【摘要】文章结合周公宅水库人工砂系统在原始设计、实际运行过程中存在的问题及其后期的工艺改造情况做了简要介绍，尤其是为满足每月3.5万m3大坝混凝土浇筑强度，系统在二次选型和合理配置以及运行参数的选取等方面进行了一系列试验对比，得出了适合于周公宅工程熔结凝灰岩骨料破碎的基础技术参数，这为今后类似的人工骨料生产提供了翔实的参考范例。
周公宅水库工程坝址区地质出露主要地层为中生界侏罗系上统流纹质晶屑玻屑熔结凝灰岩、蚀变岩、局部燕山期岩脉侵入，以及少量第四系冲洪积和残坡积物。楼梯弄石料场位于坝址上游右岸周公宅村南侧排池岭上游一带山坡，距坝址0.8km左右；5#备用石料场位于坝址左岸下游1.2km附近，料场石料岩性主要为流纹质晶屑玻屑熔结凝灰岩，岩石块体坚硬，天然容重26.5kN/m3，弱〜微风化岩石饱和抗压强度为120MPa~160MPa，岩石软化系数0.8，抗风化能力较强。人工砂石加工系统布置在大坝右岸上游EL240~EL280平台上，距坝轴线约0.4km，该系统承担混凝土双曲拱坝、水垫塘及二道坝、引水隧洞进水口和引水隧洞洞身段所需砂石骨料的生产任务，混凝土总量63.8万m3。
周公宅水库工程自大坝第一块混凝土于2003年12月3日开始浇筑以来，由于料场及三大系统存在的种种原因，尤其是中碎系统设备配置的不合理，不能生产满足要求的成品骨料，大坝正常浇筑受到影响。虽然该系统进行过一些调试性改进工作，但仍不能达到设计生产能力和满足规范要求。这次工艺研究主要针对中碎设备及配套设施进行改造，以达到提高级配相对合理的技术要求。存在的主要问题有：
首先，因湿制法生产时洗砂用水量较大，悬浮物不易沉淀，排放后污水严重影响河道清洁及下游居民用水，采用往沉淀池中投放明矶、漂白粉等处理方法，并咨询宁波市污水处理单位，采取水样进行分析，但均未取得较好成效。另外，因石粉的大量流失，造成人工砂细度模数太大。（湿制砂各项指标见表1）
表1 湿制砂生产特性指标###。
为解决湿制法所带来的污水问题和进一步改善人工砂级配，提高人工砂产量，经过监理、业主及我方多次协调会议后决定将生产工艺由湿制法改为干制法。
其次，在生产的成品骨料中大石、特大石的含量大于需用量，中小石的量满足不了生产成品及制砂需用量，差额达60%~70%。由此说明中细碎能力不及；中碎系统设备选型及配置不太合理，造成大量骨料在中碎系统多次循环，加大了4#皮带的运输量，因此，2#皮带不能连续供料。
再次，从运行情况看，反击破机型不适宜破碎熔结凝灰岩（抗压强度约200MPa）类岩石，设备维修时间长，击锤和衬板磨损严重，实际运行时间太短。反击破＜4mm颗粒出料率太低，造成反击锤和衬板磨损严重，运行成本加大，且更换不便。
招标文件提供资料表明，料场石料岩性主要为流纹质晶屑玻屑熔结凝灰岩，岩石块体坚硬，天然容重26.5 kN/m3，弱〜微风化岩石饱和抗压强度为120MPa~160 MPa，岩石软化系数0.8，抗风化能力较强。
工程开工后，实际开挖出的石料强度大于招标文件提供的参数值。对料场开挖的原料进行了物理化学特性的分析后发现，石料的水饱和抗压强度平均值达到198MPa，气干抗压强度平均值210MPa。化学成分分析结果表明，石料的主要成分SQ平均含量达67.52%，Al2O3平均含量14.41%，TFe2O3平均含量3.45%，K2O平均含量4.91%。
拆除筛分楼下的两台螺旋洗砂机，将冲击式制砂机生产工艺改为干制法；取消复筛楼的砂水洗单元，将成品砂直接由26#皮带输送到料堆。
对18#皮带进行取样试验后发现，干制后冲击式制砂机成砂率由原来的17.7%提高到22.2%左右，使得人工砂产量有一定提高。统计调整前后的试验结果得出：人工砂石粉含量由原来的平均3.7%提高到平均10.8%，细度模数平均由3.15下降到2.82，砂的级配得到了明显改善，混凝土和易性也有明显改善。但由于冲击式砂机机型所限，干制砂中小于0.08mm颗粒含量较大，占小于0.16mm颗粒含量的40%~50%。也就是说：当人工砂石粉含量小于12.0%时，砂中小于0.08mm颗粒含量一般低于5.0%；但是，当人工砂石粉含量为12%~15%时，砂中小于0.08mm颗粒含量将达到5.0%~7.0%，高出监理要求的5.0%的要求，仍然严重制约砂的产量及混凝土浇筑。（干制砂各项指标见表2）
