那些因素在影響砂石企業(yè)盈利？楊安民的這篇論文有啟發(fā)！

發(fā)布日期：2023-11-29   瀏覽次數(shù)： 135 次

那些因素在影響砂石企業(yè)盈利？楊安民的這篇論文有啟發(fā)！

編者按：中國砂石協(xié)會定于2023年12月5日—7日，在中國上海召開第八屆中國國際砂石骨料大會（點擊了解）。本次大會在砂石行業(yè)內(nèi)廣泛征集了學術論文，今日，中國砂石協(xié)會融媒體中心推出楊安民、李彬、熊浩撰寫的《砂石骨料在混凝土中的研究進展》一文，以饗讀者。本文詳細介紹了人工機制砂代替天然砂石骨料制備環(huán)?；炷恋淖钚卵芯砍晒?，并從和易性、力學性能、耐久性和微觀結構性能對環(huán)?；炷恋男阅苓M行了闡述。本文還對砂石礦山的區(qū)域位置、產(chǎn)品的品質(zhì)及生產(chǎn)線的工藝等對企業(yè)盈利的影響進行了探討。砂石骨料在混凝土中的研究進展楊安民1，李彬2，熊浩2（1. 上海山美環(huán)保裝備股份有限公司，上海，201414 2.洛陽理工學院，洛陽 471023）

【摘要】河砂是用于制造混凝土和砂漿的細骨料的重要材料之一。由于河沙開采變得越來越困難，建筑行業(yè)砂石骨料的需求不斷增加。為滿足日益增長的需求和保護環(huán)境需要，在混凝土中使用機制砂代替細骨料將是一種十分有前景的方法。固體廢物經(jīng)粉碎后可以有效地替代混凝土中的天然砂石骨料。本文主要綜述了利用人工機制砂代替天然砂石骨料制造各種等級環(huán)?；炷恋南嚓P文獻，并從和易性、力學性能、耐久性和微觀結構性能等方面報道了不同的環(huán)?；炷恋男阅?。這將很好地讓廣大讀者了解近期科研人員在混凝土中使用機制砂和再生骨料的相關研究工作。【關鍵詞】砂石骨料；再生骨料；固廢利用；混凝土

Research on the application of sand and stone aggregate in concrete

Yang Anmin1, Li Bin2, Xiong Hao2

(1. Shanghai Sanme Mining Machinery Corp., Ltd., Shanghai, 201414

2.Luoyang Institute of Science and Technology, Luoyang 471023)

Abstract: River sand is one of the important materials used in the manufacture of fine aggregates for concrete and mortar. As river sand mining becomes more and more difficult, the demand for sand aggregate in the construction industry is increasing. In order to meet the growing demand and protect the environment, the use of manufactured sand instead of fine aggregate in concrete will be a very promising method. After grinding, solid waste can effectively replace natural sand and stone aggregate in concrete. This paper mainly reviews the relevant literature on the use of artificial sand instead of natural sand aggregate to produce various grades of environmentally friendly concrete, and reports the performance of different environmentally friendly concrete in terms of workability, mechanical properties, durability and microstructure properties. This paper will be a good way to inform readers of recent research on the use of manufactured sands and recycled aggregates in concrete.

Keywords: Sand and stone aggregate; Renewable aggregate; Utilization of solid waste; Concrete

1.引言砂石骨料是混凝土的重要組成部分，約占混凝土體積分數(shù)的60%以上，廣泛應用于基礎工程建設中。隨著天然砂石的大量開采，河道里的沙石資源變得越來越少，而且開采成本也較高。因此，基于建筑固體廢棄物粉碎制備可再生砂石骨料用于混凝土的研究具有重要意義。本文結合近幾年砂石骨料在混凝土中的應用情況，總結一些相關科研工作者的研究成果。將建筑垃圾、廢尾礦等固體廢物粉碎后得到的可再生砂石骨料在混凝土中的利用進行歸納和總結。

