隧道洞渣制备机制砂的细度模数控制系统研究与应用

林 靖，任 阳，郑 军，周 磊，高旭东，姜世霖，王 肖，汪 峥

（1.中铁工程服务有限公司，四川 成都 610083；2.川藏铁路技术创新中心有限公司，四川 成都 610213；3.中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610083）

0 引 言

机制砂是指由机械设备破碎、筛分等工艺制成的粒径小于4.75 mm的岩石颗粒，主要性能参数包括颗粒形状、级配、细度模数以及石粉含量、含泥量、压碎值指标等[1]。近年来，随着国内外建筑、市政工程、铁路、隧道等建设的飞速发展，机制砂作为天然砂的一种替代资源已占据越来越重要的地位[2-3]。面对天然砂石骨料的短缺，我国在20世纪中期开始对机制砂产品进行研究与应用，最早应用于水利水电建设中，后期的应用越来越广泛[4]。目前，隧道建设过程中需要大量的砂石骨料，而隧道洞渣岩石特性多变[5]，生产出的成品机制砂细度模数波动大。因此，在利用隧道洞渣制备机制砂时，有必要对隧道洞渣制备机制砂的细度模数控制进行研究，从而缓解隧道建设过程中砂石骨料短缺和降低工程造价需求。

国内外学者针对机制砂级配对混凝土的影响，以及隧道洞渣制备机制砂和机制砂质量控制等方面开展了大量的研究，取得了丰硕的研究成果。在机制砂细度模数对混凝土的影响方面，从不同侧重点分别就主要参数对混凝土性能的影响规律展开了研究，并提出了控制标准建议值[6-8]。庄绍牧[9]研究了机制砂细度模数的变化对堆积密度、混凝土工作性、力学性能的影响。刘波[10]研究了人工砂的细度模数，通过降低人工砂的空隙率及表面积，可以调节混凝土的和易性，减小了混凝土裂缝的产生。吴立红等[11]研究了砂子细度模数的不同对混凝土和易性的影响，得出细度模数每减小0.1，坍落度就降低约10 mm。吴永根等[12]研究得出细度模数对道面混凝土性能的影响规律，确定适合机场道面混凝土用砂细度模数范围。SHEN等[13]参照富勒曲线调整机制砂颗粒级配，研究了现颗粒级配对机制砂混凝土工作性能和抗冻性能的影响。KUMAR等[14]研究了细集料级配，得出保持机制砂较细组分和较粗组分的适当级配，自密实混凝土能达到预期的耐久性特征。因此，控制机制砂颗粒级配是提高机制砂性能的关键因素。

在隧道洞渣制备机制砂和机制砂质量控制等方面，邓涛[15]通过工艺优化与质量控制，将洞渣制备的机制砂成功应用于C30水下混凝土、C25二衬防水混凝土、M5路面水泥混凝土及C50 T梁混凝土。张立人等[16]利用隧道花岗岩洞渣生产的机制砂，制备出具有力学性能优良且高抗渗和抗冻性能的C50混凝土。TANG等[17]对隧道矿渣机制砂浆和混凝土的性能进行研究，得出机制砂混凝土的抗折强度、抗压强度均大于相同石粉含量的标准砂。宋宏伟等[18]研究一种砂率修正方法，为花岗岩机制砂混凝土的工程应用积累经验。邵建峰等[19]研究了高品质机制砂的生产工艺，并建立了质量控制模型。何文敏[20]研究了砂的细度模数与级配之间关系，对配制混凝土选用砂具有重要参考意义。杨毅[21]研究了混凝土细骨料试验细度模数计算方式，得出了细度模数计算法准确率较高且实际误差较小。

目前，虽然在机制砂细度模数对混凝土的影响，以及隧道洞渣制备机制砂和机制砂质量控制等方面已有一定研究，但对机制砂细度模数的在线调配与闭环控制的研究较为少见。在现阶段的工程实践中，大部分生产者只能通过粗略地调整筛网规格和物料比例试产后，以砂堆取样试验室监测的方式来判断机制砂的级配，无法在线调控机制砂的细度模数，导致混凝土生产企业经常需要更改配方和试验，不仅增加工作人员的劳动强度，而且无法保证混凝土的稳定性。因此，亟需研究一种可用于机制砂细度模数的在线控制系统，实现对砂石生产细度模数的闭环控制，降低综合成本。