表2 干制砂生产特性指标###。
按照干制后的成砂率，要满足月浇筑35000m3混凝土的要求，按照每月25天，每天16小时工作时间考虑，巴马克进料量需保证120t/h，而中碎系统的细料率太低，无法满足巴马克制砂需求，因此还需对中碎系统进行改造。
前期采用将≥150mm颗粒部分进行二次破碎，并调节大石或特大石进入反击破进行二次破碎，通过6#皮带取样检测，小于5mm颗粒占8.8%，5mm~20mm颗粒占20.8%，20mm~40mm颗粒占16.7%，40mm~80mm颗粒占53.8%，小于40mm颗粒总量为46.2%。在理论上应当有110.5/0.462=239.2t/h的骨料进行二次破碎才能满足中石及巴马克制砂要求。
从实际生产来看：中碎系统设备选型及配置不太合理，反击破机型不适宜破碎熔结凝灰岩，设备维修时间长，击锤和衬板磨损严重，实际运行时间太短。反击破＜40mm颗粒出料率太低，造成大量骨料在中碎系统多次循环，加大了4#皮带的运输量，因此，2#皮带不能连续供料。
为调整骨料级配，中碎系统增加＜40mm颗粒出料率，使人砂系统均衡生产，以满足月浇筑混凝土35000m3的要求。
根据施工配合比计算，35000m3四级配混凝土所需要的各级配骨料的理论用量见表3。
表3 骨料理论用量###。
备注：考虑设备正常维修保养，每月按25天计算，每天正常生产16小时。
从表3可以看出：损耗按照10%计。各级配骨料每小时出料总量应达到194×I.1计2134。根据前几次试验结果，为满足50.4t/h的出砂率，巴马克进料量应在120t/h左右，此时巴马克出料皮带上小石产量为56.2t/h，中石产量为10.7t/h，考虑将中石及多余的小石返回调节料仓进行二次破碎，则16#皮带每小时的供料量为：120-10.7-（56.2-28.7）=81.8t。
2#皮带供料量为：16#+30#+31#+32#=213.4t/h。
通过2#皮带的取样试验结果进行分析，根据前几次取样成果，当2#皮带供料量为200t/h时，各级骨料产量如下：
表4 2#皮带各级骨料含量###。
由此可见：2#皮带特大石有63.6t/h的余量，而小于40mm颗粒仅33.6t/h，远小于81.8（供巴马克）+28.7（中石）= 110.5t/h的要求。
中碎系统工艺方面，采用2台圆锥破替代反击破，大幅提高中碎处理能力，用以增加40mm以下骨料产量，并将二次破碎后的混合料通过4a皮带直接输送上楼筛分，从而减少4#皮带运输量。为适应圆锥破的处理能力，将3#皮带由650mm带宽改为800mm带宽。通过对比试验，找出最佳工况，减少循环料数量和皮带运输量。为进一步增加细料，在5#皮带的机尾增加一台小颚破，将大石进行破碎后再通过5#皮带进入圆锥破，以增加圆锥破小于40mm的颗粒出料率。为进一步提高制砂机出砂率，考虑在10#皮带机头增加一台小型圆锥破对中石进行二次破碎，以增加20mm以下颗粒含量。
通过调整圆锥破排料开口大小，找出最优工况，并进行以下组合：
试验一：出特大、大石、中石
2#供料200l/h，预筛后超径石进小鄂破，对2#、3#、4#、6#、16#皮带取样筛分，计算各级骨料产量。
试验二：出特大、中石
2#供料200t/h，预筛后超径石进小鄂破，调整大石到圆锥破进行二次破碎，对2#、3#、4#、5#、6#、16#皮带取样筛分，计算各级骨料产量。
试验三：出大石、中石
2#供料200t/h，预筛后超径石进小鄂破，调整特大石到圆锥破进行二次破碎，对2#、3#、4#、5#、6#、16#皮带取样筛分，计算各级骨料产量。
试验四：出部分特大、大石、中石
2#供料230t/h~250ι/h，在满足特大石、大石产量的前提下调整部分特大石、大石到圆锥破进行二次破碎，对2#、3#、4#、5#、6#、16#皮带取样筛分，计算各级骨料产量，看能否满足16#皮带输送量即110t/h。
采用通过不同组合的上料，通过对6#皮带取样分析，找出圆锥破的最优工况。