2. 混凝土骨料發(fā)展現(xiàn)狀砂石骨料是第二大天然消耗材料。2019年全球的砂石骨料總產(chǎn)量約為500億噸，其中中國的砂石骨料約有200億噸，占全球總產(chǎn)量的進一半。印度的砂石骨料總產(chǎn)量約為50億噸，排名第二。美國砂石骨料總產(chǎn)量約為25億噸，同比增長近5%，總產(chǎn)量排名世界第三[1]。2020年中國混凝土行業(yè)上半年產(chǎn)量約為12億立方米，前九個月的累積總產(chǎn)量約為20億立方米，全國混凝土總產(chǎn)量與2019年持平[2]。但是目前房地產(chǎn)不景氣，基建投資不如預期，混凝土企業(yè)開工率不足50%，部分區(qū)域甚至不足30%，市場競爭逐漸進入白熱化。與此同時，大型水泥、建材、城投企業(yè)紛紛踏足砂石產(chǎn)業(yè)，砂石產(chǎn)能集中度不斷提高，眾多大型綠色砂石礦山項目相繼落地。面對砂石市場供需失衡、產(chǎn)能過剩，砂石價格一跌再跌的市場困境。決定企業(yè)是否具有競爭力的關鍵是保證品質(zhì)的情況下節(jié)約成本。

決定成本的首要因素是礦山的區(qū)域位置，在排除區(qū)域位置干擾的前提下，產(chǎn)品的品質(zhì)及生產(chǎn)線的工藝就會成為企業(yè)盈利的關鍵。

3. 砂石骨料生產(chǎn)成本控制

近年來，很多企業(yè)把重點放在綠色環(huán)保上，在礦山生態(tài)環(huán)境建設方面投入巨額資金，忽視了砂石生產(chǎn)線的設計和建設不合理這一重要問題，導致項目生產(chǎn)運營費用過高。在施工過程中對施工質(zhì)量進行控制，主要控制混凝土拌和、混凝土運輸入倉、混凝土澆筑和混凝土振搗作業(yè)過程[3]。通過制定混凝土骨料的產(chǎn)品質(zhì)量等級和市場價格，可以有效提升混凝土砂石骨料的市場競爭力。采取的措施包括，粒徑尺寸控制、含砂量大小等[4]。對于不同類型的礦山和地域市場需求多樣化特點，制砂工藝的選擇尤為重要。有針對性的分析礦山母巖的物理化學性質(zhì)，再結合企業(yè)產(chǎn)品的市場定位，量身定制的工藝方案，既可以用技術來保障產(chǎn)品品質(zhì)，又可以在設計階段就做好生產(chǎn)成本的預設和把控。

對礦山母巖制備砂石骨料的生產(chǎn)流程進行設計，對礦山母巖進行物理化學分析后，設計出有針對性的生產(chǎn)方案，通過兩級、三級，甚至四級破碎方案，保障各工藝段具有合理的破碎比，進而保障合理的能耗值和產(chǎn)品結構，如圖1所示。還要對砂石骨料產(chǎn)品進行優(yōu)化設計，針對高品質(zhì)骨料的級配、粒型等核心要求，工藝設計圍繞以上核心點進行產(chǎn)品優(yōu)化設計，有選擇的“多篩少破”和整形，提升產(chǎn)品品質(zhì)。同時保證砂石骨料的破碎工藝簡潔，設備使用、維護方便，操作簡單、維修方便的“傻瓜機”是骨料生產(chǎn)線第一選擇。此外，還要求建材設備數(shù)量要少，型號盡可能統(tǒng)一。因為設備數(shù)量少，故障點減少，土建費用也會相應降低。型號統(tǒng)一，備品備件費用低，管理方便。最后還要求設備運轉(zhuǎn)率高，對于砂石骨料生產(chǎn)線來說，最核心的指標是運行穩(wěn)定，高運轉(zhuǎn)率高意味著高效能，低成本。

