水洗机制砂在罗阳高速的研究与应用

刘坤连

（广东省长大公路工程有限公司第三分公司，广东广州511431）

水洗机制砂在罗阳高速的研究与应用

刘坤连

（广东省长大公路工程有限公司第三分公司，广东广州511431）

近几年来，高速公路建设飞速发展，地材资源日趋紧张（尤其是河砂），已成为制约高速公路施工进度、质量、成本的关键因素之一。针对这些情况，公司利用隧道、路基石渣，自行设计、组装了一条水洗机制砂生产线，摸索出一套较成熟的机制砂生产及应用经验，取得了较好的社会、经济效益，可供类似项目参考。

洞（石）渣；水洗；机制砂；应用

前言

利用机制砂配制混凝土在国内外已有多年历史，并在工程中得到广泛应用，我国的三峡工程、黄河小浪底工程均使用机制砂配制混凝土。实际工程中，已配制出C10～C70的普通混凝土和泵送混凝土，泵送最大高度达400 m，在试验室设计强度C100的混凝土实际强度达到155 MPa。应用范围涉及无筋混凝土、钢筋混凝土、预应力钢筋混凝土、高强混凝土、超高强混凝土等，现已推广应用于交通、水利、工业与民用建筑、铁路等土木工程领域，取得了良好技术经济效益。

1　工程概况

罗阳高速公路是广东省的一条纵向省级高速公路，是怀阳高速公路的一部分。粤高速编号S51，起于阳江市海陵岛，经阳江港、阳江高新区、江城区、阳春市，止于罗定市，全长147.87 km。

由于罗阳高速沿线碎石价格较高，河砂资源缺乏且运距较远，及弃碴产生的租地、青苗补偿、防护等高额费用，结合公司施工策划，从合理利用资源、节约施工成本、保护环境的角度出发，对隧道洞碴和路基部分石方进行综合利用，将质量较好的洞渣加工为碎石，4.75mm以下颗粒加工为机制砂，检验合格后用于C40及以下混凝土工程中。

2　项目难点

（1）该项目地处岩溶地区，地勘资料不易反映隧道围岩及路基土石质实际情况，隧道、路基开挖进度、洞渣质量好坏对机制砂生产数量、质量影响较大，同时结构物施工进度对机制砂需求数量亦存在影响。因此，如何紧密结合项目进度，对机制砂场的建设及投产，洞渣堆放场地、成品砂存储场地的选择及尾砂的合理性处理等均需详细策划。

（2）洞渣来源不一、岩性相异，破碎程度及节理情况差别较大，对机制砂成品质量的影响较大，如何保证机制砂质量稳定，对试验检验工作及生产线的维护提出更高要求。

（3）与天然砂相比，机制砂的颗粒表面粗糙、级配不良，小于0.075mm的石粉含量高等缺点，如何扬长避短，对混凝土配合比设计、施工、养护等提出了新的要求。

3　机制砂生产线及施工工艺

3.1生产线的建设

机制砂采用洞渣加工场碎石生产线加工、石粉引用生产设备水洗。从机制砂生产连续性、减少材料转运损耗、节约二次转运成本等方面考虑，生产线应设在洞渣加工场旁。但由于机制砂生产的水源、环保两个关键问题须优先解决，而洞渣加工场离高车河水源较远，引水取水困难，另外洞渣加工场场地位于村道边旁不利于环保工作开展，最终生产线设置在毗邻高车河的空地处。该生产线有如下优点：

①距离项目部集中混凝土拌和站近，成品料运输及堆放便利；

②机制砂生产线远离村庄，对地方干扰少；

③毗邻现有碎石生产线；

④靠近高车河，取水方便。

机制砂生产线场地布置（图1）时还应注意如下几点：

图1　机制砂生产线平面布置

①在条件允许情况下，场地布置偏大为宜。以混凝土方量20万m³的中型土建项目为例，生产线区域不宜小于1 500m2，成品砂堆放区不宜小于2 000m2。

②设置不小于300m2沉淀池，2 m深，分六级，每级50m2，便于水的回收利用，若场地充足，可再单独设置尾砂沉淀池，采用电泵从分级沉淀池抽取至尾砂沉淀池存放，可减少人工和机械成本，也有利于尾砂回收利用时的运输。

