阮光華：我國水工混凝土骨料技術(shù)的發(fā)展

日前在杭州召開的中國砂石協(xié)會(huì)2013年年會(huì)暨第二屆砂石行業(yè)創(chuàng)新與發(fā)展論壇上，華東勘測設(shè)計(jì)研究院教授級高級工程師阮光華作了《我國水工混凝土骨料技術(shù)的發(fā)展》報(bào)告，報(bào)告內(nèi)容整理如下：

我國的水能資源理論蘊(yùn)藏量達(dá)6.9億kw，居世界第一位。水能資源是可再生的清潔能源，國家對我國能源結(jié)構(gòu)中僅次于煤炭資源的水能開發(fā)極為重視，改革開放以來的三十多年時(shí)間里，在我國廣闊國土的大江大河上興建了一大批水電和水利工程，使我國的水電裝機(jī)容量和年發(fā)電量都躍居世界首位，成為名副其實(shí)的“水電王國”。與此同時(shí)，隨著這些工程的建成，其周圍地區(qū)的生態(tài)環(huán)境得到顯著改善，當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)獲得快速發(fā)展。

一、水電資源在我國能源結(jié)構(gòu)中的地位

我國常規(guī)能源資源儲(chǔ)量結(jié)構(gòu)

二、水工混凝土骨料技術(shù)特點(diǎn)和經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)

近二十年來，三峽工程和其后在我國西部地區(qū)的金沙江、雅礱江、瀾滄江、大渡河等大江大河上一批大型、特大型水電工程的興建，水工混凝土骨料技術(shù)遇到空前挑戰(zhàn)并獲得快速發(fā)展，在發(fā)展過程中形成了自身的特點(diǎn)。

水電工程混凝土量大而集中，一般在工程現(xiàn)場附近勘查選擇混凝土骨料料源并建立集中的大型骨料生產(chǎn)系統(tǒng)向用戶供應(yīng)骨料。一些巨型工程，如舉世矚目的三峽水利樞紐混凝土總量達(dá)到2800萬m³以上，近期在建的一些大型工程的混凝土量也都在千萬m³以上?；炷恋馁|(zhì)量對整個(gè)工程成敗起著決定性作用。

水工混凝土，特別是最關(guān)鍵的大壩混凝土的骨料，不論體積或重量都要占到混凝土的85%以上，而骨料是混凝土組成材料中唯一在現(xiàn)場生產(chǎn)的當(dāng)?shù)亟ㄖ牧?，其料源選擇、生產(chǎn)工藝、設(shè)備選型以至生產(chǎn)管理、質(zhì)量控制決定著砂石骨料的品質(zhì)。由于水電工程的特殊性（工程的重要性和處于深山峽谷），歷來對大壩混凝土骨料料源勘探選擇及骨料加工技術(shù)極其重視，在長期工程建設(shè)實(shí)踐中探索、積累了許多寶貴經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，主要有：

1．高度重視混凝土骨料料源選擇。全面比較原巖質(zhì)量和骨料質(zhì)量、混凝土性能、開采運(yùn)輸、移民征地、環(huán)保、工程投資等各個(gè)要素，最終確定技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的料源。

1.1重視骨料的綜合性能和對混凝土性能的綜合影響。水電工程重視料源母巖的穩(wěn)定性和骨料的綜合性能要求（如骨料強(qiáng)度、有害物質(zhì)的影響、堅(jiān)固性和吸水率、骨料級配、粒形等），同時(shí)更重視骨料對混凝土性能的影響（如混凝土工作性、強(qiáng)度、彈模、極限拉伸、干縮、自身體積變形、徐變、熱學(xué)性能等）。

1.2重視堿骨料反應(yīng)試驗(yàn)分析。所有大中型工程料源都經(jīng)過這一試驗(yàn)分析，我國水電界從上世紀(jì)50年代開始即注意避免使用堿活性骨料并控制水泥含堿量，因此在已建成的大中型水電工程中，迄今尚未發(fā)現(xiàn)一例堿骨料反應(yīng)。

