摘要：國(guó)內(nèi)某大型水電工程的混凝土骨料母巖為洞挖大理巖渣料，應(yīng)用中面臨巖性較脆、料源均一性欠佳、毛料含水率大、粗骨料襄粉嚴(yán)重且級(jí)配較差、干法生產(chǎn)的人工砂石粉舍量超標(biāo)嚴(yán)重等諸多問(wèn)題。根據(jù)工程建設(shè)中長(zhǎng)期的跟蹤檢測(cè)數(shù)據(jù)，針對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行了深入剖析，提出了增加緩降裝置和二次篩分及水洗裝置、采用膠帶運(yùn)輸、調(diào)整主篩分車間篩網(wǎng)、篩除毛料中大于20 mm的顆粒、調(diào)整風(fēng)選車間參數(shù)等相應(yīng)對(duì)策。
關(guān)鍵詞：大理巖；人工骨料；存在問(wèn)題；對(duì)策分析；均化存儲(chǔ)；骨料分級(jí)；骨料粒形
國(guó)內(nèi)某大型水電站工程現(xiàn)場(chǎng)附近天然骨料料源匱乏，儲(chǔ)量較少，不能滿足工程需要，且分布零散的料源運(yùn)輸距離遠(yuǎn)，如在現(xiàn)場(chǎng)選擇料源，骨料成本將會(huì)大幅增加，且環(huán)境破壞嚴(yán)重。而工程引水隧洞大理巖開(kāi)挖渣料量巨大，直接丟棄不僅造成資源的浪費(fèi)，且對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境破壞較大。經(jīng)綜合考慮后，決定采用大理巖開(kāi)挖料作為人工骨料母巖。大理巖骨料采用干法生產(chǎn)并大規(guī)模應(yīng)用于大型水電站的建設(shè)在國(guó)內(nèi)尚屬首次，尚缺乏大量來(lái)源于工程一線的試驗(yàn)研究數(shù)據(jù)和公開(kāi)成果。而縱觀國(guó)內(nèi)混凝土骨料的發(fā)展，從天然骨料到人工骨料的石灰?guī)r、花崗巖，以及后來(lái)的石英砂巖、流紋巖、凝灰?guī)r、片麻巖、正長(zhǎng)巖、玄武巖、輝綠巖等[1]，雖正向多元性發(fā)展，但對(duì)于各種骨料性能和制造工藝開(kāi)展的研究及公開(kāi)資料并不多見(jiàn)。因此，本文結(jié)合國(guó)內(nèi)某大型水電工程實(shí)踐，對(duì)于大理巖洞挖渣料加工人工骨料在生產(chǎn)、應(yīng)用中存在的諸多問(wèn)題進(jìn)行了深入剖析，并有針對(duì)性地提出了相應(yīng)對(duì)策，在取得技術(shù)效果的同時(shí)，以期為生產(chǎn)工藝的持續(xù)改進(jìn)及今后的應(yīng)用提供借鑒。另筆者針對(duì)國(guó)內(nèi)大型砂石加工系統(tǒng)骨料的堆存方式與分級(jí)使用以及骨料粒形控制、廢棄石粉綜合利用等問(wèn)題提出了新的思考。
1 存在的問(wèn)題
1.1 骨料及其原巖性能與缺陷
工程用骨料主要由引水洞開(kāi)挖的鹽唐組（T2y）、白山組（T2b）、雜谷腦組大理巖（T2z）及少量條帶狀、黑色薄層大理巖組成的洞挖渣料加工而成，料源均一性欠佳，石渣以微風(fēng)化一新鮮為主。原巖單軸飽和抗壓、抗拉強(qiáng)度分別超過(guò)60，4 MPa；軟化系數(shù)大于0.70；硫化物含量低（0.06％）；巖石密度大于2 650 kg／m3、吸水率小于0.7％，表明巖石組織較致密，結(jié)構(gòu)較堅(jiān)硬，滿足相關(guān)規(guī)范要求[2-3]。
成品骨料巖性組合不穩(wěn)定，表觀密度在2 690—2 740 kg／m3之間，吸水率整體較小（小于1％）；粗細(xì)骨料堅(jiān)固性分別不超過(guò)3％和5％；基本不含有機(jī)質(zhì)、硫化物、泥塊、云母等有害物質(zhì)，針片狀顆粒含量小于5％；壓碎指標(biāo)在10.3％一14.9％之間，其中以白色一灰白色大理巖最大，達(dá)14.9％（如表1所示），其錘擊后易碎成粉末狀，說(shuō)明骨料巖性較脆，易于在生產(chǎn)、應(yīng)用中產(chǎn)生二次破碎。
1.2 骨料級(jí)配不良