③拌和站应单独增加4～6个机制砂料仓（存储量不小于1 000 m³），保证满足机制砂的检测周期，同时宜增大料仓底排水坡率，常规坡率为4%，建议采用8%～10%，有利于水的排除。

④场地周围须设置围栏，并显著标明严禁闲杂人等进入（特别是小孩）。

⑤其他配电设施、设备布局、运输便道等根据现场实际情况布置。

3.2设备选型

经测算，计划有效利用洞渣加工方量约1 200 m3/d，产出石粉约为400 m3/d，每日机制砂可生产量不足300 m3。从满足生产要求、节约建设成本考虑，最终引入理论500 m3/d的机制砂生产线，设备、人员配置详见表1。

表1　机制砂生产线设备、人员配置一览

实践表明，对辊制砂机实际生产效能为10～20 m³/h，在洞石渣开采高峰期一定程度制约机制砂的产出，建议后续项目采用冲击式破碎机，单机比对辊制砂机贵18万元左右，生产线成本提高10%左右，生产效率可提高100%左右。

3.3机制砂生产线施工工艺

（1）上料。石粉/瓜米石经过喂料口从输送皮带进入双层水洗振动筛。

（2）筛分。砂或石粉进入双层振动筛后，进行一次水洗机筛分，大粒径颗粒由输送带重新送回对辊机破碎，小粒径颗粒进入轮式洗砂机。

（3）水洗。进入洗砂机后，在叶轮的带动下翻滚，并互相研磨，除去覆盖砂石表面的杂质，同时破坏包覆砂粒的水汽层，以利于脱水，并继续加水，形成强大水流，将杂质及比重小的异物带走，并从溢出口排出，完成清洗作用。

（4）细料回收。细砂提取回收机主要是将被水洗带走的细料经过双泵重新收集，可调节并通过一定的比例添加到水洗砂中，改善级配及调节石粉含量。具体流程参考图2。

图2　机制砂生产流程

3.4生产线的调试与改进

经过试生产及成品检验，先后对生产线做如下调整（参考图3）：

（1）对筛网尺寸、对辊机间隙大小（弹簧松紧度）、皮带转动速度、水洗轮转动速度不断调试，砂的细度模数由最初的4.2降低至使用阶段的2.6～3.2。

（2）振动筛上增设喷淋设备，对机制砂进行初步清洗，减少洗砂机清洗负荷，能减少机制砂含泥量。

（3）增加大口径反向水管，对筛分前机制砂进行分散，提高了筛网筛分效率，提高了成品机制砂的匀质性，降低了大颗粒回收再破碎比例。

（4）细料提取机进行振动幅度和网面倾角的调整，控制细料的掺入比例，可以根据试验结果和工程实际来调整机制砂细度模数、级配和石粉含量。

（5）皮带输送出口增设小型搅拌设备，将掺入的细料充分拌合，改善成品机制砂粉料含量的均匀性。

（6）增设独立泥浆池，及时清除循环沉淀池泥浆，保证循环水洁净度，改善机制砂清洗效果，也有助于尾砂的运输。

生产线细节如图3所示。

图3　生产线细节图

3.5生产线的投产

一般情况下，在生产线调试完毕及各项管理措施到位后，只需进行常规的设备维护，机制砂批量生产过程中的质量稳定性可以保证。但由于本项目洞渣来源不一，差别较大，为保证机制砂及机制砂混凝土质量稳定，特采取以下主要措施：

（1）不同岩性、不同围岩级别洞渣坚决分开堆放。生产线场地受限时可在各隧道洞口附近另辟场地堆放，后分隧道、分围岩、分批次运至生产线加工。

（2）洞渣变化较大时加大对机制砂检测频率，若成品机制砂试验数据明显变化时应及时调整工艺参数。以山奇岭隧道洞渣为例，该洞渣为片岩，易节理，经过碎石加工生产线后4.75mm以下石屑中0.075mm档细颗粒极多，经过多次冲洗成品机制砂细度模数偏低、石粉含量过高。后采用调整筛网尺寸，清洗轮式洗砂机滤网等措施，成品机制砂符合规范要求，更换为灰岩后又重新调整到先前参数。

