我国水利水电工程混凝土骨料生产技术的发展

阮光华，李裕营，张凤眼

摘要：本文简述了我国混凝土骨料生产的发展历程，并提出了当前我国混凝上骨料生产的六个重要问题:1.料源选择与勘探精度；2、关于生产性试验和小型试验问题；3、碳碎制砂的工艺及设备选型问题；4、石粉回收和污水处理；5、物料的水平和垂直运输；6、砂石系统招标的模式与管理方式。关键词:混凝土骨料、生产发展历程、 重要问题

1.我国混凝土骨料生产技术的发展历程

    我国砂石生产技术的进步是随着我国水利水电工程建设的发展而发展的，早在建国初期四川狮子滩水电站和江西上犹江水电站施工都采用了人工碎石系统。上世纪五十年代中期，二门峡、新安江两大水电站开工兴建，混凝土量在百万方到三百万方，出现了大型机械化的天然料砂石加工系统。此后，一系列大型工程开工建设，如刘家峡、丹江口、葛洲坝等水电站，天然砂石材料加工系统大体上保持了相似的水平。随将水电工程向河流上游和中西部推进，天然料源渐趋缺乏，开始了人工骨料加工技术的研究和实践。上世纪六十年代初贵州猫跳河二级采用锤式破碎机制砂，上世纪六十年代中映秀湾水电站进行了棒磨机制砂的研究试验，取得了可喜的成果，并用于工程建设中。在吸取这一成功经验的基础上，上世纪七十年代兴建的乌江渡水电站建立了500吨/小时的石灰岩为料源的大型人工砂石系统，是我国砂石生产技术发展的里程碑。此后人工骨料加工技术得到了飞速发展。除了石灰岩为料源外，还建立了以花岗岩、砂岩、石英岩、流纹岩、玄武岩、闪长岩、片麻岩，辉绿岩、凝灰岩等多种岩石为母岩的人工骨料加工系统。特别是上世纪九十年代，三峡、二滩等一批巨型、大型工程的兴建，使砂石材料加工不论在规模上或是在技术水平上都达到了新的高度。这些工程在料源选择、料场开采、加工工艺流程及设备、砂石产品的质量等多方面都进入了世界先进水平。我国水利水电工程砂石加工所遇到的岩性的复杂性、多样性在世界各国水电工程建设史上是罕见的。随名工程建设经验的积累，我们已经逐步找到了对付各种岩性的办法。一些中型工程还精益求精地研究改进砂石生产技术，经济地生产产出优质产品。我国砂石生产技术已经进入了成熟发展时期，值得认真地总结提高。

2 混凝土骨料生产的几个重要问题

2.1料源选择与勘探精度

    料源的选定是水利水电工程建设中的重要问题，经过多年工程实践积累的经验教训，已成为人们的共识，但这一认识的获得，是以惨重的教训为代价得来的、仍然值得认真总结。

  料源选择是工程设计前期工作内容之一，我国早有相应的勘探试验规程，但过去多数设计单位比较重视坝区的地质勘探试验，而对建筑材料的勘探试验则不够重视、有的根本不按规程进行勘探试验，工程开工之后才发现料源数量不够或是质量有问题，被迫停工另找料源。例如有一个大型电站，前期勘探试验较少、料场剥离之后，发现不但复盖层特厚，其流纹岩还含有许多铁质锈斑，影响混凝土强度，被迫转移料场。另一个大型电站，开工之后发现料源岩石具有超常磨蚀性，砂石系统设备磨损极快，生产能力远达不到设计能力，被迫停工增容改建。近期正在施工的一个大型水利工程，整个料场只有一个钻孔打入有用层，直到工程开工后的咨询才发现这一问题，由业主单位另行委托作补充勘探。此类例子基多、不胜枚举，凡此种种教训，已引起水电界的直视，新出的施工组织设计规范，将料源选定单列一章。即将开工的向家坝水电站，设计单位做了长期的勘探、试验比选工作，最终选定距坝址五十余公里的太平灰岩料场，即为一例。国内已建工程的正反面经验教训的结论，就是一定要在工程前期按建筑材料勘探试验规程做好工作，不能有任何简化、取巧。

