河床卵石料制砂工藝及其應用實踐

陳立寧，李郁新

（廣西大藤峽水利樞紐開發有限責任公司，廣西 桂平 537200）

1 應用背景

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，水工混凝土所使用的砂石骨料即達到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，細骨料一般采用天然砂。廣西紅水河流域兩側多為丘陵、山地，其中貴港市、來賓市砂巖、灰巖石山分布密集，是山體石料的主要產地，成品砂石骨料運輸至廣西各地、珠三角地區乃至全國各地，用于水利、交通、房建等各類工程建設。

黨的十八大以來，黨中央形成并積極推進“五位一體”總體布局，生態文明建設成為新時代社會主題之一，堅持綠色發展、建設美麗中國，已經成為經濟社會發展的全新指引。隨著生態保護理念不斷深入人心，開山采石也逐漸趨于規范化，山體石料的總體產量呈下降趨勢，但是社會經濟發展、基礎設施建設仍處于高峰期，在此社會背景下，河床卵石料逐漸成為混凝土骨料的應用熱門。

以水工混凝土的拌制生產為例，常規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，作為混凝土細骨料的重要補充，或直接將人工砂替代天然砂，應用于混凝土拌制。

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 及以下的毛料運輸至砂石料加工系統進一步加工。在加工環節，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人工砂，根據人工砂質量要求，在選擇制砂設備時，應充分考慮料源的破碎特點，制砂工藝要能及時調整砂的細度模數和石粉含量，保證生產出來的砂能達到質量要求。目前建筑市場常用的制砂工藝主要為破碎研磨，設備選型常選用棒磨機和破碎機。其中棒磨機為使用經驗成熟的傳統制砂設備，而破碎機隨著建筑行業發展，使用技術也逐步趨于成熟。用于制砂的破碎機種類較多，主要有反擊式破碎機、圓錐式破碎機和立軸式沖擊破碎機3種，其中圓錐式破碎機、立軸式沖擊破碎機由于產能較大、設備使用耐久性高，比較適用于中、大型的砂石料生產系統。棒磨機、立軸式沖擊破碎機和圓錐破碎機3種制砂設備工藝特點如下：

（1）棒磨機制砂工藝。棒磨機是傳統的制砂設備，設備型號選擇也比較豐富，結構簡單、操作方便，可適用于各種硬度的巖石和各種規模的制砂系統；通過棒磨機研磨生產出來的人工砂，細度模數連續、平均粒徑穩定，一般無超徑物料，且顆粒形態較好。另外，棒磨機制砂還能很好地調整砂的細度模數，只要適當調整加工原料的輸入強度，生產出來砂的細度模數便能相應提高，能很好地向原料細砂中補充粗砂，起到提高細度模數的作用。但是對于大型的砂石料生產系統，若要達到一定規模的產能，則需要配置的棒磨機數量相對較多，另外研磨棒作為其主要消耗品，材料消耗率較大，運行成本也相應較高。

（2）立軸式沖擊破碎機制砂工藝。立軸式沖擊破碎機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的加工原料通過進料口的擋板進行分流，分兩股從中心和四周進入機器，其中一股從中心管進入旋沖盤內，通過離心力甩向四周，而另一股從四周落下，與中心進入的原料反復沖擊破碎。單料流沖擊式立軸破碎機的加工原料則無需分流，全部原料通過中心管直接進入旋沖盤，通過調整盤上導料板的角度，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相對于雙料流沖擊式立軸破碎機，加工原料的進出方式比較單一，產能也更高。

（3）圓錐破碎機制砂工藝。圓錐破碎機的制砂原理主要是利用動錐的偏心轉動，使動錐與定錐之間形成一個擠壓破碎腔，加工原料進入破碎腔經過動錐與定錐的擠壓后被破碎。圓錐破碎機具有設備安裝方便、性能穩定、故障率低的優點，適合于硬度偏大的石料。

針對上述制砂工藝的特點，在實際生產應用中，應根據原材料物理性質、生產強度要求，選用一種或同時選用多種工藝，從制砂效率、質量、成本等方面綜合各種型號設備的優點，在確保產量和質量的基礎上降低生產成本。

