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机制砂商业应用的出路?

随着天然砂资源的枯竭及环保法规的日益严苛,机制砂的经济价值及生产需求随之增长。与此同时,许多骨料生产商也正在探寻机制砂生产的可行性;以及如何处理日益庞大的废料堆,因为其中含有相当比例的有价值细骨料资源。

是否有一种惠及各方的解决方案?混凝土生产用机制砂专家Rolands Cepuritis和美卓破碎工艺专家Tero Onnela深入研究了这项课题。

机制砂在许多用途中可替代天然砂

砂,无论取自天然砾石、砂矿床,还是通过岩石破碎,鉴于其矿物质和物理质量,均被广泛应用在众多用途中。砂的最典型用途是用于混凝土,约占材料体积的30-40%。

Tero Onnela深入分析了基本情况:“混凝土是最常用的人造材料,随处可见。砂是基础设施建设和建筑行业的必要元素。美国的大部分州际公路网均使用了耐久性强的混凝土,可承受大流量交通和天气的变化。中国三峡大坝使用了美卓破碎设备生产的骨料,成为世界上最大的混凝土构筑体。”

“公路和高速公路建设中常用的沥青是第二重要用途。此外,还有所谓的功能性骨料,用于水处理厂的水净化、高尔夫草坪与沙坑、儿童游乐场、赛马场,以及极寒气候下的防滑公路和人行道。在所有这些用途中,均可使用机制砂替代天然砂,且可以提高最终产品的性能。”

天然砂是一种日益枯竭的自然资源

天然砂的使用在许多地方都受到法律限制,在有些国家甚至被完全禁用,如日本、瑞典等国呼吁尽可能使用机制砂来代替天然砂。在澳大利亚,天然砂开采许可证的限制也越来越多。

天然砂的非法开采在某些发展中国家日趋严重,甚至到了肆无忌惮的地步,而监管却收效甚微。售卖天然砂被认为是一种投资小、赚钱快的途径,仅需一辆卡车、一名司机和砂源,便可获利。正是因为这个原因,印度等国家出台了一项政策:在新采石场审批过程中给予扶持,以鼓励建造新的机制砂生产装置。

“我认为有这么三类国家:以瑞典为例,利用特殊的天然砾石税来规范采砂。某些欧洲国家利用其他手段限制开发新采坑。然而,在印度、新加坡和马来西亚等国家,面临天然砂资源匮乏或快速减少等问题。在这些国家,砂采自露天砂坑、海滩、内陆沙丘、海洋与河道,通常是立法跟不上或执法不到位。”Rolands Cepuritis补充道。

混凝土用机制砂

Rolands Cepuritis目前正在完善其博士论文《微配比混凝土用机制砂的开发》。有关机制砂在混凝土生产中性能良好的原因,他有着清晰的观点:

“混凝土生产商必须满足其产品抗压强度的最小安全裕度。原材料的变异性越高,所需的水泥用量就越高,以保持一定水平的安全裕度。因此,归根结底,质量和变异性差的原材料与质量较好的原材料相比,成本相当,但质量差别很大。”

“经优良工艺生产出来的机制砂,可以实现稳定的质量。控制天然砂的变异性非常困难,特别是在不洗砂的情况下。”他说道。由于空间、水源和脱水池导致的环境问题,以及在北欧国家寒冷地区的操作问题,通常难以实现洗砂。

“使用机制砂还有其他一些直接的技术优势。例如,由于风化作用,天然砂颗粒为圆形;而机制砂颗粒呈棱角状且表面纹理粗糙,能与混凝土中的水泥灰浆更好地粘结,从而在水泥用量相同的条件下提高强度性能(恒定水灰比)。”

如果使用天然砂制作混凝土产品,性能改进的可能性会很小;而使用机制砂,性能上则有更大的调整空间,可以找到适合不同类型混凝土的最佳配比。

还有一大障碍,是对机制砂应用的接受程度。例如,澳大利亚昆士兰州仍要求混凝土配方中细骨料的40%需为天然砂。这需要在未来做出改变,以应对不断下降的资源供给,并提高优质机制砂产品的可利用性。

商业应用?

天然砂的立法和供应,决定其价格与收益。此外,还有与采砂许可证审批相关的成本,使得资源开采在经济效益方面难以实施。

“采砂场的运输成本在总生产成本中占比很高。如果是价值更高的最终产品,例如用于玻璃制造的硅砂,运输成本高是可以接受的。但是,对于利润低的大宗砂产品,情况则完全不同。制砂现场必须尽量靠近使用现场。”Onnela解释道。

“最重要的是经济规模。如果一座采砂场靠近使用现场,只需简单地筛选至适当粒度的产品。但使用机制砂,还需要考虑很多方面的问题。如果破碎基岩,生产成本很高,而且还涉及一些额外费用。破碎岩石的30-40%,有时高达50%,被遗弃在废料堆中。物料粒度越小且硬度越低,所产生的废料就越多。为了提高盈利能力,必须降低废料量或找到这些细料的新用途。”Onnela作出了说明。

“小于4mm的颗粒常被视为废料,即不适用于任何用途。废料堆越来越大,经营者必须支付垃圾费。如果能够找到细料的用途及销路,则会各方受益。例如,在芬兰,会将部分采石场废料用于道路和庭院铺设。”

Onnela表示,确立商业应用在很大程度上取决于行业如何开发和制定不同用途的机制砂技术标准。同样重要的是,利益相关者需要深刻认识到机制砂的卓越性,才能使机制砂得到广泛认可与应用。当然,定价需要有竞争力。

“绝大多数岩石均可用于混凝土生产。岩石必须具有一定硬度,最大的挑战之一是,云母难以清除且成本高。关键问题在于:市场如何?是否有竞争优势?换句话说,能否以合理的价格大量提供机制砂?”

