我國水利水電工程混凝土骨料生產技術的發展
2006-04-26 00:00
摘要: 我國混凝土骨料生產的發展歷程大約有半個世紀, 通過對當前我國混凝土骨料生產的評述, 提出了六個重要問題: 1.料源選擇與勘探精度, 2.關于生產性試驗和小型試驗問題, 3.破碎制砂的工藝及設備選型問題, 4.石粉回收和污水處理, 5.物料的水平和垂直運輸, 6.砂石系統招標的模式與管理方式。
關鍵詞: 混凝土骨料; 生產發展歷程; 重要問題
一、我國混凝土骨料生產技術的發展歷程
我國砂石生產技術的進步是隨著水利水電工程建設的發展而發展的。早在新中國成立初期, 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。上世紀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100 萬～300 萬m3, 出現了大型機械化的天然砂石料加工系統。此后, 一系列大型水利水電工程開工建設, 如劉家峽、丹江口、葛洲壩等水電站, 天然砂石料加工系統都保持了相當的水平。隨著水電工程向河流上游和中西部推進, 天然料源漸趨缺乏, 工程技術人員開始了人工骨料加工技術的研究和實踐。
上世紀60 年代初貴州貓跳河二級采用錘式破碎機制砂; 上世紀60 年代中期映秀灣水電站進行了棒磨機制砂的研究試驗并取得了可喜成果, 推廣應用于工程建設中。在吸取這一成功經驗的基礎上, 上世紀70 年代興建的烏江渡水電站建立了500t/h 的以石灰巖為料源的大型人工砂石系統, 成為我國砂石生產技術發展的里程碑。此后人工骨料加工技術得到了飛速發展。除了石灰巖為料源外, 還建立了以花崗巖、砂巖、石英巖、流紋巖、玄武巖、閃長巖、片麻巖、輝綠巖、凝灰巖等多種巖石為母巖的人工骨料加工系統。特別是上世紀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模上還是在技術水平上都達到了新的高度。這些工程在料源選擇、料場開采、加工工藝流程及設備、砂石產品的質量等多方面都進入了世界先進水平。我國水利水電工程砂石加工所遇到的巖性的復雜性、多樣性在世界各國水電工程建設史上是罕見的。隨著工程建設經驗的積累,工程技術人員已經逐步找到了對付各種巖性的辦法。一些中型工程還精益求精地研究改進砂石生產技術, 經濟地生產出優質產品。我國砂石生產技術已經進入了成熟發展時期, 值得認真地總結, 加以提高。
二、混凝土骨料生產的幾個重要問題
1.料源選擇與勘探精度料源的選定是水利水電工程建設中的重要問題.
經過多年工程實踐積累的經驗教訓, 已成為人們的共識。但這一認識的獲得, 是以慘重的教訓為代價得來的, 仍然值得認真總結。
料源選擇是工程設計前期工作內容之一, 我國早有相應的勘探試驗規程, 但過去多數設計單位比較重視壩區的地質勘探試驗, 而對建筑材料的勘探試驗則不夠重視, 有的根本不按規程進行勘探試驗, 工程開工之后才發現料源數量不夠或是質量有問題,被迫停工另找料源。例如有一個大型電站, 前期勘探試驗較少, 料場剝離之后, 發現不但覆蓋層很厚, 其流紋巖還含有許多鐵質銹斑, 影響混凝土強度,被迫轉移料場。另一個大型電站, 開工之后發現料源巖石具有超常磨蝕性,砂石系統設備磨損極快, 生產能力遠達不到設計能力, 被迫停工增容改建。
近期正在施工的一個大型水利工程,整個料場只有一個鉆孔打入有用層,直到工程開工后的咨詢才發現這一問題, 由業主單位另行委托作補充勘探。此類例子甚多, 種種教訓已引起水電界的重視, 新出的施工組織設計規范,將料源選定單列一章。即將開工的向家壩水電站, 設計單位做了長期的勘探、試驗比選工作, 最終選定距壩址50余km的太平灰巖料場即為一例。國內已建工程的正反面經驗教訓給出的結論, 就是一定要在工程前期按建筑材料勘探試驗規程做好工作, 不能有任何簡化、取巧。
2.關于混凝土骨料的生產性試驗和小型試驗問題
