我國水利水電工程混凝土骨料生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展
2006-04-26 00:00
摘要: 我國混凝土骨料生產(chǎn)的發(fā)展歷程大約有半個世紀, 通過對當(dāng)前我國混凝土骨料生產(chǎn)的評述, 提出了六個重要問題: 1.料源選擇與勘探精度, 2.關(guān)于生產(chǎn)性試驗和小型試驗問題, 3.破碎制砂的工藝及設(shè)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(tǒng)招標的模式與管理方式。
關(guān)鍵詞: 混凝土骨料; 生產(chǎn)發(fā)展歷程; 重要問題
一、我國混凝土骨料生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展歷程
我國砂石生產(chǎn)技術(shù)的進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(xiàn)了大型機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, 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)的研究和實踐。
上世紀60 年代初貴州貓?zhí)佣壊捎缅N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(yīng)用于工程建設(shè)中。在吸取這一成功經(jīng)驗的基礎(chǔ)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?guī)r為料源的大型人工砂石系統(tǒng), 成為我國砂石生產(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(shè)備、砂石產(chǎn)品的質(zhì)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(fù)雜性、多樣性在世界各國水電工程建設(shè)史上是罕見的。隨著工程建設(shè)經(jīng)驗的積累,工程技術(shù)人員已經(jīng)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(chǎn)技術(shù), 經(jīng)濟地生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。我國砂石生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)進入了成熟發(fā)展時期, 值得認真地總結(jié), 加以提高。
二、混凝土骨料生產(chǎn)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(shè)中的重要問題.
經(jīng)過多年工程實踐積累的經(jīng)驗教訓(xùn), 已成為人們的共識。但這一認識的獲得, 是以慘重的教訓(xùn)為代價得來的, 仍然值得認真總結(jié)。
料源選擇是工程設(shè)計前期工作內(nèi)容之一, 我國早有相應(yīng)的勘探試驗規(guī)程, 但過去多數(shù)設(shè)計單位比較重視壩區(qū)的地質(zhì)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(guī)程進行勘探試驗, 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(fā)現(xiàn)不但覆蓋層很厚, 其流紋巖還含有許多鐵質(zhì)銹斑, 影響混凝土強度,被迫轉(zhuǎn)移料場。另一個大型電站, 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)能力遠達不到設(shè)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(fā)現(xiàn)這一問題, 由業(yè)主單位另行委托作補充勘探。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?guī)r料場即為一例。國內(nèi)已建工程的正反面經(jīng)驗教訓(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規(guī)程做好工作, 不能有任何簡化、取巧。
2.關(guān)于混凝土骨料的生產(chǎn)性試驗和小型試驗問題
現(xiàn)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(chǎn)性試驗, 并已列入規(guī)范之中。通常要在料場取數(shù)百噸、甚至上千噸樣品運往被選定的已建砂石系統(tǒng)做生產(chǎn)性加工試驗, 得出產(chǎn)量、級配組成、針片狀含量等數(shù)據(jù), 并將加工后的砂石產(chǎn)品作為混凝土試驗的原料。我們認為, 現(xiàn)在廣為采用的生產(chǎn)性試驗成果價值不大, 而應(yīng)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(shù)百萬立方米, 往往分布有不同的構(gòu)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(nèi)或在表面的槽探坑內(nèi)挖取, 難以有代表性。②通常進行生產(chǎn)性試驗的砂石系統(tǒng)的生產(chǎn)能力都在500t/h 以上。經(jīng)過長途運輸?shù)膸r樣, 在很短時間內(nèi)被加工完畢, 也很難做到擠滿給料, 加工設(shè)備的參數(shù)難以在試驗時間內(nèi)調(diào)整。想要的產(chǎn)量、級配比例、粒形等產(chǎn)品數(shù)據(jù)不能反映大規(guī)模生產(chǎn)時的情況。③我國水電工程砂石生產(chǎn)已經(jīng)積累了多種巖石、多種工藝流程和設(shè)備的運行經(jīng)驗, 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)準確得多。④作為施工單位來講, 設(shè)計砂石系統(tǒng)所需要的資料是料源巖石的物理力學(xué)指標、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, 作為一個有經(jīng)驗的施工單位, 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(shù)十公斤到上百公斤) 做功指數(shù)和磨蝕性指數(shù)試驗, 這些試驗國內(nèi)的一些專業(yè)單位都可以承擔(dān), 試驗費也只要幾萬元。
根據(jù)上述理由, 我們認為, 現(xiàn)在通行的異地生產(chǎn)性試驗可以取消, 代之以更為有用而經(jīng)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(shù)配制。建議現(xiàn)行規(guī)范作適當(dāng)修改補充。
3.破碎制砂的工藝及設(shè)備選型問題