1 控制系统总体方案设计

机制砂作为建筑、市政工程、铁路、隧道等建设的重要来源，如果能实现隧道洞渣制备机制砂细度模数的闭环控制，就可以让后期混泥土的质量得到保证。根据不同的制砂工艺，应从以下几个方面进行研究设计。

1）不同破碎工艺生产的机制砂的粒形、颗粒级配、细度模数不同。本文以“常速+高速”双立轴制砂工艺为基础，结合双重选粉和细度模数、颗粒级配、石粉含量、产物比例可控制调节功能的新型双立轴联合整形制砂工艺，进行隧道洞渣制备机制砂细度模数控制系统的研究。主要设备配置见表1，工艺路线如图1所示。

图1 制砂工艺Fig.1 Process of sand making

表1 主要设备配置表Table 1 Configuration table of primary device

2）在实际工程应用中，基于筛分设备的性能因数、成本控制等问题。选择将公称粒径为0～5.0 mm的机制砂分为两类，第一类是公称粒径为0～2.5 mm，第二类是公称粒径为2.5～5.0 mm。通过调配两类砂的比例，实现对细度模数的调节。

3）将其中一类砂设置为定速传输，另一类砂设置为变速传输，并且两条输出路径均配置称重系统，实现两种类型砂的比例调节，实现调节细度模数比例的便捷性。

4）将其中一类砂的进料量进行分流控制，设计相应的溢流口，实现两种类别的砂对最小需求量的功能。

5）在变速传输皮带上设计相应的定量装置，实现变速传送对输出砂的在线线性控制。

6）要配置细度模数在线监测装置和电气控制系统，实现细度模数的在线闭环控制。

2 控制系统原理设计

生产系统将粒径为0～31.5 mm的原料送入制砂系统，生产系统生产出来的料会输送到筛分系统，筛分系统将砂石骨料按不同粒径进行筛分处理。将筛分系统输出的公称粒径为0～2.5 mm和2.5～5.0 mm的砂输送到细度模数控制系统。将公称粒径为0～2.5 mm的砂输送到定速皮带，配备称重系统，实现定速定量称重；利用电动分料装置将公称粒径为2.5～5.0 mm的砂输送到调速皮带，配备称重系统，实现变速变量称重。根据定速皮带上公称粒径为0～2.5 mm的砂量来调节变速皮带的速度，控制公称粒径为2.5～5.0 mm的砂输出量。

变速皮带的输出量需要根据定速皮带的输出量进行调节。首先，需要保证变速皮带的进料量处于饱满状态，同时需要设计溢料装置，利用溢料装置将富余的公称粒径为2.5～5.0 mm的砂返回制砂系统。其次，需要保证变速皮带上公称粒径为2.5～5.0 mm的砂到达称重系统之前其输出的截面恒定，这样才能通过调节速度的方式来调节公称粒径为2.5～5.0 mm的砂输出量。

当生产系统处于稳定状态后，通过实验确定机制砂的颗粒级配，对公称粒径为2.5～5.0 mm的砂输送量进行设定，进而调配出满足标准要求的细度模数。另外，也可将混合后的两类砂经过在线质量监测装置对其细度模数进行监测，监测结果反馈至控制系统，控制系统再来调节相应的参数，实现对成品砂细度模数的控制调节，实现细度模数的闭环控制。细度模数控制系统原理如图2所示。

图2 控制系统原理图Fig.2 Schematic diagram of control system

3 控制系统性能参数

3.1 机制砂的细度模数

根据《建设用砂》（GB/T 14684—2022）[22]、《公路工程集料试验规程》（JTG E42—2005）[23]、《建设用卵石、碎石》（GB/T 14685—2022）[24]等标准中的相关规定，机制砂细度模数Mx的计算见式（1）。

式 中：Mx为细度 模 数；A1、A2、A3、A4、A5、A6分别为4.75 mm、2.36 mm、1.18 mm、0.60 mm、0.30 mm、0.15 mm方孔筛的累计筛余百分率；a1、a2、a3、a4、a5、a6分 别 为4.75 mm、2.36 mm、1.18 mm、0.60 mm、0.30 mm、0.15 mm方孔筛的分计筛余百分率。