骨料粒徑分布會(huì)顯著影響到堆積密度、空隙率等指標(biāo)，進(jìn)而影響到混凝土需漿量，由此會(huì)對(duì)新拌及硬化混凝土性能產(chǎn)生影響[4]，同時(shí)會(huì)提高混凝土的經(jīng)濟(jì)成本。圖1為工程用砂顆粒級(jí)配累計(jì)及分計(jì)篩分曲線，結(jié)果顯示，累計(jì)篩分曲線跨越粗、中、細(xì)3區(qū)，大于2.5 mm和小于0.16 mm粒徑范圍的篩余率較高，而0.16—1.25 mm粒徑范圍的顆粒含量較低，致使工程用砂中間粒徑不足，顆粒分布呈“兩頭大、中間小”現(xiàn)象，累計(jì)及分計(jì)篩分曲線不能完全處于相關(guān)規(guī)范規(guī)定的級(jí)配包絡(luò)線以內(nèi)，此現(xiàn)象亦為機(jī)制砂普遍存在的技術(shù)問(wèn)題[5]，而某段粒徑的顆粒過(guò)多或過(guò)少都會(huì)使混凝土的工作性變差，從而導(dǎo)致耐久性等性能變差[6]。
1.3 細(xì)度模數(shù)與石粉含量及其矛盾關(guān)系
人工砂細(xì)度模數(shù)及石粉含量的波動(dòng)對(duì)于混凝土配合比設(shè)計(jì)、施工和易性，以及混凝土的物理力學(xué)、變形、耐久性能均有很大影響[7]，其中過(guò)高的石粉含量會(huì)對(duì)混凝土工作性、收縮等產(chǎn)生不利影響，對(duì)混凝土生產(chǎn)質(zhì)量控制也極為不利，水電工程對(duì)其控制較為嚴(yán)格。但工程所用人工砂細(xì)度模數(shù)超出了規(guī)定的上、下控制線，石粉含量基本在上控制線以上，且波幅較大；細(xì)度模數(shù)與石粉含量呈線性反比關(guān)系，兩者相關(guān)性高，使細(xì)度模數(shù)與石粉含量呈“蹺蹺板”現(xiàn)象，此消彼長(zhǎng)、相互制約，在解決一端問(wèn)題的同時(shí)，另一端問(wèn)題凸顯出來(lái)，給工程現(xiàn)場(chǎng)解決問(wèn)題帶來(lái)很大困難。
1.4 石粉含量對(duì)混凝土外加劑性能的影響
現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)顯示，石粉含量的增加會(huì)導(dǎo)致混凝土拌和物初始坍落度及含氣量呈下降趨勢(shì)，即降低了減水劑及引氣劑的作用效果，且水泥凈漿流動(dòng)度初始值下降及后期損失較快。說(shuō)明石粉含量的增加可造成混凝土拌和物初始坍落度的下降，且經(jīng)時(shí)損失加劇。但適當(dāng)?shù)氖酆浚捎谄浯植诘谋砻婕坝H水性，在漿一骨界面能起到很好的微填充效應(yīng)、晶核效應(yīng)、潤(rùn)滑效應(yīng)[8]，使界面處實(shí)際水灰比降低、水化物結(jié)晶顆粒尺寸變小、取向程度下降，由此可改善界面薄弱環(huán)節(jié)，提高漿體與骨料黏結(jié)力，并使?jié){體更加密實(shí)。室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果亦顯示，石粉的保水效應(yīng)對(duì)于新拌混凝土降低泌水、抗離析及增加黏稠度等改善和易性有積極作用，因此，應(yīng)辯證對(duì)待和應(yīng)用人工砂中所含石粉。
1.5 石粉含量波動(dòng)對(duì)人工砂含水率的影響
石粉的保水效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致人工砂含水率隨著石粉含量的波動(dòng)而波動(dòng)。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)顯示，隨著石粉含量的增加，含水率呈上升趨勢(shì)。而含水率的波動(dòng)將導(dǎo)致混凝土用水量頻繁較大幅度調(diào)整，以及人工砂含水抽樣檢測(cè)頻次的增加，在耗費(fèi)更多人力的同時(shí)，給拌和樓混凝土生產(chǎn)質(zhì)量控制帶來(lái)諸多不便，對(duì)于大體積混凝土可能還會(huì)導(dǎo)致拌和物加冰量不足，難以保證混凝土出機(jī)口溫度等問(wèn)題[9]。
1.6 石粉含量變化對(duì)人工砂堆積密度的影響