试验一：调节大石进圆锥破，超径石进鄂破（2#皮带给料157.9t/h）
表5###。(www.xing528.com)
试验二：调节特大石进圆锥破，超径石进鄂破（2#皮带给料145.6t/h）
表6###。
试验三：调节特大石、大石、超径石进圆锥破
表7###。
试验四：对以上三种组合进行分析可见，特大石、大石、超径石同时进圆锥破时的细料率最高，小于40mm的颗粒占59.4%。考虑将2#皮带给料量加大至250t/h。按照最后一次取样成果，2#皮带各级骨料流量如表8：
表8###。
考虑将超径石、大石及多余的特大石同时进圆锥破进行二次破碎，则圆锥破进料量为86.3+（112-43）+24.5=179.8-43（大石）=136.8t/h。按表七中的出料比例计算，6#皮带特大石为136.8×l.2%=1.6t/h，大石为136.8x0.394=53.9t/h。小于40mm的颗粒为136.8×0.594=81.3t/h，小于40mm的颗粒总量为106.8+11.3+10.3+5.8=108.7l/h，略低于需求量，但大石仍然存在富余量。
图1###。
制砂机工况联动试验
试验一：120°溢流孔进料试验
保持120t/h~130t/h的进料量，采用120。溢流孔进料，测试巴马克成砂率及成砂质量。
进料皮带检测记录（见表9）：
表9###。
备注进料量：40.03/1.0x0.98x3600/1000=1412/h
出料皮带检测记录（见表10）：
表10###。
砂检测记录（见表11）：
表11###。
颗粒级配试验记录（见表12）：
表12###。
试验二：180。溢流孔进料试验
保持120~130t/h的进料量，采用180。溢流孔进料，测试巴马克成砂率及成砂质量。
进料皮带检测（见表13）：
表13###。
出料皮带检测记录（见表14）：
表14###。
砂检测记录（见表15）：
表15###。
颗粒级配试验记录（见表16）：
表16###。
由对比试验可以看出，冲击式制砂机采用120。溢流孔进料方式制砂相对制砂效果较好。细度模数2.83，级配连续性较好；制砂率相对较高，小时产量达到45.3t/h。
由于熔结凝灰岩的磨蚀性很强，对制砂机的磨损较大。为保证制砂量，减少制砂机的维护检修影响，租赁巴马克B7100制砂机一台。
为减少雨雪及制砂半成品调节料仓内山体渗水对制砂的影响，对半成品料仓搭设全封闭雨棚，同时沿半成品料仓周边做截排水沟。
为减少16#皮带运输量，加大巴马克的进料量，考虑将23#皮带反向、加长至制砂机投料口，以确保人工砂产量。
由于岩石坚硬且韧性很大，导致岩石磨蚀性很强，骨料破碎比低于设备正常值，使得制砂半成品料供应不足。为保证制砂量，增设半成品调节料仓及上料廊道，通过外购补充合格的半成品料满足制砂的要求。
工艺调整后系统的处理能力得到大幅度提高，中碎处理能力由调整前的80t/h提高至350t/h~400t/h。可以满足工程最高月混凝土浇筑强度的需要。细碎及制砂系统的处理能力也得到较大提高，可以满足混凝土月浇筑15000m3~20000m3对小石、砂的需要。
然而，调整工艺后的生产仍存在一些问题，首先，尽管中碎系统的处理能力得到较大提高，但由于岩石的磨蚀性很强，使得骨料破碎比低于设备的正常值，导致用于制砂的半成品料仍然不足，影响了制砂量。其次，干法生产受雨雪天气影响较大，过湿的半成品料造成筛分机不能正常工作。第三，粗骨料存在逊径，该问题通过筛网改造和筛分工艺调整等措施予以解决。
浙江熔结凝灰岩地区生产人工骨料具有独特性。该岩石的特性决定其作为混凝土骨料是适宜的，然而，因为该岩石强度高、韧性大，导致其磨蚀性强，设备破碎比也低。中国水电四局在周公宅工程的建设过程中，针对该类人工骨料生产中出现的问题，积极会同建设单位、监理、设计各方共同研究探讨，在工艺研究、调整上做了大量工作，为工程建设的顺利进行提供了保证，同时也为该类岩石的人工骨料生产总结、积累了有益的经验。
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