3.2 定义调配系数k

定义m为成品砂的总质量，计算见式（2）。

式中：m1为公称粒径 ≥5.0 mm的砂质量；m2为公称粒径2.5～5.0 mm的砂质量；m3为公称粒径0～2.5 mm的砂质量。将m3的质量细化，计算见式（3）。

式中，m31、m32、m33、m34、m35分别为公称粒径为1.250～2.500 mm、0.630～1.250 mm、0.315～0.630 mm、0.160～0.315 mm、0～0.160 mm的砂质量。

将式（2）和式（3）带入式（1），计算见式（4）。

定义调配系数k，可得式（5）。

将式（5）带入式（4），得出成品砂细度模数的简化预测公式Mx，见式（6）。

在母材岩性、设备性能等外部环境变化很小的情况下，系统中的k值变化幅度很小，可认为k为定值，k值可以通过大量实验数据获得。由式（6）可知，细度模数值Mx的大小只与m3和m2的比值有关。m2值越大，Mx值越大，即反应砂的粒径越粗，反之越小，砂的粒径越细。由此得出：m2值的大小对细度模数Mx的调配有着重要影响。

根据标准《建设用砂》（GB/T 14684—2022）要求，将细度模数的上下极限值（2.3≤Mx≤3.4）带入式（6），可以得出m3与m2的比值范围，见式（7）。

根据实际建设工程的需要以及各类设备本身制砂性能的特性，一般铁路工程建设所需砂的细度模数应控制在2.6～2.8，见式（8）。

3.3 试验确定调配系数k

以高原铁路某试点项目所配套的隧道洞渣制备机制砂系统为例，随机抽取同一批母材中的12组试样检测，其检测结果见表2。

表2 试点项目试样的岩性检测结果Table 2 Lithology test results of pilot project samples

对已检测的隧道洞渣破碎制砂，将成品砂进行大量筛分试验，通过试验得出试点项目的系数k以及得出m3与m2的比值范围。以《建设用砂》（GB/T 14684—2022）为试验依据，随机抽取其中的3次试验（每次试验包含5组筛分试验，共计15组，每组试验样品的重量为500 g）样品的筛分颗粒级配见表3，级配曲线如图3所示。

图3 试验样品的级配曲线Fig.3 Grading curves of the test samples

表3 试验样品的筛分颗粒级配Table 3 Sieve particle grading of the test samples

由此可见，当细度模数在2.6～2.8之间时，试点项目m3与m2的比值范围在3.1～4.8之间。

根据制砂总量为100 t/h，得出式（10）。

根据式（9）和式（10），可以得出m3与m2的取值范围的分布情况，如图4所示。

图4 m3与m2的取值范围Fig.4 Value range of m3 and m2

试验得出：在隧道洞渣合格的情况下进行破碎制砂，其细度模数Mx在标准范围内呈现一定波动，而细度模数的值也满足标准要求。因此，母材必须在检测合格后方能进行制砂。如果检测出制砂的母材呈现阶段性变化时，需要提前做好母材的分类处理。

3.4 确定变速皮带机的速度v

利用电动分料斗的开合度来实现调速皮带对m2输送量的控制，保证料斗与调速皮带之间为满料状态，多余的2.5～5.0 mm物料则通过溢料口返回制砂系统。调速皮带上方设置固定截面罩，保证皮带单位长度上物料的均匀性。设固定截面罩物料横截面的面积为s，调速皮带的速度为v（精度0.1 m/s）。通过变频器调节v的值，进而调节m2的值，计算见式（12）。

式中：ρ为砂的密度，取1.4 t/m3；s为粒径为2.5～5.0 mm砂的截面面积；v为调速皮带的速度。

根据不同生产线的产能确定s值，根据100 t/h制砂量的产能来确定该试点项目的s=0.005 m2。如果产能变化则截面积s会有一定的变化。调速皮带结构如图5所示。