1.3對機(jī)制砂石粉含量的研究不斷深入，并取得成果，有的工程機(jī)制砂產(chǎn)品中石粉含量已接近30%

如四川雅礱江錦屏二級水電站、廣西右江百色工程。

1.4對機(jī)制骨料有特殊要求的工程，在工程區(qū)內(nèi)無法選擇單一骨料時(shí)，亦可用組合骨料

如金沙江溪落渡工程、錦屏一級工程。

1.5逐漸重視巖石加工性能研究

如湖南沅水五強(qiáng)溪水電站的石英砂巖、浙江西溪、周公宅兩水庫的熔結(jié)凝灰?guī)r、四川雅礱江錦屏一級的變質(zhì)砂巖。

水電砂石系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范中已明確料源必需做小型試驗(yàn)（巖石功指數(shù)和磨蝕性指數(shù)）

1.6重視料場巖石表層風(fēng)化、灰?guī)r料場溶蝕夾泥的研究

如金沙江觀音巖水電站。

1.7重視料源選擇中的移民和環(huán)保問題

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2、針對不同母巖巖性不斷發(fā)展骨料加工技術(shù)

2.1我國水電工程砂石骨料遇到巖石的多樣性和復(fù)雜性是罕見的。

灰?guī)r、花崗巖、玄武巖、砂巖、流紋巖、凝灰?guī)r、片麻巖、正長巖、輝綠巖、砂板巖、大理巖、白云巖等。

2.2西部一些大型水電工程料場特別困難的地形、地質(zhì)條件下成功采用了豎井、斜井開采運(yùn)輸（最大高差達(dá)513m），為今后更加困難的工程建設(shè)創(chuàng)造了新經(jīng)驗(yàn)。

如瀾滄江小灣水電站、雅礱江錦屏一級水電站。

2.3長距離帶式輸送機(jī)在大型水電工程陸續(xù)成功使用，使得工程運(yùn)量最大的運(yùn)輸方式有了新的擴(kuò)展。

如1997年南京金陽水泥廠單條帶機(jī)長15.8km，龍灘工程開始使用長帶機(jī)（2003年，長4km），向家壩水電站于2007年投入31.1km的長帶機(jī)線，為世界之最。其耗電量僅為0.1kwh/t.km，單位運(yùn)輸成本僅為0.32元/t.km。

2009年錦屏二級工程引進(jìn)國外5.9km的空間曲線返程帶料長帶機(jī)投入運(yùn)行，同年龍開口工程6km長的國產(chǎn)空間曲線長帶機(jī)投入運(yùn)行。

義煤四公里皮帶雙Ｓ彎及機(jī)尾

2.4制砂工藝是砂石生產(chǎn)技術(shù)的核心。

早期水電工程骨料多用天然骨料，上世紀(jì)六十年代以來經(jīng)歷了棒磨機(jī)制砂、圓錐機(jī)制砂、立軸破與棒磨機(jī)聯(lián)合制砂、單級立軸破制砂、兩級立軸破制砂等方式。

本世紀(jì)初，日本根據(jù)天然砂資源短缺、禁采和混凝土需要更高指標(biāo)細(xì)骨料的市場需求，開發(fā)出V7制砂系統(tǒng)。V7制砂系統(tǒng)主要由專門設(shè)計(jì)的整形立軸破和空氣篩以及鼓風(fēng)機(jī)、收塵器、加濕機(jī)等部分組成。成品砂細(xì)度模數(shù)可在2.4~3.0范圍內(nèi)調(diào)節(jié)、波動(dòng)值在±0.1內(nèi)，砂的粒形接近球形，石粉含量和粒度亦可調(diào)整，砂含水率可穩(wěn)定在2%內(nèi)，同時(shí)均按事先設(shè)定的模式程序化自動(dòng)生產(chǎn)運(yùn)行，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。國內(nèi)企業(yè)已在2012年引進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)。

制砂循環(huán)工藝流程

2.5近期水電工程還解決了干法石粉分離技術(shù)、粗骨料整形技術(shù)、細(xì)顆粒分離技術(shù)等難題，為進(jìn)一步提高砂石品質(zhì)積累了豐富經(jīng)驗(yàn)

