天然砂石骨料的新技术发展

赵小青　兰 芳　王章忠

（葛洲坝集团第五工程有限公司，湖北　宜昌　443002）

摘 要：文章在总结葛洲坝五公司二十多年来承建的国内大中型水电站天然砂石骨料生产的工艺设计、施工运行等生产技术经验的基础上，结合国内天然砂石骨料生产技术的发展，论述了天然砂石骨料生产在工艺流程设计、料场开采、生产技术等方面技术进展，对国内天然砂石骨料生产技术的发展有一定借鉴作用。

关键词：混凝土　天然砂石骨料　生产技术

1 混凝土天然砂石骨料生产技术的发展历程

1.1 天然砂石骨料生产初期阶段

混凝土用天然砂石骨料的生产，有着悠久的历史。主要采用“开采冲洗取砂，分级筛分取砾石”的简单工艺，充分接受大自然累年破碎分级的慷慨馈赠。生产的天然骨料成品，砂粒粒型完美，骨料单价低，经济效益显著。

然而天然料的不可再生性，致天然料资源逐步减少，混凝土用骨料转向大力发展人工骨料。天然料资源的不断减少，凸显天然料资源可贵。为保证向最有利环境可持续发展的方向进行，在河道砂石开采环境控制上，对天然砂石骨料的生产提出了新的要求。

1.2 天然砂石骨料生产发展阶段

天然料资源的不断减少，为充分利用资源，最初的“筛取”工艺已不能满足生产的需求。随着新设备新工艺的研制开发，天然料加工工艺丰富起来。

在国内的天然砂石骨料加工系统中，从葛洲坝五公司承建的葛洲坝砂石系统、三峡一期右岸砂石系统、清江高坝洲砂石系统、景洪心滩天然料系统、田湾河砂石加工系统、向家坝左岸凉水井天然砂石加工系统、四川亭子口左岸砂石系统、南水北调丹江口大坝加高王家营砂石系统、汉江崔家营水电站天然砂石系统、藏木水电站骨料加工系统等就能看到这种技术进步的身影。

同国内天然砂石骨料生产技术的发展一样，葛洲坝五公司的天然砂石骨料生产技术同样经历了料场开采、粗骨料加工工艺、制砂工艺等方面的突破性进步。

粗骨料加工工艺：由最初单纯“筛取”的“拣取”工艺到“适度破碎，粗骨料平衡”的“级配调整，弃料平衡”工艺，再到“以破为主，避免弃料”的“准人工骨料”工艺。

制砂工艺：由最初“开采合格细度模数砂源”、“纯天然粗细砂分级掺混”工艺，发展到“天然料制砂补充”工艺和“以天然砂砾料制砂为主导”工艺；由天然料制常态砂到制碾压砂，碾压砂生产工艺由从“外购混掺石粉”制碾压砂到“预破碎制砂及天然原料制粉”工艺。

料场开采：开采设备从采砂船与驳船配合开采，到利用绞吸船开采，现已发展到特种开采船专门开采细骨料。

在二十多年不断实践中，国内天然砂石骨料生产技术快速发展，取得了巨大的进步，积累了丰富的经验。目前以上述工艺为主导的天然砂石骨料生产技术已在天然砂石骨料生产市场占有的绝对优势，葛洲坝五公司也正在发挥天然砂石料原料开采、加工生产的优势，无论在原料开采技术装备，还是系统加工工艺上，起到了主导天然砂石骨料生产技术进步的作用。

葛洲坝五公司已建及在建天然砂石生产系统分布情况见表1。

表1 已建及在建天然砂石生产系统一览表

2 混凝土天然砂石骨料生产技术主要趋势

2.1 工艺设计

从寻找料源“最优骨料级配”，发展到通过优化工艺设计，生产出“最佳经济级配”骨料。

天然料砂石加工系统，因料源的不定性因素较多，工艺的差异性较大，不同的工艺设计会产生不同的投资效果，工艺设计的评价就是互斥项目比选。由于水下开采运输，属特殊作业，需向工程所在地交通、海事、水利等部门备案，并获得相关许可。这对工艺设计和作业队伍、技术装备及管理层素质提出了更高要求。