（3）试验员根据机制砂性质尤其是细度模数、级配及时对砂率等参数做出相应调整。

4　机制砂检验及机制砂混凝土配制、施工技术

4.1机制砂混凝土配制

4.1.1原材料的控制

（1）机制砂的级别根据混凝土设计强度等级选择，宜优先选用中粗砂，细度模数在2.5～3.3。由于机制砂加工中易造成颗粒比较集中，在加工过程中应特别注意，不宜使其颗粒太粗。太粗则混凝土浆体太少，易出现蜂窝麻面等外观缺陷，太细则增加需水量，会降低混凝土强度。

（2）机制砂中含有一定数量的石粉含量，宜作为改善中低强度特别是泵送中低强度机制砂混凝土和易性的手段。与天然砂相比，机制砂具有级配较差、细度模数偏大、表面粗糙、颗粒尖锐有棱角等特点，这对混凝土的和易性是不利的，特别是配制强度等级低的或大流动性混凝土时可引起较大泌水率，但机制砂中含有一定数量的石粉能明显改善混凝土的工作性，提高混凝土的强度和耐久性。因此，机制砂中宜保持适宜的石粉含量并进行经常性的测定，石粉含量控制在5%～10%较为适宜，本项目控制在7%左右。

4.1.2配合比设计

（1）机制砂混凝土配合比仍按JGJ 55-2011《普通混凝土配合比设计规程》中混凝土配合比的计算步骤进行计算。单方用水量、水泥用量参照规程选用，由于机制砂棱角多，石粉含量相对大，导致其需水比较大，因此相对河砂混凝土，机制砂混凝土宜掺入适量外加剂达到相同工作性，且掺量一般高出0.2%～0.4%。

（2）在机制砂级配良好、细度模数在中砂范围时，机制砂混凝土砂率与河砂混凝土基本一致（36%～42%），在保证混凝土拌和物粘聚性良好的前提下，应尽可能选取较小的砂率，以保证混凝土的弹性模量和干燥收缩。

（3）配制水灰比较大的中、低强度塑性混凝土或大坍落度混凝土时，机制砂中的石粉解决高强等级水泥配制低强度等级或大坍落度混凝土时的混凝土强度富余过大与工作性差之间的矛盾。与临近标段采用河砂浇筑结构物对比可以看出，机制砂混凝土浇筑的涵洞八字墙墙身等外观质量明显好于河砂混凝土。

4.2机制砂混凝土施工

机制砂混凝土的拌制、运输、浇筑等施工要求均与天然砂混凝土施工相同，但应注意以下几点：

（1）机制砂含有较多的石粉，在拌制混凝土过程中不易搅拌均匀，故应采用强制式搅拌机搅拌，并较河砂混凝土应适当延长搅拌时间30 s～60 s，本项目一般采用120 s。

（2）机制砂混凝土比同河砂混凝土易于液化，故机制砂混凝土要比同坍落度条件的河砂混凝土适当缩短振捣时间，以混凝土表面泛浆、气泡不再上升为度。

（3）应加强早期养生，适当延长养生时间。机制砂混凝土中粉体含量较高，早期收缩较大。因此，应注意早期保湿养护，以防止机制砂混凝土的塑性收缩和干燥收缩裂缝发生。二衬混凝土采用洒水养生，墙身混凝土采用土工布覆盖洒水养生，墩柱采用薄膜包裹滴灌养生。

4.3机制砂混凝土结构物

机制砂从项目初期投入使用至今，共计超过5 m3，主要用于C40及以下结构物的混凝土，集中在隧道二衬、涵洞、桥梁下构等部位，其中隧道二衬采用泵送混凝土。

从现场施工情况来看，机制砂混凝土施工性能良好。其中机制砂泵送混凝土极少发生堵管现象，相比以往项目泵送混凝土施工效果甚至更好，其主要原因是泵送混凝土施工发生堵管往往不是因为混凝土流动性差；恰恰相反，是因为混凝土流动度大而离析，而机制砂的较高石粉含量使得混凝土在较大流动度时依旧保持良好的粘聚性而不发生离析，减少了堵管的发生。