在料源選定之后, 砂石系統(tǒng)要解決的主要問題就是破碎制砂的工藝流程和設(shè)備選型。一個砂石加工系統(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)我國各工程實踐的經(jīng)驗, 可以概括為以下幾點:
(1) 對于生產(chǎn)四級配粗骨料, 通常應(yīng)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(chǎn)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(chǎn)品粒形較差, 針片狀含量較高。旋回式破碎機的優(yōu)缺點正好與顎式相反。據(jù)某些工程的測定, 顎式破碎產(chǎn)品中針片狀多集中在中小石, 而大石、特大石的指標均未超標。我們認為, 大多數(shù)水電工程砂石系統(tǒng)的使用年限均在5 年以下, 如果新購設(shè)備, 應(yīng)優(yōu)先選用顎式破碎機, 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) 中細碎的機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碎機型, 造成過粉碎。40~80mm 一級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。這一事實也應(yīng)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(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)營等工程為代表。聯(lián)合制砂的優(yōu)點是棒磨機的產(chǎn)品細度模數(shù)穩(wěn)定, 可調(diào)性好, 但棒磨機重量大, 耗水、耗鋼量大, 水處理系統(tǒng)也大。單一立式?jīng)_擊破碎機制砂, 只要設(shè)定合理的流程, 砂的細度模數(shù)同樣可保持穩(wěn)定, 并達到2.4~2.8 左右規(guī)范要求的數(shù)值, 同時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(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(xiàn)有國內(nèi)外產(chǎn)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(shè)備的運行規(guī)律, 并與刮泥機聯(lián)合使用, 取得較好效果。有的工程則尚未掌握其運行規(guī)律。
( 3) 負壓吸水, 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間過長。如在沉淀池下部采用適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu), 用水泵抽水, 造成負壓脫水,則可大大加快石粉干化時間, 這是比較快速經(jīng)濟的方法, 有待進一步實踐。
砂石生產(chǎn)是用水大戶, 如用濕法生產(chǎn), 一個大型系統(tǒng)耗水量每小時達數(shù)千噸, 隨之產(chǎn)生大量污水。目前環(huán)保越來越重要, 污水必須經(jīng)處理才能排放, 同時經(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(jīng)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(xiàn)有產(chǎn)品是45 分鐘一個循環(huán), 排放18m3 泥餅。經(jīng)過濾后的凈水可重復(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。
5.物料的水平和垂直運輸
水電工程施工的實質(zhì)是物料的大規(guī)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(jié)。
( 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(shè)粗碎機。國內(nèi)二灘工程已作過淺溜井運毛料, 地下設(shè)大型顎破預(yù)粗碎機。龍灘工程麻村砂石系統(tǒng)以直徑6m、深約150m 的豎井運送毛料, 經(jīng)一段時間使用后, 情況良好。大法坪系統(tǒng)增容改造后又加兩個80m 深豎井, 設(shè)地下粗碎機。小灣工程采石場毛料運輸設(shè)2 個直徑6m、深逾180m 的豎井, 目前施工已經(jīng)完成。對于高差大、料場與加工系統(tǒng)水平距離近、運輸?shù)缆凡贾美щy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(tǒng)至混凝土系統(tǒng)間用了一條4km 長的隧洞膠帶機運送成品料, 除了驅(qū)動裝置為進口件外,其余均由國內(nèi)制造, 目前運行情況良好。在龍灘工程使用4km 長膠帶機經(jīng)驗的基礎(chǔ)上, 向家壩工程太平料場到壩區(qū)砂石加工系統(tǒng)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(nèi)礦山和港口已大量使用。現(xiàn)已用于水電工程砂石骨料運輸。在大生產(chǎn)率和大運量條件下, 膠帶機是一種經(jīng)濟高效的運輸方式, 值得我們重視和研究。
6.砂石系統(tǒng)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(tǒng)單獨提前招標建設(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)計單位編制砂石系統(tǒng)招標文件,施工單位帶方案投標, 負責(zé)設(shè)計、建安及運行。并由業(yè)主單位采購部分設(shè)備( 主要是進口破碎設(shè)備) , 在招標文件中明確設(shè)備回購率, 工程完工后,設(shè)備產(chǎn)權(quán)移交施工單位。實踐證明,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的施工單位供應(yīng)砂石產(chǎn)品。我們認為, 這種方式將會產(chǎn)生以下弊端: ①我國各大水電工程局對于各種巖石砂系統(tǒng)的設(shè)計、建安、運行具有豐富的專業(yè)經(jīng)驗, 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, 即使從一些設(shè)計單位和施工單位臨時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)量檢驗合格單。砂石骨料是自行生產(chǎn)的非標準產(chǎn)品, 而且母巖變數(shù)很多, 料場實際揭露的情況往往與設(shè)計勘探成果出入較大。砂石骨料在生產(chǎn)過程中環(huán)節(jié)很多, 水工混凝土對砂石骨料的質(zhì)量指標要求較嚴, 混凝土施工中出現(xiàn)的很多問題都能與砂石產(chǎn)品的質(zhì)量指標相聯(lián)系, 如果出現(xiàn)問題, 業(yè)主有難以擺脫的責(zé)任。
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