現在各大型工程在混凝土骨料料源選擇過程中普遍做砂石骨料的生產性試驗, 并已列入規范之中。通常要在料場取數百噸、甚至上千噸樣品運往被選定的已建砂石系統做生產性加工試驗, 得出產量、級配組成、針片狀含量等數據, 并將加工后的砂石產品作為混凝土試驗的原料。我們認為, 現在廣為采用的生產性試驗成果價值不大, 而應以小型試驗代替,其理由是: ①一個大型工程的料場儲量通常至少數百萬立方米, 往往分布有不同的構造帶、夾層、甚至巖性都會有變化。而幾百噸的巖樣往往在某個勘探平洞內或在表面的槽探坑內挖取, 難以有代表性。②通常進行生產性試驗的砂石系統的生產能力都在500t/h 以上。經過長途運輸的巖樣, 在很短時間內被加工完畢, 也很難做到擠滿給料, 加工設備的參數難以在試驗時間內調整。想要的產量、級配比例、粒形等產品數據不能反映大規模生產時的情況。③我國水電工程砂石生產已經積累了多種巖石、多種工藝流程和設備的運行經驗, 已有多種巖性的大量生產數據, 可作為砂石系統設計的比較成熟的參考資料,這些數據要比幾百噸巖石加工所得到的數據準確得多。④作為施工單位來講, 設計砂石系統所需要的資料是料源巖石的物理力學指標、礦物成分組成、化學成分、巖石的加工性能指數( 功指數、可磨性指數) 。只要有這些原始資料, 作為一個有經驗的施工單位, 完全可以擬定正確的工藝流程, 做好設備選型工作, 可以按所要求的各種比例生產出合格的砂石產品。⑤國外比較通行的做法是要在前期做一些巖石的小型試驗, 只要少量巖樣( 一般數十公斤到上百公斤) 做功指數和磨蝕性指數試驗, 這些試驗國內的一些專業單位都可以承擔, 試驗費也只要幾萬元。
根據上述理由, 我們認為, 現在通行的異地生產性試驗可以取消, 代之以更為有用而經濟的小型試驗。至于混凝土試驗所需巖樣, 可以按要求級配比例配制, 試驗砂樣可按要求的細度模數配制。建議現行規范作適當修改補充。
3.破碎制砂的工藝及設備選型問題
在料源選定之后, 砂石系統要解決的主要問題就是破碎制砂的工藝流程和設備選型。一個砂石加工系統的成敗和好壞, 主要是解決好巖性、工藝流程和設備選型三者之間的關系。根據我國各工程實踐的經驗, 可以概括為以下幾點:
(1) 對于生產四級配粗骨料, 通常應采取三個破碎段, 對于三級配粗骨料, 則可以采用兩個破碎段。
( 2) 粗碎較常用的破碎機型是顎式和旋回式破碎機。顎式破碎機產量較低、外形尺寸較小、機重較輕、價格較低、土建工程量較少, 通常認為產品粒形較差, 針片狀含量較高。旋回式破碎機的優缺點正好與顎式相反。據某些工程的測定, 顎式破碎產品中針片狀多集中在中小石, 而大石、特大石的指標均未超標。我們認為, 大多數水電工程砂石系統的使用年限均在5 年以下, 如果新購設備, 應優先選用顎式破碎機, 以減少土建工程量, 節約成本,其產品中小石針片狀含量較高的問題可在后續破碎段解決。如破碎軟巖( 如石灰巖) , 粗破亦可用反擊破。
( 3) 中細碎的機型主要是圓錐破和反擊破。破碎軟巖( 如石灰巖) 可用反擊破, 其破碎比較大, 可減少破碎段; 破碎硬巖則應采用圓錐破。國內有的工程采用反擊破碎磨蝕性極大的溶結凝灰巖, 造成超常磨損。也有的工程雖然也是破碎石灰巖, 但因料源節理發育, 切割成碎塊, 采用反擊破作為中細碎機型, 造成過粉碎。40~80mm 一級在石中的中徑含量距規范要求相差很多, 最后被迫改換為圓錐破。這一事實也應引起注意?？傊? 在選型時要十分重視被破碎的巖石的特性。
( 4) 制砂技術發展到今天, 基本上有兩種類型。一種是立式沖擊破與棒磨機聯合制砂, 另一種是單一的立式沖擊破制砂。前者以三峽等工程為代表, 后者以索風營等工程為代表。聯合制砂的優點是棒磨機的產品細度模數穩定, 可調性好, 但棒磨機重量大, 耗水、耗鋼量大, 水處理系統也大。單一立式沖擊破碎機制砂, 只要設定合理的流程, 砂的細度模數同樣可保持穩定, 并達到2.4~2.8 左右規范要求的數值, 同時成品砂的含水率可在4%以下, 制砂成本也較低。已經使用成功的有石灰巖和花崗巖, 其他巖性則有待進一步探索。
4.石粉回收和污水處理
碾壓混凝土要求有較高的石粉含量, 因此破碎加工中產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。這是多數中小工程常用的辦法。由于方法簡單, 某些大工程也在采用。
( 2) 水力旋流器配高頻振動脫水篩?，F有國內外產品中有單個旋流器和多個旋流器兩種。小直徑旋流器可分離出較細的粒徑( 可回收大于0.038mm 的細粒) 。有的工程已摸索出該種設備的運行規律, 并與刮泥機聯合使用, 取得較好效果。有的工程則尚未掌握其運行規律。