从混凝土试块强度和回弹强度结果来看（见表2），机制砂混凝土浇筑的结构物强度均满足设计要求。极少数构件强度富余不足，其主要原因是溶岩地区围岩变化频繁，夹层夹泥在洞渣甄选时很难完全剔除而导致机制砂局部软弱颗粒多、含泥量偏大。建议混凝土配合比设计阶段适当降低水灰比以保证更大的富余系数，C35以下混凝土宜降低0.02～0.05，C35以上混凝土宜降低0.01～0.02。

表2　混凝土强度统计

4.4尾砂处理

经测算，每生产1 m3机制砂，产生尾砂0.4 m3左右，如此大方量的尾砂，如果处理不当，会对环境造成一定影响。水洗法生产机制砂，产生的尾砂多呈流态，不易运输，给尾砂处理带来一定困难。经过多种尝试，大致有以下几种方式处理：①出售至水泥厂；②桩基施工利用；③晾晒填埋。具体如下：

（1）生产线周围20 km范围内若有水泥厂，可将尾砂出售至水泥厂，此方法具有较好的社会效益和经济效益，应优先考虑。出售利润可回收15 km左右的运输费，距离过长会显著增加处理成本。

（2）可与块石、粘土共同使用作为桩基施工造浆材料或溶洞回填处理材料，但不宜单独使用，试验表明，较好的造浆粘土液限一般在55以上，而尾砂的液限在30～40之间。通过对尾砂及3座大桥桩基现场粘土（来源不同）造浆的泥浆比重、粘度与含水量的研究结果表明，无论是尾砂还是3种粘土，泥浆比重、泥浆粘度与含水量均呈现较好的线性关系，泥浆粘度与泥浆比重也有较好线性关系式，因此通过尾砂、粘土合适的比例搭配使泥浆比重和粘度达到预期值具有可操作性。经现场试验，一般优质粘土可掺入1/4～1/2的尾砂，获得比重1.4左右、粘度大于25 s的泥浆，满足一般情况下冲桩要求。溶洞回填粘土可参照上述比例掺入尾砂，比例过大会影响堵漏效果。此方法一般适用于粘土稀缺、溶洞回填量大等情况下的桩基施工，特长桩、砂卵石地质等情况下则不宜使用。

（3）参照桩基施工沉渣处理方式，翻平、晾晒、桥墩处填埋。禁止用于路基填筑。上述3种方式均需尾砂在尾砂沉淀池陈放至塑状

后装载运输，其中前者还需另辟场地晾晒至接近干燥状态后运输。

机制砂混凝土施工照片如图4所示。

图4　机制砂混凝土施工照片

5　结语

在一年多机制砂的生产和使用过程中，机制砂成功应用于混凝土结构物，未出现质量问题，取得了良好的经济、社会效益。为项目部和劳务工班缓解了现金采购河砂的资金压力，并在一定程度上压抑了当地的地材价格，避免出现河砂短供而影响项目施工进度，为公司同类隧道施工项目拓展赢利点提供了参考，具有较强的指导性和广泛的应用前景。

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A Study and Application of Water Washed-out Mechanism Sand in Highway Luoyang

LIU Kun-lian
（The 3rd Branch of Guangdong Province Changda Highway Engineering Co.Ltd.，Guangzhou 511431，China）

With the rapid development of highway construction in recent years，the shortage of construction material （especially river sand）has become one of the key factors which greatly influence the construction schedule，quality and the cost.To overcome these difficulties in highway construction，our company designed and assembled a production line of washed-out mechanism sand based on the tunnel and roadbed slag stone.A mature technical system for washed-out mechanism sand production has formed，and the application practice has reaped fairly good social and economic returns，providing references for highway construction of similar projects.

slag stone；washed-out；mechanism sand；application

U414.1+8

A

1671-8496-（2016）-03-0018-06

2016-06-01

刘坤连（1989-），女，助理工程师

研究方向：土木工程