一種砂石拌合的新型工藝研究

摘 要：依托水利工程項(xiàng)目進(jìn)行就地取材可以降低建設(shè)成本，本文以水庫砂石拌合問題為研究對象，進(jìn)行了具體工藝流程設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證。首先，分別建立3個計(jì)算模型，用于分析砂石拌合過程中的拌合料總需求量、拌合料的單位時間產(chǎn)出量以及拌合裝置的最大容量。其次，設(shè)計(jì)砂石拌合流程，多次破碎和三次冷卻是本工藝流程的重要特點(diǎn)。最后，對混合料強(qiáng)度和滲透系數(shù)進(jìn)行性能測試，結(jié)果表明，采用本文工藝后，砂石拌合料的性能更好。

關(guān)鍵詞：山西垣曲；抽水蓄能電站；水庫砂拌系統(tǒng)

中圖分類號：TV 62" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在水利水電工程項(xiàng)目的施工建設(shè)過程中，砂石拌合系統(tǒng)的開發(fā)與建設(shè)具有十分重要的作用[1]。砂石拌合系統(tǒng)本身規(guī)模大、復(fù)雜程度高，開發(fā)和建設(shè)必須根據(jù)水利水電工程項(xiàng)目的實(shí)際情況，對工程項(xiàng)目的地理位置、空間布局、地質(zhì)情況和水文特征進(jìn)行充分考慮[2]。同時，在砂石拌合系統(tǒng)建設(shè)過程中也必須采用先進(jìn)的技術(shù)，選擇配置工作效率高、性能可靠的設(shè)備?？紤]工作環(huán)境影響和需要反復(fù)多次使用，涉及設(shè)備還必須配套有效的保養(yǎng)措施和維修手段[3]。在砂石拌合系統(tǒng)建設(shè)施工前，必須充分考慮整套砂石拌合的工藝流程，而系統(tǒng)中各種設(shè)備、硬件和軟件的配置都應(yīng)該為這套流程服務(wù)?？梢?，砂石拌合工藝是砂石拌合系統(tǒng)建設(shè)的核心，也是砂石拌合系統(tǒng)施工的基礎(chǔ)。本文以山西某抽水蓄能電站下水庫砂拌系統(tǒng)建設(shè)為具體研究對象，針對砂石拌合問題提出新的工藝，并通過試驗(yàn)加以驗(yàn)證。

1 水庫砂石拌合模型和參數(shù)計(jì)算

抽水蓄能電站是重要的水利工程項(xiàng)目，包括5個重要組成部分，即重力大壩段、船閘、泄洪閘、發(fā)電廠房以及升壓開關(guān)站。在水利水電工程項(xiàng)目建設(shè)過程中，要充分利用當(dāng)?shù)氐馁Y源條件，通過合理的砂石拌合獲得建設(shè)所需原材料。

一個水利工程項(xiàng)目的砂石拌合料總需求量與所在地的毛料單位時間開采強(qiáng)度有關(guān)，該計(jì)算模型如公式（1）所示。

Qmh=k1Qh （1）

式中：Qmh為一個水利工程項(xiàng)目中單位時間的毛料開采量，t/h；k1為從毛料開采量到最終開采量的損耗系數(shù)，是一個無量綱單位；Qh為一個水利工程項(xiàng)目中單位時間的最終開采量，t/h。

根據(jù)公式（1），如果一個水利工程項(xiàng)目中單位時間的毛料開采量為80.5t/h，毛料開采量到最終開采量的損耗系數(shù)為1.15，就可以計(jì)算出該水利工程項(xiàng)目中單位時間的最終開采量為69.56t/h。

一個水利工程項(xiàng)目的砂石拌合料的單位時間產(chǎn)出量還可以根據(jù)如公式（2）所示的模型計(jì)算。

（2）

式中：Q為一個水利工程項(xiàng)目的砂石拌合料的單位時間產(chǎn)出量；K為單位時間生產(chǎn)不均勻度系數(shù)；Qm為一個水利工程項(xiàng)目的砂石拌合料的月度產(chǎn)出量；d為砂石拌合料生產(chǎn)的月度有效總天數(shù)；h為砂石拌合料生產(chǎn)的每天有效總工作時數(shù)。