結(jié)論：組成混凝土的諸多材料中，除砂石外的其他材料均由工廠生產(chǎn)供應(yīng)，品質(zhì)較有保證，只有用量最大的砂石由現(xiàn)場加工，其質(zhì)量指標(biāo)會(huì)因各種因素產(chǎn)生波動(dòng)，進(jìn)而影響混凝土性能?，F(xiàn)在砂石加工工藝和設(shè)備的發(fā)展具備制出質(zhì)量指標(biāo)更優(yōu)的優(yōu)質(zhì)骨料條件，從而為長壽命優(yōu)質(zhì)混凝土提供了原料保證。

3．關(guān)于優(yōu)質(zhì)高性能混凝土及優(yōu)質(zhì)骨料

在總結(jié)近20年大型水電工程骨料技術(shù)的基礎(chǔ)上，中國水力發(fā)電工程學(xué)會(huì)施工專業(yè)委員會(huì)于2013年8月和11月分別在杭州和成都舉辦了兩次“優(yōu)質(zhì)混凝土與骨料技術(shù)研討會(huì)”。按照高性能混凝土的要求，對骨料技術(shù)明確了今后努力方向和實(shí)施步驟。

3.1首先要慎重選好混凝土骨料料源

除了開采運(yùn)輸、移民征地、環(huán)保、工程投資等各個(gè)要素外，要特別注意原巖質(zhì)量和骨料質(zhì)量、混凝土性能，最終確定技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的料源。要注意以下幾點(diǎn)：

（1）有關(guān)優(yōu)質(zhì)混凝土和優(yōu)質(zhì)骨料。不同工程原材料存在較大差異，建議根據(jù)具體工程實(shí)際情況和相關(guān)試驗(yàn)成果，確定優(yōu)質(zhì)混凝土的具體指標(biāo)；同時(shí)建議核算不同壽命混凝土工程的工程成本，以鼓勵(lì)建設(shè)單位建造長壽命混凝土，保持混凝土工業(yè)和國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

（2） 機(jī)制砂石粉中的云母含量如超標(biāo)，可通過混凝土試驗(yàn)論證，確定是否允許超標(biāo)使用。

（3） 對規(guī)范中未規(guī)定的有害物質(zhì)限值，如黃鐵礦，由于其對混凝土的有害作用，建議通過骨料和混凝土試驗(yàn)規(guī)定限值，并建議今后修改規(guī)范時(shí)明確其試驗(yàn)方法及其限值。

（4）機(jī)制砂中石粉含量超標(biāo)問題。考慮到不同巖性巖石的石粉對混凝土性能影響規(guī)律存在差異，如灰?guī)r石粉在含量適度的情況下對混凝土是有利的，建議根據(jù)具體工程實(shí)際情況通過混凝土試驗(yàn)確定合理限值。

（5）對骨料技術(shù)要求是否全部滿足規(guī)范才能使用問題。要根據(jù)具體情況而定，如骨料個(gè)別指標(biāo)不合格，或超標(biāo)不多，不應(yīng)立即否定，建議相關(guān)規(guī)范中規(guī)定通過混凝土試驗(yàn)論證存在不合格項(xiàng)指標(biāo)的骨料可用性。

（6）關(guān)于機(jī)制骨料小型試驗(yàn)問題（巖石的功指數(shù)和磨蝕性指數(shù)）。《水電工程砂石加工系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL/T5098-2010）已規(guī)定大型、特大型砂石加工系統(tǒng)，宜對所選料源石料做小型試驗(yàn)。

（7）對料源選擇階段時(shí)工程投資計(jì)算比較問題。建議除計(jì)算料源的直接費(fèi)用外，還應(yīng)考慮膠材用量、溫控、后續(xù)工程修補(bǔ)維護(hù)等費(fèi)用作比較，同時(shí)進(jìn)一步探討全生命周期總投資比較的可行性。

3.2關(guān)于骨料精細(xì)化、環(huán)保生產(chǎn)成套技術(shù)

我國砂石年生產(chǎn)量約100~110億t，反推混凝土澆筑量約為50億m³，目前砂石生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，已能生產(chǎn)質(zhì)量較好的粗、細(xì)骨料，其中細(xì)骨料細(xì)度模數(shù)及其變化在2.4~3.0范圍內(nèi)任選，波動(dòng)值可控制在±0.06以內(nèi)，機(jī)制砂的級配和粒形、石粉含量、含水率等能做到較精確控制，其性能可以保持較高的穩(wěn)定性。優(yōu)質(zhì)骨料對降低混凝土單位用水量和膠材用量，提高混凝土的工作性和密實(shí)度極為有利，從而可提高混凝土耐久性。建議大力推廣能夠生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)骨料的精細(xì)化、環(huán)保生產(chǎn)成套技術(shù)。