“天然砂与机制砂的质量差异很大。机制砂的典型特征是质量稳定。使用质量稳定的砂通常可减少水泥用量5-20%,混凝土生产商会从中受益。减少水泥用量还可降低CO2排放。”Onnela补充说道。

Cepuritis利用一个实例阐述了这一问题:

 “引用一个挪威的案例。在这个案例中,无论是机制砂,还是天然砂,运输距离都很短,不到40公里。优质天然砂的价格为每吨80-85挪威克朗,而作为粗骨料生产副产品的优质机制砂,价格为30-35挪威克朗/吨。而且还有质量提升的空间和投资价值。”

“增加一台VSI反击式破碎,生产成本会增加10 挪威克朗/吨;而细粒分级,还会增加10 挪威克朗/吨。产品的利润率也会随之提高。然而,事实并非那么简单:您还需要在整体工艺开发方面投入大量资源。机制砂生产商需要了解客户需求并与之合作,开展有别于常规骨料市场的全新的技术营销方式。这是个挑战,也是个机会。”

“挪威桑内斯地区的Velde Pukk采石场就是一个充分利用现有原材料的绝佳案例。他们在采石场中实施岩石钻孔、运输、预拌混凝土、地面铺砂、垃圾填埋、沥青生产和路面摊铺,以及混凝土和沥青的回收利用。”

选择正确的技术

“机制砂的生产通常比天然砂的开采复杂得多。单独的机制砂破碎生产线极少见,通常都是与粗碎破碎生产线相关联。” Cepuritis解释说。

“破碎厂的精确布置各不相同。生产工艺通常包含数个破碎段,涉及破碎、输送、筛分与分级。”

“关于设备,所有必要技术都很成熟。美卓在这方面掌握很多知识和技术,可以为客户提供有价值的机制砂生产建议。” Onnela说。

“开发从未停止。最大的差距在于混凝土的材料技术。到目前为止,所有教材的编纂都默认为使用天然砂。实际上,混凝土技术人员并不了解新型机制砂材料,以及如何更好地利用这些新材料。近年来,研究成果累累,但应用为之甚少。”

“如果您想在采石场开发机制砂产品,就必须充分了解其制成品,比如混凝土。您不能只给最终用户提供一个样品,因为客户还会以现有的知识进行样品试验。在多数情况下,实验都会失败。所以,您需要采用更直接的技术营销方式,让客户了解新材料的性能,并共同进行实验室试验。这与混凝土等掺合料的销售方式基本相同。” Cepuritis总结道。

美卓助您应对挑战

美卓在各种机制砂生产解决方案及相关设备方面拥有多年技术经验。

粒型至关重要。破碎设备是重中之重,它关系到产品粒型和级配。诸如Nordberg® HP™系列GP™系列等圆锥破碎机,可同时生产细骨料和粗骨料。由于破碎段更少,还能减少初期投资成本,并节约能源。

美卓HRC™高压辊磨技术特别适用于机制砂生产。在正确的操作条件下,颗粒间破碎有助于产出立方体产品。

“研究表明,利用高速冲击式破碎可生产出适用于各种用途的最佳终产品。美卓Barmac® VSI立轴冲击式破碎机可改善物料的稳定性和形状,并达到近似天然砂的质量。相比于大多数VSI破碎机采用金属部件破碎石块,Barmac VSI则采用石打石的破碎方式。最终产品的粒型越好,在混凝土、沥青和基层混合料中发挥的性能就越高。石打石破碎和研磨作用在所有冲击式破碎原理中可实现最低的吨成本。”Onnela作出说明。

随后,利用空气分级机回收所需量的细颗粒和粉尘。美卓静态空气分级机经济环保,能够生产出质量稳定的机制砂。

“对于混凝土,有两方面要求:首先要具有良好的搅拌性与和易性;其次要达到设计的最终抗压强度。具有良好和易性的新鲜混凝土易于摊铺在地面或进行铸模,且无骨料离析或泛浆。对于沥青和功能性骨料,须满足级配标准。”

 “为了达到这些要求,需要对破碎产品进行筛选与分级。利用振动筛分选出2-4mm最大粒度的砂。利用湿式加工或空气分级机有效分级岩粉或填料。对于混凝土和沥青砂生产,最适合采用空气分级方法。如果需要,利用两段空气分级和混合分级的填料与砂,制成混凝土砂。在一般情况下,单段空气分级即可满足需要。”

“干沥青砂是一种经济的解决方案,无需蒸发水。而蒸发水则是热拌沥青厂中的高能耗工艺。”

原文发表于2015年11月6日

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