圖1 某建材項目機制砂工藝流程

Fig. 1 Sand aggregate production process of a building material project

4. 再生砂石骨料混凝土

王承軍等[5]在利用銅尾礦制備機制砂的過程中發(fā)現(xiàn)，對銅礦區(qū)域的廢石不需要進行區(qū)分可直接利用，同時銅尾礦廢石還具有優(yōu)異的力學性能，用銅尾礦廢料制備的機制砂可滿足混凝土骨料的強度要求。唐迎杰等[6]用鐵尾礦廢石制備的機制砂完全代替天然砂石，制備了鐵尾礦砂石骨料的混凝土，并研究其工作性、力學性能和耐久性。研究結果表明：鐵尾礦骨料混凝土的抗氯離子滲透性能、抗碳化性能、抗凍性能及抗硫酸鹽侵蝕性能與天然砂石骨料混凝土都十分接近。張道平[7]嘗試用煤礦中的煤矸石替代天然砂石骨料，對煤矸石的骨料類型和替代比例進行實驗設計，并對煤矸石骨料混凝土的物理特性、工作性能和流動性進行研究發(fā)現(xiàn)：煤矸石粗骨料相比于其細骨料對混凝土產(chǎn)品的影響更加顯著。王衛(wèi)娟[8]用建筑垃圾制備再生砂制備綠色混凝土，建筑垃圾再生砂粉的含量占混凝土的比例為70%，其制備的輕質(zhì)混凝土及制品實現(xiàn)了節(jié)能低碳生產(chǎn)。申洪波等[9]對沙千水庫拱壩的混凝土砂石骨料進行試驗和分析，通過對壩址區(qū)巖屑石英砂巖的系列試驗分析發(fā)現(xiàn)：采用沙千水庫當?shù)厣皫r料加工大壩填筑混凝土砂石骨料的方案具有較高的合理性，而且大壩混凝土的技術參數(shù)、工程適應性好，對拱壩進行混凝土填筑后大壩整體安全性較高。

湯小文等[10]研究了水工混凝土中粗細骨料對混凝土性能的影響，發(fā)現(xiàn)碎石骨料的粒型的均勻性、形狀、顆粒級配等因素可以提高混凝土中骨料的堆積程度，降低孔隙率，減少水泥砂漿的填充用量，這大大降低了水工混凝土的生產(chǎn)成本。吳躍文[11]也研究了砂石骨料對混凝土性能的影響，對砂石骨料的成分進行分析，并對混凝土的組分、結構、材料進行了分析，闡述了提高砂石骨料品質(zhì)的要點和方法。申明娟[12]研究了砂石骨料中石粉的含量對混凝土工作性能、耐久性和力學性能的影響。研究結果表明：混凝土中水泥砂漿的流動性隨石粉含量的增加而降低，混凝土的干縮率和抗壓強度隨石粉含量的增加而增大。孟書靈等[13]設計了混凝土骨料級配優(yōu)化方案及評價方法，針對混凝土進行細骨料級配優(yōu)化，有效地改善了混凝土的工作性能和力學性能。劉云鵬等[14]對特種骨料混凝土進行了綜述分析，重點對輕骨料混凝土、重混凝土以及再生骨料混凝土三類特種骨料混凝土的研究進展與發(fā)展趨勢進行總結，介紹了特種骨料的性質(zhì)、混凝土界面過渡區(qū)結構與混凝土施工性能等方面的技術現(xiàn)狀。上述這些砂石骨料混凝土的研究對土工混凝土的未來發(fā)展方向具有一定的指導意義。Zhang等[15]制備的珊瑚-海水-海砂混凝土的形貌如圖2（a）所示，珊瑚-海水-海砂混凝土在壓剪復合作用下的力學性能如圖2（b）所示。設計了54個混凝土試件進行剪切試驗，考慮了不同的正應力比、養(yǎng)護齡期和不同骨料類型等參數(shù)。通過觀察試件在壓剪應力聯(lián)合作用下的損傷形態(tài)，得到了珊瑚-海水-海砂混凝土的剪切應力-位移曲線。此外作者分析了不同正應力比對珊瑚-海水-海砂混凝土試件抗剪強度、峰值剪切位移和損傷演化模式的影響。Zhang等還提出了兩種更能反映壓剪聯(lián)合作用下CSSC抗剪強度的破壞模型，建立了不同法向應力比下的珊瑚-海水-海砂混凝土的壓剪損傷本構模型。

圖2 （a）珊瑚-海水-海砂混凝土的表面形貌[15];(b) 珊瑚-海水-海砂混凝土的剪切強度和位移關系圖[15]

Fig. 2 Surface disruption morphology of coral seawater sea sand concrete[15]; (b) Shear stress-displacement curves of coral seawater sea sand concrete under Normal stress ratio[15].