2.2 关于混凝土骨料的生产性试验和小型试验问题

   现在各大型工程在混凝土骨料料源选择过程中普遍做砂石骨料的生产性试验，并已列入规范之中。通常要在料场取数百吨，甚至上千吨样品运往被选定的已建砂石系统做生产性加工试验，得出产量、级配组成、针片状含量等数据，并将加工后的砂石产品作为混凝土试验的原料。我们认为，现在广为采用的生产性试验成果价值不大，而应以小型试验代替，其理由是：(1)一个大型工程的料场储量通常至少数百万m³，往往分布有不同的构造带、夹层、葚至岩性郁会有变化。而几百吨的岩样往往在某个勘探平硐内，或在表面的槽探坑内挖取，难以有代表性。(2)通常进行生产性试验的砂石系统的生产能力都在500吨/小时以上。经过长途运输的岩样，在很短时间内被加工完毕，也很难做到挤满给料，加工设备的参数难以在试验时间内调整。想要的产量、级配比例、粒形等产品数据不能反映大规模生产时的情况。(3)我国水电工程砂石生产已经积累了多种岩石、多种工艺流程和设备的运行经验，已有多种岩性的大量生产数据，可作为砂石系统设计的比较成熟的参考资料，这些数据要比几百吨岩石加工所得到的数据准确得多。(4)作为施工单位来讲，设计砂石系统所需要的资料是料源岩石的物理力学指标、矿物成份组成、化学成份、岩石的加工性能指数(功指数，可磨性指数)。只要有这些原始资料，作为一个有经验的施工单位，完全可以拟定正确的工艺流程，做好设备选型工作，可以按所要求的各种比例生产出合格的砂石产品。(5)国外比较通行的做法是要在前期做一些岩石的小型试验，只要少量岩样(一般数十公斤到上百公斤)做功指数和磨蚀性指数试验，这些试验国内的一些专业单位可以承担，试验费也只要几万元。

    根据上述理由，我们认为，现在通行的异地生产性试验可以取消，代之以更为有用而经济的小型试验。至于混凝土试验所需岩样，可以按要求级配比例配制，试验砂样可按要求的细度模数配制。建议现行规范作适当修改补充。

2.3 破碎制砂的工艺及设备选型问题

在料源选定之后，砂石系统要解决的主要问题就是破碎制砂的工艺流程和设备选型。一个砂石加工系统的成败和好坏，主要是解决好岩性、工艺流程和设备选型三者之间的关系。根据我国各工程实践的经验，可以概括为以下几点：

   (1)对于生产四级配粗骨科，通常应采取三个破碎段，对于三级配粗骨料，则可以采用两个破碎段。

   (2)粗碎较常用的破碎机型是鄂式和旋回式破碎机。鄂式破碎机产量较低外形尺寸较小、机重较轻、价格较低、土建工程量较少。通常认为产品粒形较差，针片状含量较高；旋回式破碎机的优缺点正好与鄂式相反。据某些工程的测定，鄂破产品中针片状多集中在中、小石，而大石、特大石的指标均未超标。我们认为，大多数水电工程砂石系统的使用年限均在五年以下，如果新购设备，应优先选用鄂式破碎机，以减少土建工程量，节约成本，其产品中、小石针片状含量较高的问题可在后续破碎段解决。如破碎软岩(如石灰岩)，粗破亦可用反击破。

   (3)中细碎的机型主要是圆锥破和反击破。如果破碎软岩(如石灰岩)则可用反击破，其破碎比较大，可以减少破碎段；如果破碎硬岩，则应采用圆锥破。国内有的工程采用反击破破碎磨蚀性极大的溶结凝灰岩，造成超常磨损。也有的工程虽然也是破碎石灰岩，但因料源节理发育，切割成碎块，采用反击破作为中细碎机型，造成过粉碎。40～80 mm一级大石中的中径含量距规范要求相差根多，最后被迫改换为圆锥破。这一事实也应引起注意。总之，在选型时要十分重视被破碎的岩石的特性。

   (4)制砂技术发展到今天，基本上有两种类型。一种是立式冲击破与棒磨机联合制砂，另一种是单一的立式冲击破制砂。前者以三峡等工程为代表，后者以索风营等工程为代表。联合制砂的优点是棒磨机的产品细度模数稳定，可调性好,但棒磨机重量大，耗水、耗钢量大，水处理系统也大。单一立式冲击破碎机制砂，只要设定合理的流程，砂的细度模数同样可保持稳定，并达到2.4～2.8左右规范要求的数值，同时成品砂的含水率可在4%以下，制砂成本也较低。已经使用成功的有石灰岩和花岗岩，其他岩性则有待进一步探索。

2.4 石粉回收和污水处理

碾压混凝土要求有较高的石粉含量，因此破碎加工中产生的石粉回收已是工艺流程中必不可少的工序。目前石粉回收基本上可有三种方式。

(1)依靠自然沉淀，待干化后，挖取石粉再掺入砂中。这是多数中、小工程常用的办法。由于方法简单，某些大工程也在采用。

(2)水力旋流器配高频振动脱水筛。现有国内外产品中有单个旋流器和多个旋流器两种。小直径旋流器可分离出较细的粒径(可回收大于0.038 mm的细粒)。有的工程已摸索出该种设备的运行规律，并与刮泥机联合使用，取得较好效果。有的工程则尚未掌握其运行规律。

(3)负压吸水，加速沉淀池石粉干化。当前已经使用的沉淀池自然沉淀时间过长。如在沉淀池下部采用适当的结构，用水泵抽水，造成负压脱水，则可大大加快石粉干化时间，这是比较快速经济的方法，有待于进一步实践。

