河床卵石料制砂工藝及其應(yīng)用實(shí)踐

陳立寧，李郁新

（廣西大藤峽水利樞紐開發(fā)有限責(zé)任公司，廣西 桂平 537200）

1 應(yīng)用背景

砂石骨料是混凝土拌制的重要原材料之一，以每立方米混凝土重量為2.4 t計(jì)，水工混凝土所使用的砂石骨料即達(dá)到2.2 t，在建筑市場上，混凝土常用的粗骨料一般采用山體石料，細(xì)骨料一般采用天然砂。廣西紅水河流域兩側(cè)多為丘陵、山地，其中貴港市、來賓市砂巖、灰?guī)r石山分布密集，是山體石料的主要產(chǎn)地，成品砂石骨料運(yùn)輸至廣西各地、珠三角地區(qū)乃至全國各地，用于水利、交通、房建等各類工程建設(shè)。

黨的十八大以來，黨中央形成并積極推進(jìn)“五位一體”總體布局，生態(tài)文明建設(shè)成為新時代社會主題之一，堅(jiān)持綠色發(fā)展、建設(shè)美麗中國，已經(jīng)成為經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的全新指引。隨著生態(tài)保護(hù)理念不斷深入人心，開山采石也逐漸趨于規(guī)范化，山體石料的總體產(chǎn)量呈下降趨勢，但是社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)仍處于高峰期，在此社會背景下，河床卵石料逐漸成為混凝土骨料的應(yīng)用熱門。

以水工混凝土的拌制生產(chǎn)為例，常規(guī)級配的混凝土用砂在砂石骨料中的占比為25%～35%，廣西紅水河流域中，天然級配的含砂量約為8%，由于河砂的提前開采，各砂石采區(qū)的含砂量常常不足5%。為滿足混凝土拌制需求，需要將卵石料制成人工砂，作為混凝土細(xì)骨料的重要補(bǔ)充，或直接將人工砂替代天然砂，應(yīng)用于混凝土拌制。

2 制砂工藝

河床卵石料制砂的總體工藝流程與山體石料差異較小。在毛料開采階段，用采砂船將大于300 mm 的超徑石篩出，300 mm 及以下的毛料運(yùn)輸至砂石料加工系統(tǒng)進(jìn)一步加工。在加工環(huán)節(jié)，首先需要通過篩分，按水工混凝土所需要的各種級配砂石骨料（特大石150～80 mm、大石80～40 mm、中石40～20 mm、小石20～5 mm四級粗骨料和<5 mm的天然砂細(xì)骨料）篩分堆存。再將300 mm～150 mm 的超徑石作為主要制砂原材料，同時可根據(jù)混凝土級配需求，將部分特大石、大石也作為人工砂制砂原材料。

利用天然卵石料生產(chǎn)人工砂，根據(jù)人工砂質(zhì)量要求，在選擇制砂設(shè)備時，應(yīng)充分考慮料源的破碎特點(diǎn)，制砂工藝要能及時調(diào)整砂的細(xì)度模數(shù)和石粉含量，保證生產(chǎn)出來的砂能達(dá)到質(zhì)量要求。目前建筑市場常用的制砂工藝主要為破碎研磨，設(shè)備選型常選用棒磨機(jī)和破碎機(jī)。其中棒磨機(jī)為使用經(jīng)驗(yàn)成熟的傳統(tǒng)制砂設(shè)備，而破碎機(jī)隨著建筑行業(yè)發(fā)展，使用技術(shù)也逐步趨于成熟。用于制砂的破碎機(jī)種類較多，主要有反擊式破碎機(jī)、圓錐式破碎機(jī)和立軸式?jīng)_擊破碎機(jī)3種，其中圓錐式破碎機(jī)、立軸式?jīng)_擊破碎機(jī)由于產(chǎn)能較大、設(shè)備使用耐久性高，比較適用于中、大型的砂石料生產(chǎn)系統(tǒng)。棒磨機(jī)、立軸式?jīng)_擊破碎機(jī)和圓錐破碎機(jī)3種制砂設(shè)備工藝特點(diǎn)如下：

