我國(guó)水利水電工程混凝土骨料生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展

摘要: 我國(guó)混凝土骨料生產(chǎn)的發(fā)展歷程大約有半個(gè)世紀(jì), 通過(guò)對(duì)當(dāng)前我國(guó)混凝土骨料生產(chǎn)的評(píng)述, 提出了六個(gè)重要問(wèn)題: 1.料源選擇與勘探精度, 2.關(guān)于生產(chǎn)性試驗(yàn)和小型試驗(yàn)問(wèn)題, 3.破碎制砂的工藝及設(shè)備選型問(wèn)題, 4.石粉回收和污水處理, 5.物料的水平和垂直運(yùn)輸, 6.砂石系統(tǒng)招標(biāo)的模式與管理方式。

關(guān)鍵詞: 混凝土骨料; 生產(chǎn)發(fā)展歷程; 重要問(wèn)題

 

 

 

      我國(guó)砂石生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步是隨著水利水電工程建設(shè)的發(fā)展而發(fā)展的。早在新中國(guó)成立初期, 四川獅子灘水電站和江西上猶江水電站施工就采用了人工碎石系統(tǒng)。上世紀(jì)50年代中期, 三門峽、新安江兩大水利水電工程開工興建, 混凝土方量達(dá)100 萬(wàn)～300 萬(wàn)m^3, 出現(xiàn)了大型機(jī)械化的天然砂石料加工系統(tǒng)。此后, 一系列大型水利水電工程開工建設(shè), 如劉家峽、丹江口、葛洲壩等水電站, 天然砂石料加工系統(tǒng)都保持了相當(dāng)?shù)乃?。隨著水電工程向河流上游和中西部推進(jìn), 天然料源漸趨缺乏, 工程技術(shù)人員開始了人工骨料加工技術(shù)的研究和實(shí)踐。

      上世紀(jì)60 年代初貴州貓?zhí)佣?jí)采用錘式破碎機(jī)制砂; 上世紀(jì)60 年代中期映秀灣水電站進(jìn)行了棒磨機(jī)制砂的研究試驗(yàn)并取得了可喜成果, 推廣應(yīng)用于工程建設(shè)中。在吸取這一成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上, 上世紀(jì)70 年代興建的烏江渡水電站建立了500t/h 的以石灰?guī)r為料源的大型人工砂石系統(tǒng), 成為我國(guó)砂石生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的里程碑。此后人工骨料加工技術(shù)得到了飛速發(fā)展。除了石灰?guī)r為料源外, 還建立了以花崗巖、砂巖、石英巖、流紋巖、玄武巖、閃長(zhǎng)巖、片麻巖、輝綠巖、凝灰?guī)r等多種巖石為母巖的人工骨料加工系統(tǒng)。特別是上世紀(jì)90 年代, 三峽、二灘等一批巨型、大型工程的興建, 使砂石骨料加工不論在規(guī)模上還是在技術(shù)水平上都達(dá)到了新的高度。這些工程在料源選擇、料場(chǎng)開采、加工工藝流程及設(shè)備、砂石產(chǎn)品的質(zhì)量等多方面都進(jìn)入了世界先進(jìn)水平。我國(guó)水利水電工程砂石加工所遇到的巖性的復(fù)雜性、多樣性在世界各國(guó)水電工程建設(shè)史上是罕見(jiàn)的。隨著工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)的積累,工程技術(shù)人員已經(jīng)逐步找到了對(duì)付各種巖性的辦法。一些中型工程還精益求精地研究改進(jìn)砂石生產(chǎn)技術(shù), 經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。我國(guó)砂石生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了成熟發(fā)展時(shí)期, 值得認(rèn)真地總結(jié), 加以提高。

 

 

 

      經(jīng)過(guò)多年工程實(shí)踐積累的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn), 已成為人們的共識(shí)。但這一認(rèn)識(shí)的獲得, 是以慘重的教訓(xùn)為代價(jià)得來(lái)的, 仍然值得認(rèn)真總結(jié)。