图5 调速皮带结构图Fig.5 Structure diagram of speed regulating belt

将s=0.005 m2带入式（12），可得式（13）。

将式（13）带入式（11）中，可得式（14）。

得出细度模数值Mx的大小只与m3、v的比值有关。v值越大，Mx值越大，即反应砂的粒径越粗，反之越小。

将式（13）带入式（9）中，得出m3与v的比值范围，可得式（15）。

当细度模数在2.6～2.8之间时，试点项目m3与v的比值在78.12～120.96之间。试点项目的制砂产能约为100 t/h时，当细度模数在2.6～2.8之间时，可得式（16）。

结合式（10）、式（15）和式（16），当细度模数在2.6～2.8之间时，变速皮带速度v应该设置在0～0.8 m/s。m3与v的曲线关系如图6所示。

图6 m3与v的曲线关系图Fig.6 Curves diagram of m3 and v

3.5 闭环控制监测系统

该系统配置了型号为TK-JS-1001的细度模数在线监测系统[25]，将测定细度模数值Mx′与设定细度模数值Mx进行比较，监测结果返回到集中控制系统，集中控制系统发出指令调节变速皮带的速度，从而达到细度模数的在线闭环控制调节。细度模数判别逻辑如图7所示。

图7 细度模数判别逻辑Fig.7 Discriminant logic of fineness modulus

在线监测系统采用图像识别法[25]，在颗粒自由下落过程中拍摄通过镜头的颗粒图像，在拍摄图像的同时电脑软件对颗粒进行快速识别和处理，在屏幕上实时显示每个颗粒的图像和粒径粒形数据。机制砂生产质量在线监测系统的分析结果包括反映颗粒形貌的圆形度、长径比和反映颗粒大小的细度模数、含粉量、分计筛余、累计筛余等参数。

4 试点应用

目前，该细度模数控制系统已在新建高原铁路某隧道洞渣制备机制砂项目进行试点应用。试点项目已进入稳定生产阶段，经在线细度模数控制系统调配后的成品砂质量良好。该试点项目的细度模数控制系统结构、机制砂成品料、细度模数在线监测情况分别如图8、图9和图10所示。

图8 细度模数控制系统结构Fig.8 Structure of fineness modulus control system

图9 细度模数在线监测Fig.9 Online monitoring of fineness modulus

图10 机制砂成品料Fig.10 Finished materials of crushed sand

5 结论与讨论

5.1 结论

本文基于现有干法机制砂工艺对细度模数调配困难的问题，结合相关标准、筛分设备性能等因素，着重研究了公称粒径2.5～5.0 mm的砂比例大小对细度模数的影响，设计出了机制砂细度模数控制系统。通过以上工作，本文得到的主要结论如下所述。

1）基于实际应用中各筛分设备的性能因数、成本控制等因素，将0～5.0 mm砂分为0～2.5 mm与2.5～5.0 mm两区间，推导出公称粒径为2.5～5.0 mm与0～2.5 mm的砂之间的简化预测公式为Mx=k+同时得出公称粒径为2.5～5.0 mm的砂对细度模数影响较大，具体为：当调配系数k一定时，公称粒径为2.5～5.0 mm的砂越多，细度模数越大，反之细度模数越小。

2）当细度模数在2.6～2.8之间且调配系数k取2.1时，m3与v的比值为78.12～120.96且皮带的速度v在0～1.0 m/s之间，从而通过控制皮带的速度实现对公称粒径为2.5～5.0 mm的砂流量调节，实现对细度模数的调配。

3）基于简化预测公式构建的细度模数控制系统，可实现对细度模数稳定闭环控制，对隧道洞渣资源化利用有积极作用，实现降本增效。

5.2 讨论

本文是基于市面现有筛分设备，考虑到筛分性能、经济成本等因素进行的研究，得出了一些研究结论，但对机制砂细度模数控制的研究还有待进一步研究。

1）本文是将公称粒径为2.5～5.0 mm的砂与公称粒径为0～2.5 mm的砂进行了分离研究，未将公称粒径在0～2.5 mm区间内的砂再细分研究。后续可根据制造技术、生产工艺等因素，再进一步的研究。

2）本文基于机制砂母材相对稳定（在一定时间变化不大）的前提下进行的研究分析，同时在线质量监测系统需要较短的时间进行检测，导致研究的细度模数控制系统不能实时地进行细度模数调节，有一定的滞后性。