（1）棒磨機(jī)制砂工藝。棒磨機(jī)是傳統(tǒng)的制砂設(shè)備，設(shè)備型號選擇也比較豐富，結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，可適用于各種硬度的巖石和各種規(guī)模的制砂系統(tǒng)；通過棒磨機(jī)研磨生產(chǎn)出來的人工砂，細(xì)度模數(shù)連續(xù)、平均粒徑穩(wěn)定，一般無超徑物料，且顆粒形態(tài)較好。另外，棒磨機(jī)制砂還能很好地調(diào)整砂的細(xì)度模數(shù)，只要適當(dāng)調(diào)整加工原料的輸入強(qiáng)度，生產(chǎn)出來砂的細(xì)度模數(shù)便能相應(yīng)提高，能很好地向原料細(xì)砂中補(bǔ)充粗砂，起到提高細(xì)度模數(shù)的作用。但是對于大型的砂石料生產(chǎn)系統(tǒng)，若要達(dá)到一定規(guī)模的產(chǎn)能，則需要配置的棒磨機(jī)數(shù)量相對較多，另外研磨棒作為其主要消耗品，材料消耗率較大，運(yùn)行成本也相應(yīng)較高。

（2）立軸式?jīng)_擊破碎機(jī)制砂工藝。立軸式?jīng)_擊破碎機(jī)主要分為雙料流沖擊式、單料流沖擊式兩種，雙料流沖擊式立軸破碎機(jī)的加工原料通過進(jìn)料口的擋板進(jìn)行分流，分兩股從中心和四周進(jìn)入機(jī)器，其中一股從中心管進(jìn)入旋沖盤內(nèi)，通過離心力甩向四周，而另一股從四周落下，與中心進(jìn)入的原料反復(fù)沖擊破碎。單料流沖擊式立軸破碎機(jī)的加工原料則無需分流，全部原料通過中心管直接進(jìn)入旋沖盤，通過調(diào)整盤上導(dǎo)料板的角度，將原料甩向外壁的鐵砧上制成人工砂。單料流沖擊式立軸破碎機(jī)相對于雙料流沖擊式立軸破碎機(jī)，加工原料的進(jìn)出方式比較單一，產(chǎn)能也更高。

（3）圓錐破碎機(jī)制砂工藝。圓錐破碎機(jī)的制砂原理主要是利用動錐的偏心轉(zhuǎn)動，使動錐與定錐之間形成一個擠壓破碎腔，加工原料進(jìn)入破碎腔經(jīng)過動錐與定錐的擠壓后被破碎。圓錐破碎機(jī)具有設(shè)備安裝方便、性能穩(wěn)定、故障率低的優(yōu)點(diǎn)，適合于硬度偏大的石料。

針對上述制砂工藝的特點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)原材料物理性質(zhì)、生產(chǎn)強(qiáng)度要求，選用一種或同時選用多種工藝，從制砂效率、質(zhì)量、成本等方面綜合各種型號設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)，在確保產(chǎn)量和質(zhì)量的基礎(chǔ)上降低生產(chǎn)成本。

3 品質(zhì)控制

《水工混凝土施工規(guī)范》（SL677-2014）第5.3.5條對骨料的品質(zhì)提出了具體要求，涉及到人工砂生產(chǎn)的幾個主要參數(shù)分別為細(xì)度模數(shù)、石粉含量和表面含水率。其中細(xì)度模數(shù)要求為2.4～2.8，石粉含量要求為6%～18%，表面含水率要求為≤6%。人工砂的生產(chǎn)，細(xì)度模數(shù)與石粉含量之間、石粉含量與含水率之間均呈反比關(guān)系，為保證細(xì)度模數(shù)，卵石料的研磨需要更細(xì)，制砂產(chǎn)生的石粉就越多；而為了控制石粉含量，往往采用高速水流沖洗去除多余石粉，因此產(chǎn)生出的成品人工砂含水率較高，需要采取進(jìn)一步的降低含水率的措施。細(xì)度模數(shù)主要控制因素為設(shè)備選型和參數(shù)設(shè)置，這里主要講述針對廣西地區(qū)卵石料和氣候條件的特性而需要注意的石粉含量和含水率的控制措施。

3.1 人工砂石粉含量控制

廣西紅水河流域的卵石料巖性主要為紅砂巖，以貴港市桂平市江口鎮(zhèn)為例，其河床卵石料物理性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 江口料場卵石料物理性質(zhì)試驗(yàn)成果表

