂的應用不僅對混凝土工程的質量和耐久性提高起到了保證作用,同時也為社會和企業創造出巨大的經濟效益,為重慶的建設發展,建筑技術進步作出了重要貢獻。
雖然重慶地區機制砂的開發與應用已經形成氣候,但是,目前仍然面臨很多問題。首先,重慶地區機制砂的應用量還只占很少的份額,2002年全市機制砂產量100萬t,僅僅占混凝土用砂的10%左右。其中攪拌站使用了50萬t,其它混凝土工程中的應用也在50萬t左右,
其次,機制砂應用范圍目前僅僅限于重慶主城區內的預拌混凝土生產企業,少部分預制構件廠及市區周邊一些高速公路、橋梁等工程等。主城區非預拌混凝土以及萬州、涪陵、黔江、永川等地區的混凝土工程還沒有或很少使用機制砂。
從機制砂生產廠總體布局看,現有專業生產廠全部集中在中梁山、歌樂山一帶,地理位置分布顯然不夠合理,運距較遠地區的使用成本加大,影響到使用積極性。
另外傳統的觀念和習慣也嚴重影響機制砂的開發與應用,這就需要解放思想,加大宣傳力度。希望更多的工程技術人員、企業家以及政府相關部門共同關注混凝土技術的進步,促進機制砂的進一步開發與應用。
目前,重慶專業機制砂廠產銷形勢較好,有時還供不應求。2003年年底,重慶市將有8家新建大型預拌混凝土生產企業陸續投產,機制砂的需求量將會有一個較大的增長。屆時,重慶現有機制砂的生產能力將不能滿足需要,建議在南岸、江北、巴南、渝北、北碚等區域周邊的礦山選址,建設符合市政府規劃布局要求的專業機制砂廠,以滿足對機制砂日益增長的需求。
今后數年內,重慶市基本建設規模將有更大更快的發展,建筑業技術的進步,工程質量的提高,高性能混凝土的應用,對砂石行業提出了更高更嚴的要求。目前,雖然重慶市機制砂用量還不能與天然特細砂用量相比,但這種比例在不斷的變化中,機制砂將愈來愈多地得到應用。可以預見,當三峽大壩全面竣工,長江水位達到175m高程時,機制砂將會成重慶建筑用砂的主角。
                                                                                                       作者:王自強 皮永城

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