      料源選擇是工程設(shè)計(jì)前期工作內(nèi)容之一, 我國(guó)早有相應(yīng)的勘探試驗(yàn)規(guī)程, 但過(guò)去多數(shù)設(shè)計(jì)單位比較重視壩區(qū)的地質(zhì)勘探試驗(yàn), 而對(duì)建筑材料的勘探試驗(yàn)則不夠重視, 有的根本不按規(guī)程進(jìn)行勘探試驗(yàn), 工程開工之后才發(fā)現(xiàn)料源數(shù)量不夠或是質(zhì)量有問(wèn)題,被迫停工另找料源。例如有一個(gè)大型電站, 前期勘探試驗(yàn)較少, 料場(chǎng)剝離之后, 發(fā)現(xiàn)不但覆蓋層很厚, 其流紋巖還含有許多鐵質(zhì)銹斑, 影響混凝土強(qiáng)度,被迫轉(zhuǎn)移料場(chǎng)。另一個(gè)大型電站, 開工之后發(fā)現(xiàn)料源巖石具有超常磨蝕性,砂石系統(tǒng)設(shè)備磨損極快, 生產(chǎn)能力遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計(jì)能力, 被迫停工增容改建。

      近期正在施工的一個(gè)大型水利工程,整個(gè)料場(chǎng)只有一個(gè)鉆孔打入有用層,直到工程開工后的咨詢才發(fā)現(xiàn)這一問(wèn)題, 由業(yè)主單位另行委托作補(bǔ)充勘探。此類例子甚多, 種種教訓(xùn)已引起水電界的重視, 新出的施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范,將料源選定單列一章。即將開工的向家壩水電站, 設(shè)計(jì)單位做了長(zhǎng)期的勘探、試驗(yàn)比選工作, 最終選定距壩址50余km的太平灰?guī)r料場(chǎng)即為一例。國(guó)內(nèi)已建工程的正反面經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)給出的結(jié)論, 就是一定要在工程前期按建筑材料勘探試驗(yàn)規(guī)程做好工作, 不能有任何簡(jiǎn)化、取巧。

 

 

      現(xiàn)在各大型工程在混凝土骨料料源選擇過(guò)程中普遍做砂石骨料的生產(chǎn)性試驗(yàn), 并已列入規(guī)范之中。通常要在料場(chǎng)取數(shù)百噸、甚至上千噸樣品運(yùn)往被選定的已建砂石系統(tǒng)做生產(chǎn)性加工試驗(yàn), 得出產(chǎn)量、級(jí)配組成、針片狀含量等數(shù)據(jù), 并將加工后的砂石產(chǎn)品作為混凝土試驗(yàn)的原料。我們認(rèn)為, 現(xiàn)在廣為采用的生產(chǎn)性試驗(yàn)成果價(jià)值不大, 而應(yīng)以小型試驗(yàn)代替,其理由是: ①一個(gè)大型工程的料場(chǎng)儲(chǔ)量通常至少數(shù)百萬(wàn)立方米, 往往分布有不同的構(gòu)造帶、夾層、甚至巖性都會(huì)有變化。而幾百噸的巖樣往往在某個(gè)勘探平洞內(nèi)或在表面的槽探坑內(nèi)挖取, 難以有代表性。②通常進(jìn)行生產(chǎn)性試驗(yàn)的砂石系統(tǒng)的生產(chǎn)能力都在500t/h 以上。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)途運(yùn)輸?shù)膸r樣, 在很短時(shí)間內(nèi)被加工完畢, 也很難做到擠滿給料, 加工設(shè)備的參數(shù)難以在試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)調(diào)整。想要的產(chǎn)量、級(jí)配比例、粒形等產(chǎn)品數(shù)據(jù)不能反映大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)的情況。③我國(guó)水電工程砂石生產(chǎn)已經(jīng)積累了多種巖石、多種工藝流程和設(shè)備的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn), 已有多種巖性的大量生產(chǎn)數(shù)據(jù), 可作為砂石系統(tǒng)設(shè)計(jì)的比較成熟的參考資料,這些數(shù)據(jù)要比幾百噸巖石加工所得到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確得多。④作為施工單位來(lái)講, 設(shè)計(jì)砂石系統(tǒng)所需要的資料是料源巖石的物理力學(xué)指標(biāo)、礦物成分組成、化學(xué)成分、巖石的加工性能指數(shù)( 功指數(shù)、可磨性指數(shù)) 。只要有這些原始資料, 作為一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的施工單位, 完全可以擬定正確的工藝流程, 做好設(shè)備選型工作, 可以按所要求的各種比例生產(chǎn)出合格的砂石產(chǎn)品。⑤國(guó)外比較通行的做法是要在前期做一些巖石的小型試驗(yàn), 只要少量巖樣( 一般數(shù)十公斤到上百公斤) 做功指數(shù)和磨蝕性指數(shù)試驗(yàn), 這些試驗(yàn)國(guó)內(nèi)的一些專業(yè)單位都可以承擔(dān), 試驗(yàn)費(fèi)也只要幾萬(wàn)元。