Graziano等[16]通過使用工業(yè)廢物陶瓷拋光渣、廢玻璃作為輕質(zhì)膨脹混凝料來生成輕質(zhì)混凝土骨料，如圖3所以。然后將這種輕質(zhì)骨料在中試規(guī)模實驗中用作粗骨料制備輕質(zhì)混凝土和多孔混凝土，以實現(xiàn)在結構、隔熱和隔音方面的應用。輕質(zhì)混凝土的技術性能符合輕量化結構混凝土抗壓強度大于25MPa，實驗中制備的泡沫混凝土測得的熱導率范圍在18~24 W*m-1K-1之間，滿足混凝土的標準要求。

圖3 工業(yè)廢陶瓷制備的輕質(zhì)混凝土骨料形貌

[16].Fig. 3 Morphology of lightweight expanded aggregates[16].

Jadon等[17]采用天然骨料設計了兩種設計混合料。用再生粗骨料代替天然粗骨料，用石粉代替天然河砂，得到了0~100%的等效混合料。通過添加不同劑量的高效增塑劑，不同混料的坍落度值大致相同。評估了混凝土在硫酸鹽侵蝕和高溫下的耐久性。試驗結果表明，利用這些廢棄物制備優(yōu)質(zhì)混凝土具有良好的前景。研究還發(fā)現(xiàn)，以再生混凝土骨料為粗骨料、石粉替代河砂40%的混凝土在強度和耐久性方面取得了較好的效果。Yang等[18]研究石粉摻量對機制砂混凝土碳化性能的影響，以提高機制砂混凝土的耐久性，促進機制砂的應用。用不同石粉含量的機制砂混凝土測試了碳化深度、孔隙溶液pH和鋼筋的半電池電位。利用掃描電鏡分析了機制砂混凝土碳酸化的機理，實驗流程如圖4所示。實驗結果表明，隨著石粉含量的增加，鋼筋碳化深度和腐蝕概率先減小后增大。機制砂混凝土孔隙溶液的碳酸化深度和pH可劃分為完全碳酸化帶、部分碳酸化帶和非碳酸化帶。當石粉含量為7%時，在不同碳化年齡下，碳化深度達到最小值，螺紋鋼半胞電位達到最大值，部分碳化帶的末端深度和長度達到最小值。碳化年齡為120 天且石粉含量超過7%時，鋼筋半電池電位僅處于中概率腐蝕區(qū)，其余情況均處于低概率腐蝕區(qū)。電子顯微圖像表明，低石粉含量通過物理充填和化學反應增加混凝土密度。然而，高石粉含量降低了混凝土的工作性能，增加了混凝土成型后的孔隙率。因此，綜合評價石粉的碳化性能時，石粉的最佳摻量為7%。

圖4 石粉摻量對機制砂混凝土碳化性能的影響研究概略圖[18].

Fig. 4 Study on the influence of stone dust content on carbonation performance of manufactured sand concrete[18].

