摘要：本文通過總結國內外研究結論與《世邦機器骨料優化項目》5年多的研發成果，探討混凝土與砂的關系、傳統制砂工藝的局限及新型制砂方案的優勢，為骨料、水泥、混凝土產業鏈的整合研究提供參考，希望為骨料產業的發展提供一種新的思路。
中國砂石骨料網于5月22日-24日在黃山市主辦“2014中國砂石骨料行業技術發展論壇”盛大召開并圓滿落幕。為配合本次論壇，中國砂石骨料網還向全行業和相關單位征集有關經驗交流材料并匯編成冊，旨在幫助砂石企業及上下游行業企業制定發展戰略，開展技術創新，提高產品質量，推動砂石行業技術進步及健康穩定發展。材料匯編得到了相關行業企業的大力支持，涌現出許多優秀的論文，對行業發展有良好的借鑒作用。
以下為上海世邦機器有限公司范桂鋒、方立波的《骨料產業的新模式以VU系統生產高品質機制砂 》，原文如下：
1、引言
行業統計數據顯示，近年來砂用量超過50億噸，產業規模達5000億。然而，天然砂受資源總量、分布和季節限制，加之政策限采，由此產生了供應不足、價格攀升、運輸成本高、質量波動大等問題，大部分地區已出現供需矛盾激化的現象。由此，機制砂受到了前所未有的關注和追捧，發展機制砂已成行業共識。另一方面，人們對砂的認識仍不夠深入，對砂的性能指標及其對混凝土的影響重視程度不足，而現有的制砂設備和方案水平參差不齊，不利于骨料產業的轉型升級。
因此，本文通過總結國內外研究結論與《世邦機器骨料優化項目》5年多的研發成果，探討混凝土與砂的關系、傳統制砂工藝的局限及新型制砂方案的優勢，為骨料、水泥、混凝土產業鏈的整合研究提供參考，希望為骨料產業的發展提供一種新的思路。
2、機制砂的核心工藝指標
混凝土是由膠凝材料和水，粗、細骨料（砂）按一定比例配制而成的混合物，經攪拌、搗實、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%，對混凝土的性能和配制成本影響顯著。詳細討論砂石對混凝土的影響規律已經超出本文的范圍，但工程經驗及我們與多家混凝土企業的聯合實驗證明，混凝土（砂漿類似）用機制砂的核心工藝指標是：級配、粒型和含粉(泥)量。
圖1.混凝土微觀組織圖(砂石約占混凝土體積70%)
總體而言，級配和粒型綜合影響砂的空隙率、比表面積和流動性能（其示意關系如圖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，增大拌合物的流動阻力，因此需要更多的水泥漿去填充、包裹和產生流動性。級配組成中0.15-0.6mm部分的細砂，可以有效填充拌合物的空隙，并充當潤滑中心，降低流動阻力，利于優化混凝土配比。
圖2.級配和粒型對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，以免在拌合過程中發生吸附反應和活性反應，破壞混凝土的性能。但石粉含量應根據實際情況進行靈活調節，對裹挾泥粉、礦物組分活性高的石粉，應嚴格控制；對剝離干凈、成分無害的石粉，可放寬標準。通過亞甲藍值測試可對砂的潔凈度進行評價，同時確定其石粉的活性和可采用范圍。
實際上，傳統工藝所產成品砂難以完全符合以上工藝指標，其與優質機制砂的差異甚至可通過目測進行初步區分，如圖3所示。取樣自普通沖擊破生產線的花崗巖機制砂，粗顆粒過多、針片和尖角多、表面附著粉（泥）多；取樣自VU系統的河卵石機制砂，粗細均勻、粒型飽滿圓潤、表面潔凈。
圖3.普通機制砂(左，普通沖擊破成品)與優質機制砂(右，VU系統成品)對比圖
3、傳統制砂工藝的局限
傳統機制砂性能不足主要是由制砂工藝不合理造成的，主要表現為以下兩點：
1、破碎工藝單一，甚至采用擠壓式破碎機作為終碎設備。從破碎原理來看，常見的制砂設備可分成擠壓式破碎和沖擊式破碎兩類。諸如顎破、圓錐破、對輥破、錘破等擠壓式破碎設備，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，且磨損后不能產生穩定的級配，一般不能作為制砂終段設備。相反，沖擊式破碎設備，特別是VSI沖擊破，能產出粒型基本達標的成品砂，屬于比較合理的制砂設備選型。但單一采用傳統沖擊破制砂，其成品表面棱角仍過于尖銳，且石粉含量過高、0.15-0.6mm細砂含量過低(如圖4所示)，難以滿足高標準用砂的需求。
2、篩選工藝單一，調控困難，效率較低。以最常見的濕法生產工藝為例，這種工藝通過振動篩控制砂的最大粒徑，通過洗砂機去除泥、粉。如果篩分設置合理，水洗徹底并配置細砂回收裝置，該工藝也可生產出合格的中低標準砂。但這種篩選工藝無法改變沖擊破出料細砂含量過低的問題，同時，即使配置細砂回收裝置，水洗也難免帶走較多的細砂，使成品砂級配更加不合理(如圖4所示)。另外，整套篩選工藝除了更換篩網尺寸以外，調控空間小，同時存在損耗大、易堵塞、效率低、用水量大、污水淤泥處理困難等問題。