      根據(jù)上述理由, 我們認(rèn)為, 現(xiàn)在通行的異地生產(chǎn)性試驗(yàn)可以取消, 代之以更為有用而經(jīng)濟(jì)的小型試驗(yàn)。至于混凝土試驗(yàn)所需巖樣, 可以按要求級(jí)配比例配制, 試驗(yàn)砂樣可按要求的細(xì)度模數(shù)配制。建議現(xiàn)行規(guī)范作適當(dāng)修改補(bǔ)充。

 

 

      在料源選定之后, 砂石系統(tǒng)要解決的主要問(wèn)題就是破碎制砂的工藝流程和設(shè)備選型。一個(gè)砂石加工系統(tǒng)的成敗和好壞, 主要是解決好巖性、工藝流程和設(shè)備選型三者之間的關(guān)系。根據(jù)我國(guó)各工程實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn), 可以概括為以下幾點(diǎn):

      (1) 對(duì)于生產(chǎn)四級(jí)配粗骨料, 通常應(yīng)采取三個(gè)破碎段, 對(duì)于三級(jí)配粗骨料, 則可以采用兩個(gè)破碎段。

      ( 2) 粗碎較常用的破碎機(jī)型是顎式和旋回式破碎機(jī)。顎式破碎機(jī)產(chǎn)量較低、外形尺寸較小、機(jī)重較輕、價(jià)格較低、土建工程量較少, 通常認(rèn)為產(chǎn)品粒形較差, 針片狀含量較高。旋回式破碎機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)正好與顎式相反。據(jù)某些工程的測(cè)定, 顎式破碎產(chǎn)品中針片狀多集中在中小石, 而大石、特大石的指標(biāo)均未超標(biāo)。我們認(rèn)為, 大多數(shù)水電工程砂石系統(tǒng)的使用年限均在5 年以下, 如果新購(gòu)設(shè)備, 應(yīng)優(yōu)先選用顎式破碎機(jī), 以減少土建工程量, 節(jié)約成本,其產(chǎn)品中小石針片狀含量較高的問(wèn)題可在后續(xù)破碎段解決。如破碎軟巖( 如石灰?guī)r) , 粗破亦可用反擊破。

      ( 3) 中細(xì)碎的機(jī)型主要是圓錐破和反擊破。破碎軟巖( 如石灰?guī)r) 可用反擊破, 其破碎比較大, 可減少破碎段; 破碎硬巖則應(yīng)采用圓錐破。國(guó)內(nèi)有的工程采用反擊破碎磨蝕性極大的溶結(jié)凝灰?guī)r, 造成超常磨損。也有的工程雖然也是破碎石灰?guī)r, 但因料源節(jié)理發(fā)育, 切割成碎塊, 采用反擊破作為中細(xì)碎機(jī)型, 造成過(guò)粉碎。40~80mm 一級(jí)在石中的中徑含量距規(guī)范要求相差很多, 最后被迫改換為圓錐破。這一事實(shí)也應(yīng)引起注意?？傊? 在選型時(shí)要十分重視被破碎的巖石的特性。

     ( 4) 制砂技術(shù)發(fā)展到今天, 基本上有兩種類型。一種是立式?jīng)_擊破與棒磨機(jī)聯(lián)合制砂, 另一種是單一的立式?jīng)_擊破制砂。前者以三峽等工程為代表, 后者以索風(fēng)營(yíng)等工程為代表。聯(lián)合制砂的優(yōu)點(diǎn)是棒磨機(jī)的產(chǎn)品細(xì)度模數(shù)穩(wěn)定, 可調(diào)性好, 但棒磨機(jī)重量大, 耗水、耗鋼量大, 水處理系統(tǒng)也大。單一立式?jīng)_擊破碎機(jī)制砂, 只要設(shè)定合理的流程, 砂的細(xì)度模數(shù)同樣可保持穩(wěn)定, 并達(dá)到2.4~2.8 左右規(guī)范要求的數(shù)值, 同時(shí)成品砂的含水率可在4%以下, 制砂成本也較低。已經(jīng)使用成功的有石灰?guī)r和花崗巖, 其他巖性則有待進(jìn)一步探索。