根據(jù)公式（2），設(shè)定單位時間生產(chǎn)不均勻度系數(shù)為1.5，水利工程項(xiàng)目的砂石拌合料的月度產(chǎn)出量為12000t/h，砂石拌合料生產(chǎn)的月度有效總天數(shù)為25d，砂石拌合料生產(chǎn)的每天有效總工作時數(shù)為20h，就可以計(jì)算出這個水利工程項(xiàng)目的砂石拌合料的單位時間產(chǎn)出量為36t/h。

在砂石拌合過程中，還要考慮砂石拌合裝置如罐體的最大容量，其計(jì)算過程如公式（3）所示。

（3）

式中：w為砂石拌合裝置的最大容量；n為砂石拌合料的儲備天數(shù)；Q為水利工程項(xiàng)目月度所需的砂石拌合料最大量；q為砂石混合料的單位用水量；m為月度有效工作天數(shù)。

根據(jù)公式（3），設(shè)定砂石拌合料的儲備天數(shù)為7d，水利工程項(xiàng)目月度所需砂石拌合料最大量為9550t/h，砂石混合料的單位用水量為0.21t，度有效工作天數(shù)為25d，則砂石拌合裝置的最大容量為529t。

2 水庫砂石拌合的新工藝設(shè)計(jì)

水庫砂石拌合的工藝設(shè)計(jì)流程比較復(fù)雜，本文將復(fù)雜任務(wù)進(jìn)行拆解，將該流程劃分為2個子部分，分別加以設(shè)計(jì)。第一個子部分是砂石破碎的工藝流程設(shè)計(jì)，第二個部分是砂石拌合的工藝流程設(shè)計(jì)。其中，砂石破碎工藝流程設(shè)計(jì)如圖1所示。

砂石破碎的處理應(yīng)放置在砂石拌合之前，主要目的是將體積較大的砂石進(jìn)行破碎處理，以便于在骨料中進(jìn)行拌合處理。在這一工藝流程中，需要采用特殊的工具進(jìn)行大塊料篩分，可以采用比較常見的篦條篩。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，直徑在300mm以上的砂石都屬于大塊料，篦條篩的篩分處理無法將其透篩。為了充分利用砂石原料，在篩分過程中，過篩的進(jìn)入下一步處理，沒有過篩被留存的大塊料進(jìn)行破碎處理，再用篦條篩進(jìn)行篩分。經(jīng)過破碎且符合小塊料標(biāo)準(zhǔn)的材料，連同之前過篩的材料一同送入毛料堆場。毛料堆場的小塊料送入顎式破碎機(jī)進(jìn)行二次破碎處理，并再次篩選。在二次過篩處理中，直徑在80mm以上的再次破碎，直徑＜80mm的砂石送入粗骨料車間進(jìn)行粗碎處理。粗碎處理后進(jìn)行3次過篩處理，直徑在40mm以上的再次破碎，直徑＜40mm的砂石送入圓錐破碎機(jī)執(zhí)行中碎處理。中碎處理后，直徑在5mm以上的再次破碎，直徑＜5mm的砂石送入立軸破碎機(jī)執(zhí)行細(xì)碎處理，形成細(xì)骨料。

經(jīng)過上述多次破碎處理，水庫砂石原料成為拌合料所需的粗骨料和細(xì)骨料，再進(jìn)行拌合處理，形成混凝土等水壩建筑所需的材料。拌合工藝流程的設(shè)計(jì)結(jié)果如圖2所示。

經(jīng)過多道冷卻處理工藝，可確保拌合料的有效凝結(jié)。如圖2所示，將砂石破碎后得到的粗骨料和細(xì)骨料送入拌合裝置中，再將混凝土制備所需粉料也送入拌合裝置。如果此時的骨料或粉料溫度較高，需要通過風(fēng)冷進(jìn)行第一次冷卻處理。為了確保拌合過程中的溫度不至于過高，采用螺旋傳送機(jī)向拌合裝置外圍傳送片冰，對拌合裝置整體進(jìn)行冰冷降溫，從而實(shí)現(xiàn)對其內(nèi)的混合料進(jìn)行冰冷處理。在進(jìn)一步的攪拌過程中注入水和調(diào)節(jié)劑，并對混合料進(jìn)行第三次冷處理，即水冷處理，再次均勻攪拌后形成拌合料，并出料。