圖4.傳統制砂工藝下多種機制砂級配的統計分布情況（難以符合二區分布）
4、VU干式制砂方案的技術特點
針對傳統制砂工藝的局限，世邦機器結合自身13年的制砂行業經驗和5年專項研發成果，在破、磨、選三大技術領域上取得突破，推出VU系列骨料優化系統，可解決優質機制砂的生產難題。
破碎增壓技術：VU型沖擊破（針對VU系統定制設計）加大了拋料和碰撞頻率，增設搓磨破碎裝置，相對于目前業內常規沖擊破，一次通過成砂率和細砂產率可提高10%以上，同時能進一步改善砂子粒型。
低能量破碎整型技術：VU粒優機（針對VU系統定制設計，可進一步優化粒型的機器）模仿天然砂形成過程中的水流沖刷作用，強迫物料形成瀑落磨刷運動，可去除砂顆粒表面的毛刺和棱角，而脫落的碎片成為珍貴的細砂，進一步改善成品的級配。
一體化干式篩選技術：?？睾Y（針對VU系統定制設計，細度模數可控的篩分機）整合了成熟的破碎篩分和磨機空氣選粉技術，在全封閉腔體中，利用空氣負壓和機械振動的作用，可同時完成除粉和篩分的任務。通過調節風量、流道等，可實現在線較精細的調節，使成品砂的細度模數在2.3-3.0間可控可調。
我們通過兩個塔樓結構將上述主要設備和其他輔助設備連接起來，其工藝流程圖和三維效果圖如圖5所示。原料經過VU型沖擊破破碎整型后，在?？睾Y和除塵模塊作用下分成三路：石粉、返料和準成品砂。石粉通過除塵模塊后統一儲存在粉礦倉中，準成品砂進入粒優機進一步整型，經加濕攪拌（可選）后完成加工過程。值得一提的是，VU系統實現了全流程PLC集中控制和負壓防塵設計，自動化程度和環保指標突出。
圖5.VU系統工藝流程圖(左)和三維效果圖(右)
5、VU干式制砂方案的成效
位于江蘇啟東的VU系統示范線（圖6）于2013年12月正式完成搭建和調試，其成效完全達到我們的設計目標。生產線通過圖形化觸摸屏控制，簡單高效；負壓防塵設計十分成功，運轉過程無可見揚塵；各主機設備運轉正常，至今無異常記錄。
圖6.江蘇啟東VU系統示范線
第三方機構檢測結果顯示，VU系統所產成品砂在級配、粒型和含粉（泥）量三大指標上表現出色。如圖7所示，VU砂級配不但符合二區中砂分布，且0.15-0.6mm細砂含量高，<0.15mm細粉比例小，級配曲線位于二區中值附近，是常見混凝土用砂的“理想”級配。如圖8所示，VU砂粒型圓潤，表面棱角、毛刺最大程度地減少，表面潔凈，亞甲藍值<0.5。另外，現場根據不同需求，在不更換任何硬件的情況下，實現了細度模數從2.3-2.9、含粉量從5-13%之間的調控。實驗表明，VU砂完全符合混凝土用砂的標準，可有效提高其強度、工作性，并能節省水泥，性能媲美天然中砂。特別是，VU砂的性能指標十分穩定，這點對混凝土配合比設計和應用的重要性不言而喻。
圖7.VU砂可達到二區中值“理想”級配
圖8.相對于普通機制砂，VU砂粒型圓潤、表面潔凈
6、VU干式制砂方案的應用價值
VU系統可適用于石灰石、河卵石、花崗巖等不同巖性原料制砂，所產成品砂在級配、粒型和含粉(泥)量等性能指標出眾，可明顯提高機制砂的價值，解決混凝土用優質砂供應不足的問題，為骨料產業帶來以下兩種新的模式：
攪拌站、干混砂漿、制品工廠等可自行配套制砂：VU系統塔樓式的布置形式、全環保設計、自動化控制等特點，符合下游用砂產業的需求，使其可增加集成制砂環節，解決優質砂的來源問題，保證攪拌站和砂漿系統的穩定運行，利于優化配合比，做出低成本、高性能的混凝土產品。
砂石場或骨料礦山可供應高品質機制砂：VU系統可單獨作為完整生產線處理小碎石，也可作為其中一個模塊，與其他成熟的破碎設備配合，處理不同粒徑的物料。配套VU系統后，砂石場或骨料礦山可供應高價值的優質砂，調節礦山各品類成品的比例，使其可滿足混凝土全部骨料使用的需求，在原有的渠道和管理下明顯增加銷售額和市場競爭力。
7、結論
混凝土用機制砂對級配、粒型和含粉(泥)量等工藝指標提出了較高要求，VU系列骨料優化系統可以解決傳統工藝破碎和篩選單一的問題，以環保、智能、可調控的干法工藝生產出高品質的機制砂。在用砂需求持續高漲、天然砂供應不足的背景下，VU系統所帶來的新工藝和優質成品砂，可為骨料產業帶來新的模式和應用價值。
（上海世邦機器有限公司范桂鋒、方立波）
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