現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)顯示，石粉含量小于30％時(shí)，人工砂堆積密度隨石粉含量的增加而增加，超過(guò)30％后，堆積密度反而下降。說(shuō)明適當(dāng)?shù)氖酆靠梢蕴岣吖橇系亩逊e密度，進(jìn)而增強(qiáng)混凝土的致密性，提高抗?jié)B性能。但石粉含量過(guò)高會(huì)增大混凝土收縮[10]，降低含氣量，使拌和物過(guò)于黏稠，進(jìn)而降低泵送性。因此，工程應(yīng)用中的人工砂石粉含量應(yīng)結(jié)合收縮等變形性能，以及工程技術(shù)要求，以獲得最小空隙率的比例為合理限值。由此，各規(guī)范中硬性規(guī)定石粉含量的做法值得商榷。從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用情況看，規(guī)范DL／T5144—2001中對(duì)于石粉含量6％—18％的規(guī)定，波動(dòng)幅度較大，使拌和樓混凝土生產(chǎn)質(zhì)量控制難度增大。
1.7 粗骨料裹粉現(xiàn)象
現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)顯示，人工粗骨料從加工系統(tǒng)到達(dá)拌和系統(tǒng)的過(guò)程中，由于生產(chǎn)、長(zhǎng)距離運(yùn)送過(guò)程中不斷碰撞、跌落、摩擦，粗骨料中石粉含量增加，裹粉趨于嚴(yán)重。粗骨料表面所裹石粉在拌和過(guò)程中較難和骨料脫離，對(duì)于新拌混凝土、硬化混凝土力學(xué)及耐久性能等均有不同程度影響[11-12]。
2 對(duì)策分析
2.1 骨料脆性及二次破碎的治防措施
該工程砂石加工系統(tǒng)采用上揚(yáng)式膠帶機(jī)卸料，卸料高差較大，其中中石卸料高度約6—10 m，小石約3—5 m，米石約5—9 m，加之骨料巖性較脆，壓碎指標(biāo)偏高，易在跌落過(guò)程中因二次破碎而產(chǎn)生遜徑及微細(xì)顆粒。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)顯示，卸料皮帶上骨料遜徑合格率均為100％，而成品料堆上除小石外，均存在超標(biāo)現(xiàn)象。而事實(shí)上，該加工系統(tǒng)除小石增加了坡形、桶狀緩降設(shè)施外，中石和米石的卸料均為從上揚(yáng)式膠帶機(jī)卸料口直接跌落至成品料堆。因此，應(yīng)借鑒小石的卸料方式，在中石和米石膠帶機(jī)卸料口增加階梯形或坡形卸料裝置，并限制骨料跌落高度[13]，避免骨料從較高處直接跌落。
2.2 人工砂石粉含量超標(biāo)的解決途徑
（1）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)顯示，大理巖人工砂石粉含量受毛料含水率影響顯著，其中小于5 mm顆粒吸水保濕性較強(qiáng)、微細(xì)顆粒較多，進(jìn)入加工系統(tǒng)后難以篩除，對(duì)成品砂石粉含量影響較大。因此，篩除毛料中小于20，30 mm或40 mm的顆粒，可以降低毛料裹粉及含水量，進(jìn)而降低人工砂石粉含量。當(dāng)車間篩除小于20 mm的顆粒后，石粉含量明顯降低。
（2）調(diào)整制砂車間的給料量、給料粒徑及破碎機(jī)轉(zhuǎn)子速度并保證給料含水率的穩(wěn)定，同時(shí)調(diào)整選粉機(jī)的主軸轉(zhuǎn)速和風(fēng)機(jī)風(fēng)量等技術(shù)參數(shù)，并在選粉機(jī)風(fēng)道外壁增加震動(dòng)器，確保進(jìn)入選粉機(jī)的砂流量及選粉機(jī)參數(shù)的穩(wěn)定，可使石粉含量滿足相關(guān)規(guī)范要求[14]。但是細(xì)度模數(shù)偏大，說(shuō)明級(jí)配有待于進(jìn)一步改善。