實(shí)物場景—達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)

3.3關(guān)于骨料級配。美國ACI207.IR-05中規(guī)定小石(5~19mm)分為兩級，分級界限為9.5mm，我國雅礱江二灘、黃河小浪底工程的國外承包商均將機(jī)制砂分為兩級（0~1.2mm，1.2~4.8mm），國內(nèi)對小石和砂不分級。小石和砂的分級對混凝土性能是有利的，特別是在級配不良或波動(dòng)時(shí)，分級更為有利。建議通過混凝土試驗(yàn)論證分級的合理性，并建議將砂的分級納入今后規(guī)范修改內(nèi)容。

3.4制砂工藝

國內(nèi)常見制砂工藝有濕法和干法兩種。濕法制砂工藝包含污水處理系統(tǒng)，用于巖石中含泥量較高的情況。干法制砂工藝包含收塵系統(tǒng)，與濕法制砂工藝運(yùn)用情況相反。國外（如日本）則是兩種方式結(jié)合使用。

FM2.4~3.0范圍內(nèi)任意調(diào)整，且波動(dòng)值做到在±0.06之內(nèi)，并可控制石粉的粒徑和含量。由于有嚴(yán)格的除塵系統(tǒng)，現(xiàn)場無粉塵污染。

3.5石粉含量和粒徑控制

砂中石粉（特別是碳酸鹽類巖石）在一定含量和粒徑條件下對混凝土是有益的，而且其中的細(xì)粉（小于75μm或45μm）含量還需有一定比例?，F(xiàn)在發(fā)展起來的制砂工藝應(yīng)做到石粉含量和粒徑的控制。

3.6砂的含水率控制

砂的含水率小于6%，混凝土的研究表明，混凝土中含水量及其波動(dòng)對混凝土耐久性極為不利采用環(huán)保型干法生產(chǎn)可以有效控制砂的含水率穩(wěn)定在2~3%之內(nèi)。

3.7粗骨料粒形

片狀分布的巖石中粗骨料針片狀易超標(biāo)，巖石破碎現(xiàn)有反擊破和立軸破組合生產(chǎn)方案。立軸破同時(shí)生產(chǎn)砂和中小石。針片狀巖石則與圓度系數(shù)有關(guān)。

3.8關(guān)于地下開采問題

露天開采方式涉及高邊坡穩(wěn)定和環(huán)保問題；地下開采方式更具經(jīng)濟(jì)性，且地下開采可減少霧霾，保持綠水青山，換來金山銀山。

3.9環(huán)保技術(shù)

環(huán)保技術(shù)工藝流程如下：

濕法生產(chǎn)—污水處理

預(yù)處理—粗顆粒（細(xì)砂和石粉）回收—螺旋洗砂機(jī)、鏈條刮板機(jī)、砂水分離器等中間處理—高效旋流凈化器、輻流、平（豎）流沉淀池、斜板沉淀池等末端處理—污泥—壓濾機(jī)、真空過濾機(jī)、離心機(jī)等。

實(shí)際工程往往因投資大、運(yùn)行費(fèi)高裝而不用，環(huán)保設(shè)施成為擺設(shè)，DH高效旋流凈化器處理效率高、運(yùn)行成本低，是值得研究推廣的方式。

結(jié)論：建議在國家規(guī)范一時(shí)尚未修訂的情況下，可以先提出優(yōu)質(zhì)骨料的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，分級定價(jià)。這樣先從規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)和政策上下手，鼓勵(lì)施工企業(yè)努力探索提高砂石加工工藝，鼓勵(lì)設(shè)備制造企業(yè)努力開發(fā)出新設(shè)備，制出優(yōu)質(zhì)砂石骨料，進(jìn)而提高混凝土施工性能和長期性能，建成優(yōu)質(zhì)工程留給子孫后代。