 

 

      碾壓混凝土要求有較高的石粉含量, 因此破碎加工中產(chǎn)生的石粉回收已是工藝流程中必不可少的工序:目前石粉回收基本上可有三種方式。

      ( 1) 依靠自然沉淀, 待干化后, 挖取石粉再摻入砂中。這是多數(shù)中小工程常用的辦法。由于方法簡(jiǎn)單, 某些大工程也在采用。

      ( 2) 水力旋流器配高頻振動(dòng)脫水篩。現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品中有單個(gè)旋流器和多個(gè)旋流器兩種。小直徑旋流器可分離出較細(xì)的粒徑( 可回收大于0.038mm 的細(xì)粒) 。有的工程已摸索出該種設(shè)備的運(yùn)行規(guī)律, 并與刮泥機(jī)聯(lián)合使用, 取得較好效果。有的工程則尚未掌握其運(yùn)行規(guī)律。

      ( 3) 負(fù)壓吸水, 加速沉淀池石粉干化。當(dāng)前已經(jīng)使用的沉淀池自然沉淀時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。如在沉淀池下部采用適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu), 用水泵抽水, 造成負(fù)壓脫水,則可大大加快石粉干化時(shí)間, 這是比較快速經(jīng)濟(jì)的方法, 有待進(jìn)一步實(shí)踐。

      砂石生產(chǎn)是用水大戶, 如用濕法生產(chǎn), 一個(gè)大型系統(tǒng)耗水量每小時(shí)達(dá)數(shù)千噸, 隨之產(chǎn)生大量污水。目前環(huán)保越來(lái)越重要, 污水必須經(jīng)處理才能排放, 同時(shí)經(jīng)處理后的污水變成合格的生產(chǎn)用水還可重復(fù)使用。砂石系統(tǒng)是臨時(shí)工程, 往往場(chǎng)地條件有限, 不可能像城市污水處理廠那樣大做文章。

目前常用的方法也可歸納為三種:

     ( 1) 自然沉淀。方法簡(jiǎn)單, 但需要較大的場(chǎng)地面積布置。

     ( 2) 壓濾機(jī)干化。經(jīng)初步沉淀后的泥漿以一定壓力送入壓濾機(jī), 定時(shí)排放干化的泥餅, 現(xiàn)有產(chǎn)品是45 分鐘一個(gè)循環(huán), 排放18m3 泥餅。經(jīng)過(guò)濾后的凈水可重復(fù)使用, 亦可排入河中。這種方法已在近期幾個(gè)大型工程砂石系統(tǒng)使用, 效果較好, 但成本較高。

     ( 3) 抽吸式排泥。如污泥中含石粉, 易板結(jié), 則應(yīng)破壞石粉的板結(jié)狀態(tài), 可用絞吸式泥漿泵排泥, 或以高壓水沖刷, 使板結(jié)的石粉液化為漿體, 再以泥漿泵吸走。

 

 

      水電工程施工的實(shí)質(zhì)是物料的大規(guī)模搬運(yùn)和重組。其中運(yùn)量最大的有兩處, 一處是開挖出渣, 另一處就是砂石骨料毛料和成品料的運(yùn)輸。最常用的運(yùn)輸方式是大型自卸汽車運(yùn)輸。近期一些大型水電工程采用的運(yùn)輸方式值得研究總結(jié)。