Shen等[19]以河西-百色高速公路工程為例，對數(shù)字控制機制砂清潔生產(chǎn)和再生石粉生態(tài)利用進行了研究。該新型生產(chǎn)系統(tǒng)不僅可以生產(chǎn)出高質(zhì)量的制砂，還可以回收廢石粉，減少環(huán)境污染。與普通制砂相比，數(shù)字控制機制砂具有更合理的級配、可修改的顆粒形狀和可調(diào)節(jié)的石粉含量，這將大大簡化數(shù)字控制機制砂的生態(tài)應用。對不同工程配合比下細骨料類型和石粉摻量的性能進行了評價。結果表明:與普通機制砂混凝土相比，摻數(shù)字控制機制砂混凝土的工作性能平均提高16.19%，強度平均提高7.1%，并具有優(yōu)異的抗氯離子滲透性能。數(shù)字控制機制砂的應用也降低了混凝土中水泥和補充膠凝材料的含量。再生石粉全面應用于制砂的數(shù)字化控制清潔生產(chǎn)。實現(xiàn)了廢石、廢石、廢塵、廢漿等固體廢物的零排放，取得了顯著的經(jīng)濟效益和生態(tài)效益。Miah等[20]用高達75%的廢輪胎細骨料代替砂制備的混凝土的機械強度、收縮率、耐久性和結構性能。實驗結果表明，隨著廢輪胎細骨料含量的增加，坍落度、干密度和機械強度均降低。當廢輪胎細骨料含量為75%時，混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度分別降低了71~77%和59 ~62%。當廢輪胎細骨料含量為75%時，楊氏模量下降約71~77%。相比之下，75% 廢輪胎細骨料的梁的抗彎承載力下降了約63-69%。100天的收縮率試驗顯示，廢輪胎細骨料在20%以下時混凝土沒有明顯的收縮率。統(tǒng)計分析顯示，在混凝土中摻入廢輪胎細骨料對機械和耐久性性能沒有顯著影響。結果表明，在許多設計強度不高的結構混凝土中，20%的廢輪胎細骨料可以用作河砂的替代品。Jeyanthi等[21]將廢鑄造砂和花崗巖廢料作為混凝土的替代材料。選擇了高強混凝土標號M50，并確定了其配合比。將廢鑄造砂部分置換為細骨料。按細骨料重量計算，廢鑄造砂部分替代率分別為5%、10%、15%、20%、25%、30%。研究者將廢花崗巖的比例固定為20%。以20%花崗巖廢料為原料，采用不同比例的廢鑄造砂澆筑混凝土立方體和圓柱體。對部分置換混凝土試件進行了抗壓強度試驗和劈裂抗拉強度試驗?；旌虾蟮幕炷撂钚阅芘c市售混凝土相當。因此，廢鑄造砂和花崗巖廢料可以作為建筑領域較好的建材替代品。Pavithra等[22]在機制砂中加入采石場石灰粉后，研究自固結混凝土的流變學、力學和耐久性性能。實驗配制了五種不同的機制砂混合物，水灰比為0.40，水泥含量為490 kg/m3。這些混合物樣品中以不同的比例用破碎的石灰石代替破碎的沙子。利用流變儀對所獲得的機制砂混合料進行坍落度流動試驗、漏斗流動時間試驗、抗偏析試驗和流變試驗。在28天的養(yǎng)護期結束時，對機制砂混合物的抗壓、抗拉和抗彎強度進行了評估。結果表明：提高細灰?guī)r在機制砂混合料中的替代量，可以降低坍落度流動和屈服應力，并對優(yōu)化配合比下的第7天和第28天立方體進行了掃描電鏡和X射線衍射分析。通過圖像對混凝土的顯微結構分析，并測試其抗壓強度。所有的機制砂組合混凝土試驗品都具有較好的填充和通過能力，并且沒有發(fā)現(xiàn)任何分離現(xiàn)象。使用石灰石粉代替碎砂還可以減少混凝土內(nèi)部毛細血管吸收的水量，阻止氯離子的移動，從而提高混凝土的性能。

5. 展望

與天然砂石充當混凝土骨料相比，可再生砂石在環(huán)境和經(jīng)濟兩方面都具有重要意義。大量的研究表明眾多固廢粉碎后作為可再生骨料在混凝土制品生產(chǎn)過程中都有著巨大的應用潛力。

機制砂生產(chǎn)設備——樓站式機制砂生產(chǎn)系統(tǒng)，在生產(chǎn)加工機制砂過程中具有一定的代表性。以上海山美環(huán)保裝備股份有限公司為例，該公司開發(fā)設計的建材粉碎裝備，定制型S系列精品樓站式機制砂生產(chǎn)系統(tǒng)已用于2022年投產(chǎn)的華潤水泥的上思、田陽、武平骨料生產(chǎn)項目。該機制砂生產(chǎn)裝備采用干法生產(chǎn)工藝和樓站式全封閉布，集高效制砂、粒型優(yōu)化、石粉控制、級配調(diào)整、含水率控制、環(huán)保處理于一體，所得精品機制砂粒型佳、分計篩余合理，級配完全符合國標《建筑用砂》（GB/T 14684-2022）II區(qū)中砂要求。該機制砂生產(chǎn)系統(tǒng)用于商品混凝土生產(chǎn)中，不僅可以改善混凝土性能，還能大幅降低混凝土的綜合生產(chǎn)成本。

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來源：第八屆中國國際砂石骨料大會論文集

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2023年11月29日