3 品質控制

《水工混凝土施工規范》（SL677-2014）第5.3.5條對骨料的品質提出了具體要求，涉及到人工砂生產的幾個主要參數分別為細度模數、石粉含量和表面含水率。其中細度模數要求為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，細度模數與石粉含量之間、石粉含量與含水率之間均呈反比關系，為保證細度模數，卵石料的研磨需要更細，制砂產生的石粉就越多；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，因此產生出的成品人工砂含水率較高，需要采取進一步的降低含水率的措施。細度模數主要控制因素為設備選型和參數設置，這里主要講述針對廣西地區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為例，其河床卵石料物理性質指標見表1。

表1 江口料場卵石料物理性質試驗成果表

通過試驗成果可以看出，巖性主要為紅砂巖的卵石料軟弱顆粒雖然質量指標合格，但指標偏大，在生產實踐中也發現，在沖洗前，通過卵石料生產出來的人工砂石粉含量普遍在35%左右，而砂巖、灰巖料生產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，在運輸堆存時發現，從砂石加工系統成品砂倉運往混凝土拌和系統的過程中，石粉含量會上浮2%～3%。

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

3.2 人工砂含水率控制

在水工混凝土生產中，人工砂的含水率要求不宜超過6%，且應該保持穩定，這是根據水工混凝土的特性來決定的。水工混凝土通常有溫控要求，高溫季節除了需要對粗骨料進行預冷外，還需在拌制過程中添加冰片，以達到設計要求的混凝土出機口溫度。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，除了需要頻繁調整生產用水量，增加拌和樓運行成本外，對混凝土強度的穩定性控制也不利。

人工砂的脫水工藝一般分為兩個階段。在生產過程中采用直線振動篩分散脫水工藝，也可以根據石粉的產出，在可控范圍內采取半干法生產工藝，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，在保證石粉含量達標的前提下，生產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，根據生產、使用強度分為多個小倉，一進、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范要求。

4 應用實踐

大藤峽水利樞紐工程主體結構混凝土為常態混凝土，設計總方量超過710萬m3，高峰期混凝土澆筑強度為每月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 級的運輸船開采運輸至壩址處的砂石加工系統進行加工。為滿足生產強度要求，大藤峽工程砂石料系統設計處理能力需要達到每月89.85萬t，按高峰強度日24 h 生產、月生產25 d 計算，加工系統毛料處理能力為2567 t/h，成品骨料生產能力為2187 t/h，其中人工砂生產能力為725 t/h。

在進行工藝計算時，先對3 種不同的料源進行工藝計算和工藝設計，選用的破碎設備能適用不同料源的破碎，中細碎設備選用3 臺HP500 圓錐破碎機，該設備為進口設備，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備選型同時選用了6 臺MBZ2136 棒磨機和9 臺B9100 立軸破碎機，這樣的設備組合既能滿足卵石料人工砂的生產質量、強度要求，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，保證了系統的易改造性。

根據備用料場山體石料的物理化學性能指標，啟用壩址上游的馬鹿嶺砂巖備用石料場后，中細碎車間需再增加2 臺HP500 圓錐破碎機，為保證改造調整量最小，在系統布置時，在中細碎車間預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。

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

工藝設計時，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的設備，保證改造的經濟性。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計時，只需兩層篩網，但考慮到系統改造需要，配置了三層篩網的振動篩）、洗砂機、脫水篩，拆除后安裝至二篩車間，以確保設計改造的兼容性。

通過以上措施，該砂石料系統能夠較好地完成河床卵石料制砂工作，保證了人工砂供應的產量和質量，同時在設備選型上充分考慮了后續的升級改造工作，保證了壩址上游的馬鹿嶺砂巖備用石料場啟用時，不因為系統升級改造影響原有的砂石骨料生產供應。

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超過630 萬m3，使用人工砂累計超過500萬t，表明該砂石料系統能滿足工程混凝土澆筑用砂需求。

5 結語

應用實踐表明河床卵石料制砂具有產量可控、質量可控等優勢，可滿足高強度的混凝土澆筑用砂要求，但應注意以下幾方面：

（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，應當嚴格按照《水電水利工程砂石料開采及加工系統運行規范》（DL/T5311-2 013）要求進行料場復勘，根據料場儲量及時優化調整生產工藝，確保各級配砂石骨料能夠有效利用于工程建設。

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

（3）廣西夏天多雨且降雨強度大，常年空氣濕度大，對成品砂的脫水不利，因此在分倉脫水時，應該適當增加倉數，合理設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，避免降雨侵入導致含水率增加。在統籌考慮生產成本的前提下，亦可采取密封砂倉、脫水機等，以提高脫水效率。