( 3) 負壓吸水, 加速沉淀池石粉干化。當前已經使用的沉淀池自然沉淀時間過長。如在沉淀池下部采用適當的結構, 用水泵抽水, 造成負壓脫水,則可大大加快石粉干化時間, 這是比較快速經濟的方法, 有待進一步實踐。
砂石生產是用水大戶, 如用濕法生產, 一個大型系統耗水量每小時達數千噸, 隨之產生大量污水。目前環保越來越重要, 污水必須經處理才能排放, 同時經處理后的污水變成合格的生產用水還可重復使用。砂石系統是臨時工程, 往往場地條件有限, 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。方法簡單, 但需要較大的場地面積布置。
( 2) 壓濾機干化。經初步沉淀后的泥漿以一定壓力送入壓濾機, 定時排放干化的泥餅, 現有產品是45 分鐘一個循環, 排放18m3 泥餅。經過濾后的凈水可重復使用, 亦可排入河中。這種方法已在近期幾個大型工程砂石系統使用, 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, 則應破壞石粉的板結狀態, 可用絞吸式泥漿泵排泥, 或以高壓水沖刷, 使板結的石粉液化為漿體, 再以泥漿泵吸走。
5.物料的水平和垂直運輸
水電工程施工的實質是物料的大規模搬運和重組。其中運量最大的有兩處, 一處是開挖出渣, 另一處就是砂石骨料毛料和成品料的運輸。最常用的運輸方式是大型自卸汽車運輸。近期一些大型水電工程采用的運輸方式值得研究總結。
( 1) 溜井運輸。這是礦山上常用的一種運輸方式。國外德沃夏克水電站采石場用了兩個直徑6m 深約200m 左右的豎井運送毛料, 地下設粗碎機。國內二灘工程已作過淺溜井運毛料, 地下設大型顎破預粗碎機。龍灘工程麻村砂石系統以直徑6m、深約150m 的豎井運送毛料, 經一段時間使用后, 情況良好。大法坪系統增容改造后又加兩個80m 深豎井, 設地下粗碎機。小灣工程采石場毛料運輸設2 個直徑6m、深逾180m 的豎井, 目前施工已經完成。對于高差大、料場與加工系統水平距離近、運輸道路布置困難的料場, 采用豎井運輸是一種值得考慮的方式。
2) 長距離膠帶機運輸。龍灘工程大法坪砂石系統至混凝土系統間用了一條4km 長的隧洞膠帶機運送成品料, 除了驅動裝置為進口件外,其余均由國內制造, 目前運行情況良好。在龍灘工程使用4km 長膠帶機經驗的基礎上, 向家壩工程太平料場到壩區砂石加工系統間半成品料運輸確定采用五條總長共31km的長膠帶機方案。目前運輸隧洞已招標施工。
( 3) 長膠帶機運輸過去在國內礦山和港口已大量使用?，F已用于水電工程砂石骨料運輸。在大生產率和大運量條件下, 膠帶機是一種經濟高效的運輸方式, 值得我們重視和研究。
6.砂石系統招標的模式與管理方式
由于大中型水電工程分標較多,混凝土用戶也多, 許多工程砂石系統單獨提前招標建設, 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主單位委托設計單位編制砂石系統招標文件,施工單位帶方案投標, 負責設計、建安及運行。并由業主單位采購部分設備( 主要是進口破碎設備) , 在招標文件中明確設備回購率, 工程完工后,設備產權移交施工單位。實踐證明,這是一種比較成功的管理方式。
當前有的工程出現了另一種招標管理方式, 即業主不但供應工廠生產的主要建材產品, 還要自行建立砂石工廠向中標的施工單位供應砂石產品。我們認為, 這種方式將會產生以下弊端: ①我國各大水電工程局對于各種巖石砂系統的設計、建安、運行具有豐富的專業經驗, 而新組建的一些業主單位, 一般都缺少這方面的專業人員和經驗, 即使從一些設計單位和施工單位臨時聘用人員也難以按合同承擔供應砂石的責任。② 砂石骨料不同于鋼材、水泥、外加劑等工廠定型產品, 有出廠產品質量檢驗合格單。砂石骨料是自行生產的非標準產品, 而且母巖變數很多, 料場實際揭露的情況往往與設計勘探成果出入較大。砂石骨料在生產過程中環節很多, 水工混凝土對砂石骨料的質量指標要求較嚴, 混凝土施工中出現的很多問題都能與砂石產品的質量指標相聯系, 如果出現問題, 業主有難以擺脫的責任。
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