   砂石生产是用水大户，如用湿法生产，一个大型系统耗水量达每小时数千吨，随之产生大量污水。目前环保要求越来越高，污水必须经处理才能排放，同时经处理后的污水变成合格的生产用水还可重复使用。砂石系统是临时工程，往往场地条件有限，不可能象城市污水处理厂那样大做文章。

   目前常用的石粉回收和污水处理方法也可归纳为三种。

(1)自然沉淀。需要较大的场地面积布置，但方法简单。

(2)压滤机干化。经初步沉淀后的泥浆以一定压力送入压滤机，定时排放干化的泥饼，现有产品是45分钟一个循环，排放18 m³泥饼。经过滤后的净水可重复使用，亦可排入河中。这种方法已在近期几个大型工程砂石系统使用，效果较好，但成本较高。

(3)抽吸式排泥。如污泥中含石粉，易板结，则应破坏石粉的板结状态，可用铰吸式或高压水冲刷，使板结的石粉液化为浆体。再以泥浆泵吸走。

2.5 物料的水平和垂直运输

    水电工程施工的实质是物料的大规模搬运和重组。其中运量最大的有两处，一处是开挖出渣，另一处就是砂石骨料毛料和成品料的运输。最常用的运输方式是大型自卸汽车运输。近期一些大型水电工程采用的运输方式值得研究总结。

  (1)溜井运输。这是矿山上常用的一种运输方式。国外德沃夏克水电站采石场用了两个6 m直径深约200 m左右的竖井运送毛料，地下设粗碎机。国内二滩工程已用过浅溜井运毛料，地下设大型鄂破预粗碎机。龙滩工程麻村砂石系统直径6 m，深约150 m的竖井运送毛料，经一段时间使用后，情况良好。大法坪系统增容改造后又加两个80 m深竖井，设地下粗碎机。小湾工程采石场毛料运输设2个直径6 m、深180多米的竖井，目前施工已经完成。对于高差大，料场与加工系统水平距离近，运输道路布置困难的料场，采用竖井运输是一种值得考虑的方式。

  (2)长距离胶带机运输。龙滩工程大法坪砂石系统至混凝土系统间用了一条4 km长的隧洞胶带机运送成品料，除了驱动装置为进口件外，其余均由国内制造，目前运行情况良好。在龙滩工程使用4 km长胶带机经验的基础上，向家坝工程太平料场到坝区砂石加工系统间半成品料运输确定采用五条总长共31km的长胶带机方案。目前运输隧洞已招标施工。

长胶带机运输过去在国内矿山和港口已大量使用。现已用于水电工程砂石骨料运输。在大生产率和大运量条件下，胶带机是一种经济高效的运输方式，值得我们重视和研究。

2.6 砂石系统招标的模式与管理方式

   由于大中型水电工程分标较多，混凝土用户也多，许多工程砂石系统单独提前招标建设，主体工程开工后，以商品砂石料方式向各用户提供。采用最多的方式是由业主单位委托设计单位编制砂石系统招标文件，施工单位带方案投标，负责设计、建安及运行。并由业主单位采购部分设备(主要是进口粉碎设备)，在招标文件中明确设备回购率，工程完建后，设备产权移交施工单位。实践证明，这是一种比较成功的管理方式。

当前有的工程出现了另一种招标管理方式的萌芽。即业主不但供应工厂生产的主要建材产品，还要自行建立砂石工厂向中标的施工单位供应砂石产品。我们认为，这种方式将会产生以下弊端：(1)我国各大水电工程局对于各种岩石砂石系统的设计、建安、运行具有丰富的专业经验，而新组建的一些业主单位，一般部缺少这方面的专业人员和经验，即使从一些设计单位和施工单位临时聘用人员也难以按合同承担供应砂石的责任。(2)砂石骨料不同于钢材、水泥、外加剂等工厂定型产品，有出厂产品质量检验合格单。砂石骨料是自行生产的非标准产品，而且母岩变数很多，料场实际揭露的情况往往与设计勘探成果出入较大。砂石骨料在生产过程中环节很多，水工混凝土对砂石骨料的质量指标要求较严，混凝土施工中出观的很多问题都能与砂石产品的质量指标相联系，如果出现问题，业主有难以摆脱的责任。

收稿日期:2005-04-20

作者简介:阮光华(1937-)，男，教授级高级工程师。华东勘测设计研究院技术委员会高级咨询委员，长期从事水利水电工程施工组织设计和施工咨询业务。曾在设计院、工程局、建设单位工作，现任中国水力发电工程学会工程施工系统专业委员会常务副主任兼秘书长。

李裕营(1941-)，男，高级工程师，水电七局专家咨询委员会委员，长期从事砂石混凝土系统、设汁、施工、运行管理工作。

张风致(1936-)，男，教授级高级工程师，水电八局高级技术顾问，长期从事水电站砂石料生产、施工、运行管理、设计工作。