     ( 1) 溜井運(yùn)輸。這是礦山上常用的一種運(yùn)輸方式。國(guó)外德沃夏克水電站采石場(chǎng)用了兩個(gè)直徑6m 深約200m 左右的豎井運(yùn)送毛料, 地下設(shè)粗碎機(jī)。國(guó)內(nèi)二灘工程已作過(guò)淺溜井運(yùn)毛料, 地下設(shè)大型顎破預(yù)粗碎機(jī)。龍灘工程麻村砂石系統(tǒng)以直徑6m、深約150m 的豎井運(yùn)送毛料, 經(jīng)一段時(shí)間使用后, 情況良好。大法坪系統(tǒng)增容改造后又加兩個(gè)80m 深豎井, 設(shè)地下粗碎機(jī)。小灣工程采石場(chǎng)毛料運(yùn)輸設(shè)2 個(gè)直徑6m、深逾180m 的豎井, 目前施工已經(jīng)完成。對(duì)于高差大、料場(chǎng)與加工系統(tǒng)水平距離近、運(yùn)輸?shù)缆凡贾美щy的料場(chǎng), 采用豎井運(yùn)輸是一種值得考慮的方式。

       2) 長(zhǎng)距離膠帶機(jī)運(yùn)輸。龍灘工程大法坪砂石系統(tǒng)至混凝土系統(tǒng)間用了一條4km 長(zhǎng)的隧洞膠帶機(jī)運(yùn)送成品料, 除了驅(qū)動(dòng)裝置為進(jìn)口件外,其余均由國(guó)內(nèi)制造, 目前運(yùn)行情況良好。在龍灘工程使用4km 長(zhǎng)膠帶機(jī)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上, 向家壩工程太平料場(chǎng)到壩區(qū)砂石加工系統(tǒng)間半成品料運(yùn)輸確定采用五條總長(zhǎng)共31km的長(zhǎng)膠帶機(jī)方案。目前運(yùn)輸隧洞已招標(biāo)施工。

      ( 3) 長(zhǎng)膠帶機(jī)運(yùn)輸過(guò)去在國(guó)內(nèi)礦山和港口已大量使用?，F(xiàn)已用于水電工程砂石骨料運(yùn)輸。在大生產(chǎn)率和大運(yùn)量條件下, 膠帶機(jī)是一種經(jīng)濟(jì)高效的運(yùn)輸方式, 值得我們重視和研究。

 

 

      由于大中型水電工程分標(biāo)較多,混凝土用戶也多, 許多工程砂石系統(tǒng)單獨(dú)提前招標(biāo)建設(shè), 主體工程開工后, 以商品砂石料方式向各用戶提供。采用最多的方式是由業(yè)主單位委托設(shè)計(jì)單位編制砂石系統(tǒng)招標(biāo)文件,施工單位帶方案投標(biāo), 負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)、建安及運(yùn)行。并由業(yè)主單位采購(gòu)部分設(shè)備( 主要是進(jìn)口破碎設(shè)備) , 在招標(biāo)文件中明確設(shè)備回購(gòu)率, 工程完工后,設(shè)備產(chǎn)權(quán)移交施工單位。實(shí)踐證明,這是一種比較成功的管理方式。

      當(dāng)前有的工程出現(xiàn)了另一種招標(biāo)管理方式, 即業(yè)主不但供應(yīng)工廠生產(chǎn)的主要建材產(chǎn)品, 還要自行建立砂石工廠向中標(biāo)的施工單位供應(yīng)砂石產(chǎn)品。我們認(rèn)為, 這種方式將會(huì)產(chǎn)生以下弊端: ①我國(guó)各大水電工程局對(duì)于各種巖石砂系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建安、運(yùn)行具有豐富的專業(yè)經(jīng)驗(yàn), 而新組建的一些業(yè)主單位, 一般都缺少這方面的專業(yè)人員和經(jīng)驗(yàn), 即使從一些設(shè)計(jì)單位和施工單位臨時(shí)聘用人員也難以按合同承擔(dān)供應(yīng)砂石的責(zé)任。② 砂石骨料不同于鋼材、水泥、外加劑等工廠定型產(chǎn)品, 有出廠產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)合格單。砂石骨料是自行生產(chǎn)的非標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品, 而且母巖變數(shù)很多, 料場(chǎng)實(shí)際揭露的情況往往與設(shè)計(jì)勘探成果出入較大。砂石骨料在生產(chǎn)過(guò)程中環(huán)節(jié)很多, 水工混凝土對(duì)砂石骨料的質(zhì)量指標(biāo)要求較嚴(yán), 混凝土施工中出現(xiàn)的很多問(wèn)題都能與砂石產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)相聯(lián)系, 如果出現(xiàn)問(wèn)題, 業(yè)主有難以擺脫的責(zé)任。