通過試驗(yàn)成果可以看出，巖性主要為紅砂巖的卵石料軟弱顆粒雖然質(zhì)量指標(biāo)合格，但指標(biāo)偏大，在生產(chǎn)實(shí)踐中也發(fā)現(xiàn)，在沖洗前，通過卵石料生產(chǎn)出來的人工砂石粉含量普遍在35%左右，而砂巖、灰?guī)r料生產(chǎn)出來的人工砂石粉含量在25%左右，需要沖洗以降低石粉含量；同時，在運(yùn)輸堆存時發(fā)現(xiàn)，從砂石加工系統(tǒng)成品砂倉運(yùn)往混凝土拌和系統(tǒng)的過程中，石粉含量會上浮2%～3%。

針對此特性，在生產(chǎn)人工砂的工藝流程中，應(yīng)當(dāng)加大沖洗力度，將成品料的石粉含量控制在15%以內(nèi)，從而使混凝土拌制時人工砂的石粉含量在18%以內(nèi)，確保滿足規(guī)范要求。

3.2 人工砂含水率控制

在水工混凝土生產(chǎn)中，人工砂的含水率要求不宜超過6%，且應(yīng)該保持穩(wěn)定，這是根據(jù)水工混凝土的特性來決定的。水工混凝土通常有溫控要求，高溫季節(jié)除了需要對粗骨料進(jìn)行預(yù)冷外，還需在拌制過程中添加冰片，以達(dá)到設(shè)計(jì)要求的混凝土出機(jī)口溫度。不同配合比的水工混凝土，對用水總量均有一定要求，若人工砂含水率過高，在用水總量控制的前提下，可加冰量將對應(yīng)減少，對混凝土溫控造成不利影響；若人工砂含水率波動較大，除了需要頻繁調(diào)整生產(chǎn)用水量，增加拌和樓運(yùn)行成本外，對混凝土強(qiáng)度的穩(wěn)定性控制也不利。

人工砂的脫水工藝一般分為兩個階段。在生產(chǎn)過程中采用直線振動篩分散脫水工藝，也可以根據(jù)石粉的產(chǎn)出，在可控范圍內(nèi)采取半干法生產(chǎn)工藝，將沖洗過、石粉含量較低的濕砂與未沖洗、石粉含量較高的干砂混合，在保證石粉含量達(dá)標(biāo)的前提下，生產(chǎn)出含水率較低的人工砂。在成品砂存儲過程中，采用分倉脫水工藝，根據(jù)生產(chǎn)、使用強(qiáng)度分為多個小倉，一進(jìn)、一出、多脫水，干濕料分倉堆存，保證用于拌制的人工砂含水率滿足規(guī)范要求。

4 應(yīng)用實(shí)踐

大藤峽水利樞紐工程主體結(jié)構(gòu)混凝土為常態(tài)混凝土，設(shè)計(jì)總方量超過710萬m3，高峰期混凝土澆筑強(qiáng)度為每月25 萬m3。工程采用的混凝土骨料為壩址下游40 km 的江口砂礫石料場作為主料場，同時將壩址上游的馬鹿嶺砂巖料場作為備用料場，使用山體石料破碎篩分為粗骨料和人工砂。主料場通過750 t/h 開采能力的鏈斗式采砂船、1200 t 級的運(yùn)輸船開采運(yùn)輸至壩址處的砂石加工系統(tǒng)進(jìn)行加工。為滿足生產(chǎn)強(qiáng)度要求，大藤峽工程砂石料系統(tǒng)設(shè)計(jì)處理能力需要達(dá)到每月89.85萬t，按高峰強(qiáng)度日24 h 生產(chǎn)、月生產(chǎn)25 d 計(jì)算，加工系統(tǒng)毛料處理能力為2567 t/h，成品骨料生產(chǎn)能力為2187 t/h，其中人工砂生產(chǎn)能力為725 t/h。

在進(jìn)行工藝計(jì)算時，先對3 種不同的料源進(jìn)行工藝計(jì)算和工藝設(shè)計(jì)，選用的破碎設(shè)備能適用不同料源的破碎，中細(xì)碎設(shè)備選用3 臺HP500 圓錐破碎機(jī)，該設(shè)備為進(jìn)口設(shè)備，既能適用天然砂礫石料的破碎，也能在備用料場啟用后適用于石料的破碎。綜合各種因素，人工砂制造工藝的設(shè)備選型同時選用了6 臺MBZ2136 棒磨機(jī)和9 臺B9100 立軸破碎機(jī)，這樣的設(shè)備組合既能滿足卵石料人工砂的生產(chǎn)質(zhì)量、強(qiáng)度要求，又能在河床卵石料不足、備用料場啟用后，適用于山體石料的制砂生產(chǎn)，保證了系統(tǒng)的易改造性。