3 水庫砂石拌合的新工藝性能評價

在上述研究工作中，針對水庫砂石拌合成料的問題，本文分別給出了參數(shù)模型和計(jì)算樣例，進(jìn)行了砂石破碎的工藝流程設(shè)計(jì)和砂石拌合的工藝流程設(shè)計(jì)。下文將通過試驗(yàn)對提出的新工藝性能進(jìn)行評價。試驗(yàn)裝置如圖3所示。

該砂石料拌合裝置采用雙電機(jī)加載旋轉(zhuǎn)拌合的方式，可使拌合料出料更均勻。拌合裝置是一個長方形箱體結(jié)構(gòu)，具備足夠的長度和高度，可滿足填料空間需求。為了更好地取得拌合過程中的減震效果，配置了一定厚度的底座。拌合裝置左側(cè)配置了進(jìn)水口，右側(cè)配置了出水口和細(xì)?；旌狭铣隹冢撞颗渲昧伺潘?。砂石料在拌合裝置內(nèi)接受2個電機(jī)的旋轉(zhuǎn)攪拌作用，最終完成骨料和粉料的拌合。

第一組試驗(yàn)測試在本文拌合工藝下，混合料的強(qiáng)度提升，將傳統(tǒng)拌合工藝作為參照。2種工藝下混合料的強(qiáng)度提升比較如圖4所示。

從圖4中2條曲線的變化情況來看，隨著拌合時間增加，2種工藝下混合料的拌合強(qiáng)度都在不斷增加，但提升幅度逐漸變緩、趨于飽和。經(jīng)過100min拌合，傳統(tǒng)工藝拌合下混合料的強(qiáng)度提升了27%，本文工藝拌合下混合料的強(qiáng)度提升了29%。從整個拌合過程來看，本文工藝拌合下混合料的強(qiáng)度提升幅度一直在傳統(tǒng)工藝上，從而證明了本文砂石拌合工藝的有效性。

第二組試驗(yàn)測試在本文拌合工藝下，混合料滲透系數(shù)下降的幅度。仍然選擇傳統(tǒng)拌合工藝為參照，2種工藝下混合料的滲透系數(shù)下降幅度比較如圖5所示。

從圖5中2條曲線的變化情況來看，隨著拌合時間增加，2種工藝下混合料的滲透系數(shù)都呈先上升、再下降的趨勢，但下降幅度都越來越大。經(jīng)過140min拌合，傳統(tǒng)工藝拌合下混合料的滲透系數(shù)從0.05以上降至0.05以下，本文工藝拌合下混合料的滲透系數(shù)則從接近0.04降至0.03以下。這充分表明，經(jīng)過本文工藝拌合處理，混合料的透水性顯著降低。

4 結(jié)論

砂石拌合系統(tǒng)規(guī)模大、復(fù)雜程度高，對其進(jìn)行開發(fā)和建立必須根據(jù)依托水利水電工程項(xiàng)目的實(shí)際情況。本文針對水庫砂石拌合問題，設(shè)計(jì)了一種新的工藝流程。首先，從砂石拌合料總需求量、砂石拌合料的單位時間產(chǎn)出量和砂石拌合裝置的最大容量3個方面，建立了數(shù)學(xué)模型，并分析了相關(guān)參數(shù)。其次，對砂石粉碎過程和砂石拌合過程分別進(jìn)行了工藝流程設(shè)計(jì)。試驗(yàn)過程中，給出了砂石拌合裝置的結(jié)構(gòu)配置，并從混合料強(qiáng)度和滲透系數(shù)2個方面進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果顯示，本文的砂石拌合工藝明顯優(yōu)于傳統(tǒng)拌合工藝。

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