（3）由于毛料含水較大，半成品料裹粉嚴(yán)重，使粗碎車間對(duì)小于5 mm顆粒篩除較困難，經(jīng)預(yù)篩分篩除，效果不理想。因此建議：①在粗碎車間增加水洗設(shè)備，去除毛料中不易篩除的微細(xì)顆粒，并延長(zhǎng)粗碎料脫水時(shí)間、增加堆存場(chǎng)地，或在長(zhǎng)膠帶卸料端（砂石加工系統(tǒng)半成品料堆）增加大型篩分、水洗設(shè)備，對(duì)粗碎車間來(lái)料再行篩分、沖洗、脫水，以減少進(jìn)入加工系統(tǒng)的半成品料微細(xì)顆粒含量。②做好引水洞內(nèi)掌子面處的排水工作，以盡量降低新開(kāi)挖毛料的含水率。
2.3 人工砂顆粒級(jí)配的調(diào)整
圖1顯示，人工砂中2.5—5 mm和小于0.16 mm的顆粒含量較多，而1.25—0.63 mm顆粒偏少。結(jié)合文獻(xiàn)[15]，在篩分車間（砂及米石篩分車間）4臺(tái)GYKR2460型振動(dòng)篩中2臺(tái)10 mm、5 mm兩層篩網(wǎng)底部增加一層3 mm的篩網(wǎng)，將部分人工砂分為3—5 mm及小于3 mm兩級(jí)，并對(duì)3—5 mm顆粒采用高速立軸破再行破碎整形后與小于5 mm顆粒混合進(jìn)入成品砂料倉(cāng)，以改善顆粒級(jí)配并調(diào)整細(xì)度模數(shù)，取得了較好的技術(shù)效果。
2.4 粗骨料級(jí)配調(diào)整
該砂石加工系統(tǒng)的主篩分車間設(shè)置3臺(tái)3YKR2460型圓振動(dòng)篩，上層篩孔尺寸為42 mm，中層篩孔為22 mm，下層篩孔為5 mm，篩面傾角15°，由此分級(jí)出大于40 mm、20—40 mm、5—20 mm和小于5 mm的骨料，其中小于5 mm的骨料進(jìn)入1號(hào)風(fēng)選車間制砂。20—40 mm和5—20 mm篩分料分別為中石及小石。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)顯示，中石30 mm以上顆粒含量較少，小石10 mm以上顆粒含量較多。可考慮更換主篩分車間的篩網(wǎng)或適當(dāng)增大上層篩孔、減小中層篩孔尺寸及調(diào)整篩面傾角，從而調(diào)整并改善骨料級(jí)配。小灣水電站馬鹿塘砂石加工系統(tǒng)通過(guò)調(diào)整及更換篩網(wǎng)改善粗骨料級(jí)配取得了明顯的技術(shù)效果[16]。
2.5 粗骨料裹粉現(xiàn)象的解決措施
粗骨料裹粉現(xiàn)象在國(guó)內(nèi)普遍存在。針對(duì)該工程大量檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查后認(rèn)為，可通過(guò)以下方式降低或避免：①盡量采用膠帶式運(yùn)輸設(shè)備，避免骨料轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程的碰撞、摩擦、跌落等現(xiàn)象發(fā)生。②結(jié)合龍灘水電站等其他工程實(shí)用效果[17]，建議在拌和系統(tǒng)增設(shè)二次篩分及粗骨料水洗設(shè)備，去除成品粗骨料所裹微細(xì)顆粒。③卡車運(yùn)輸骨料采用出渣車返程帶料的方式，即出渣車從洞內(nèi)運(yùn)送渣料到達(dá)砂石加工系統(tǒng)附近的棄渣場(chǎng)，返回時(shí)裝滿骨料運(yùn)送到拌和系統(tǒng)料倉(cāng)。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由于出渣車卸料不干凈、內(nèi)壁粘留大量細(xì)顆粒，致使其返程所帶骨料裹粉趨于嚴(yán)重，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)運(yùn)輸車輛的監(jiān)管。
3 對(duì)工程應(yīng)用的幾點(diǎn)思考
3.1 人工骨料均化存儲(chǔ)的探討