根據(jù)備用料場山體石料的物理化學(xué)性能指標(biāo)，啟用壩址上游的馬鹿嶺砂巖備用石料場后，中細(xì)碎車間需再增加2 臺HP500 圓錐破碎機(jī)，為保證改造調(diào)整量最小，在系統(tǒng)布置時，在中細(xì)碎車間預(yù)留了一定面積的場地，確保在啟用備用料場后，破碎車間改造的簡易性。

選配膠帶機(jī)時，既兼顧生產(chǎn)卵石料的經(jīng)濟(jì)性，又充分考慮啟用備用料場后膠帶機(jī)的更換，在膠帶機(jī)功率配置相差不大時，一次性配置到位。在功率相差較大時，膠帶機(jī)僅更換驅(qū)動裝置即可，相對應(yīng)的電氣設(shè)備一次性配置到位。啟用壩址上游的馬鹿嶺砂巖備用石料場時，需改造系統(tǒng)處理能力為2187 t/h，將B10、B11、B19、B20、B21 膠帶機(jī)功率增大即可。該方案保證了改造的經(jīng)濟(jì)性、便利性。

工藝設(shè)計(jì)時，考慮啟用壩址上游的馬鹿嶺砂巖備用石料場后，能充分利用卵石料生產(chǎn)的設(shè)備，保證改造的經(jīng)濟(jì)性。備用料場啟用后，將第一篩分車間2 臺3YKR2460 圓振動篩和2 臺2YKRH3060H 重型振動篩（第一篩分車間下層的振動篩在原工藝設(shè)計(jì)時，只需兩層篩網(wǎng)，但考慮到系統(tǒng)改造需要，配置了三層篩網(wǎng)的振動篩）、洗砂機(jī)、脫水篩，拆除后安裝至二篩車間，以確保設(shè)計(jì)改造的兼容性。

通過以上措施，該砂石料系統(tǒng)能夠較好地完成河床卵石料制砂工作，保證了人工砂供應(yīng)的產(chǎn)量和質(zhì)量，同時在設(shè)備選型上充分考慮了后續(xù)的升級改造工作，保證了壩址上游的馬鹿嶺砂巖備用石料場啟用時，不因?yàn)橄到y(tǒng)升級改造影響原有的砂石骨料生產(chǎn)供應(yīng)。

大藤峽水利樞紐工程自2015年9月開工以來，主體工程澆筑混凝土累計(jì)超過630 萬m3，使用人工砂累計(jì)超過500萬t，表明該砂石料系統(tǒng)能滿足工程混凝土澆筑用砂需求。

5 結(jié)語

應(yīng)用實(shí)踐表明河床卵石料制砂具有產(chǎn)量可控、質(zhì)量可控等優(yōu)勢，可滿足高強(qiáng)度的混凝土澆筑用砂要求，但應(yīng)注意以下幾方面：

（1）在河床卵石料的開采、加工、使用過程中，應(yīng)充分考慮其天然級配不均勻的特性，尤其在作為某一工程的專用料源時，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照《水電水利工程砂石料開采及加工系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)范》（DL/T5311-2 013）要求進(jìn)行料場復(fù)勘，根據(jù)料場儲量及時優(yōu)化調(diào)整生產(chǎn)工藝，確保各級配砂石骨料能夠有效利用于工程建設(shè)。

（2）河床卵石料制砂產(chǎn)生的石粉，雖不可用于混凝土拌制或作為種植土使用，但經(jīng)過脫水晾曬后，在路基填筑等部位仍有較大可利用價值，在人工砂生產(chǎn)的同時，應(yīng)該多專業(yè)領(lǐng)域合作，合理回收利用。如確實(shí)不便于回收利用，應(yīng)當(dāng)集中堆放處置，避免對周邊土壤環(huán)境造成不良影響。

（3）廣西夏天多雨且降雨強(qiáng)度大，常年空氣濕度大，對成品砂的脫水不利，因此在分倉脫水時，應(yīng)該適當(dāng)增加倉數(shù)，合理設(shè)置排水盲溝并及時清理，延長脫水時間，提高脫水效率；同時做好砂倉防雨、防澇措施，避免降雨侵入導(dǎo)致含水率增加。在統(tǒng)籌考慮生產(chǎn)成本的前提下，亦可采取密封砂倉、脫水機(jī)等，以提高脫水效率。