實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，毛料多為來(lái)自不同的施工洞段，巖性存在一定差異，因此，生產(chǎn)的骨料品質(zhì)不均一。通過(guò)對(duì)料場(chǎng)加強(qiáng)管理，采取科學(xué)的堆存方式可使骨料盡量均化，在混凝土生產(chǎn)使用中可盡量保證骨料品質(zhì)的穩(wěn)定。工程實(shí)踐表明，人工砂在從成品料堆到各分料倉(cāng)，再到拌和系統(tǒng)的過(guò)程中，由于不斷的翻拌、轉(zhuǎn)運(yùn)使得其顆粒分布更趨均勻、品質(zhì)較成品料堆處穩(wěn)定，但是石粉含量明顯提高。由此，作者結(jié)合文獻(xiàn)[18一19]認(rèn)為，對(duì)于骨料堆存，尤其是多巖性組合骨料，可借鑒水泥廠、化肥廠預(yù)均化的存儲(chǔ)措施進(jìn)行堆料及取料，如對(duì)成品骨料，在成品料堆可采取薄層堆存、逐層上升，或采用動(dòng)臂堆料機(jī)堆料，避免錐形堆料方式，取料時(shí)采用厚層回采等方式，由此防止骨料分離，提高骨料品質(zhì)或保證品質(zhì)的均一、穩(wěn)定。
3.2 骨料分級(jí)
由現(xiàn)場(chǎng)中徑篩篩余量的檢測(cè)結(jié)果可知，粗骨料的分離較嚴(yán)重，其中5—20 mm級(jí)骨料的最大最小粒徑比為20／5，由于運(yùn)輸、堆存不當(dāng)（如錐形堆高），極易發(fā)生分離。現(xiàn)場(chǎng)剝開(kāi)錐形料堆，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部骨料尺寸明顯小于表層骨料尺寸，即卸料過(guò)程中發(fā)生了明顯的分離現(xiàn)象。在采取3.1節(jié)均化存儲(chǔ)措施的同時(shí)，應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際采用分級(jí)堆存、分級(jí)運(yùn)輸、分級(jí)計(jì)量方式防止骨料分離，使用時(shí)按最優(yōu)比例計(jì)量組合，不僅可降低骨料在堆存、轉(zhuǎn)運(yùn)、入倉(cāng)等環(huán)節(jié)的分離現(xiàn)象，亦可改善顆粒級(jí)配，有效降低骨料空隙率，并對(duì)混凝土生產(chǎn)有一定的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。
對(duì)于細(xì)骨料，根據(jù)2.3節(jié)增加3 mm尺寸篩網(wǎng)的同時(shí)，亦可將其分3—5 mm和小于3 mm粗、細(xì)兩級(jí)存儲(chǔ)，使用時(shí)按比例計(jì)量組合，以保證細(xì)度模數(shù)、石粉含量等品質(zhì)的穩(wěn)定及顆粒級(jí)配的最優(yōu)。
3.3 骨料粒形分析
骨料粒形對(duì)其空隙率及其在混凝土中與砂漿的粘結(jié)能力、新拌混凝土和易性和硬化混凝土力學(xué)性能等均有重要影響[20一21]，但是我國(guó)對(duì)于骨料粒形除有針片狀顆粒含量控制外，其余無(wú)任何指標(biāo)要求，使粗骨料的粒形較差，合格石子中部分顆粒與針片狀相差無(wú)幾。本工程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，人工粗骨料顆粒形狀以扁圓體及長(zhǎng)扁圓體為主，其中中石含量76％、小石含量60％，而圓球體和橢球體含量較低，粒形有待于進(jìn)一步改善。建議相關(guān)規(guī)范提高粗骨料針片狀顆粒含量的控制標(biāo)準(zhǔn)、增加粒形控制指標(biāo)、加工系統(tǒng)增設(shè)骨料整形設(shè)備及工藝，徹底改善骨料粒形，提高我國(guó)骨料質(zhì)量。
4 結(jié)語(yǔ)
本文針對(duì)國(guó)內(nèi)某大型水電工程大理巖人工骨料生產(chǎn)、應(yīng)用中存在的主要問(wèn)題，采取或提出了增設(shè)粗骨料卸料緩降裝置、調(diào)整制砂車間及風(fēng)選車間相關(guān)參數(shù)、增加半成品料篩選及沖洗車間、調(diào)整主篩分篩網(wǎng)并在檢查篩分車間增加3 mm篩網(wǎng)、拌和系統(tǒng)增加二次篩分及水洗設(shè)備等解決措施，為其他工程的進(jìn)一步應(yīng)用及砂石加工系統(tǒng)的改進(jìn)提供了借鑒資料。
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編輯：金哲