由于天然料场形成条件不同，粒度组成差别很大。工艺设计时不仅要满足混凝土级配试验要求，还要考虑天然级配的实际情况，尽量把料源和需要两者统一起来，取得最大的综合技术经济效果，这样工艺设计就从最初的得到“最优骨料级配”，发展到求得“最佳经济级配”。即从当初为得到高性能混凝土，最大限度地节约水泥用量，来确定所采用的混凝土配合比骨料级配。然而通常发生料源因级配不平衡而致弃料量超多现象。现已发展到通过逐步调整混凝土的配合比，辅以级配改善措施，合理降低弃料量，以保证生产质量可靠、成本单价最低的混凝土，来确定混凝土骨料级配，即“最佳经济级配”。

在此基础上，确定相应的砂石加工系统工艺流程，以保证满足骨料成品质量与产量，结合已有技术经济能力，确定最优的工艺设计方案。通过严格的工艺流程计算，将借鉴类似系统运行的统计资料，科学地反映到需要设计的系统工艺流程计算中，尽可能以比较接近真实地反映实际流程状态，为设备选型、系统布置提供可靠的工艺设计数据资料，为生产合格的成品骨料，确定合理的工序单价及单价系数提供准确的工艺设计数据。

2.2 粗骨料生产

从“筛取”“拣取”发展到“以破为主，避免弃料”的“准人工骨料”工艺。

粗骨料生产以“破”代“弃”工艺为主。由于现代破碎设备可靠性的提高，为以“破”代“弃”工艺的选择提供了更大可能性。

以“破”代“弃”工艺选择的重要节点有“料源超径石处理”。

料源超径石处理主要由料场开采费用、超径石总量、弃料工艺部位决定。就一般工艺流程而言，料场开采由船舶或汽车运输至砂石加工厂，再由胶带机送入半成品堆场，给料于筛分机分级，不合格料或“弃”或“破”，或在料场“弃”。经下述三种方案：①是“弃，再采原料 （合格） 至筛分前胶带机”；②是“破”；③是料场“弃”，可根据其工序成本费用高低判断那种工艺方案最优。

天然砂石料场，按开采设备一般分为水下料场和陆上料场两种。水下料场一般采用船舶开采 （如：南水北调中线水源工程丹江口大坝加高左右岸砂石系统，三峡右岸一期砂石系统均是采用船舶水下开采），陆上料场 （包括河滩料场） 采用陆上设备开采（如：云南景洪水电站左岸心滩天然砂砾料系统部分料源就是采用4m3索铲在岸边陆上进行开采）。

（1） 水下料场

以丹江口 （未调大坝混凝土级配时） 为例：料场开采运输工艺——250m3/h、150m3/h链斗采砂船开采，180m3、100m3自卸砂驳装料与360HP、160HP拖轮组队运输， 1500t/h自卸式输砂趸船码头卸料，方案①的工序费用是3.87+7.27=10.79 （元/t）；不合格料采用颚式破碎机400×600处理，方案②的工序费用是1.84 （元/t）。两方案之间差8.95元/t。工程中发生的不合格料总量为6.33万吨，两方案之间总差56.65万元。减去颚式破碎机及相关胶带机的设备安装费、土建金结建安费7.74万元。即“破”比“弃”节约48.91万元。选“破”。方案②、③比：方案③在“采砂船上采用超径筛，弃”，工序单价是4.3+1.01=5.31 （元/t）。两方案之间差3.47 （元/t），即“破”比“弃”节约14.02万元 （考虑了筛分机安装费用）。选“破”（均为当时建安期造价水平）。

（2） 陆上料场及河滩料场

以兄弟单位丹河系统为例：料场开采采用2m3液压反铲，方案②——不合格料采用颚式破碎机400×600处理；方案③——在料场弃，设置150mm的格筛去除。比较方案②、③：方案③“弃+抓+筛”的工序费用是0.5+1.10+1.05=2.65 （元/t）；方案②的工序费用是1.84 （元/t）。两方案之间差0.81元/t。工程中发生的不合格料总量为26.2万吨；减去颚式破碎机及相关胶带机的设备安装费、土建金结建安费7.74万元。即“破”比“弃”节约13.28万元 （考虑了筛分机安装费用）。最终采取“破”（均为当时投标造价水平）。

可以说现代破碎设备技术可靠性的提高，为目前天然砂石骨料以“破”代“弃”的工艺设计比选提供了更大可能性。

但如果超径石总量不大，经济比较后，也可能采用“弃”。若采用“弃”，料场一般场地较开阔，为弃料提供了良好的渣场。(www.xing528.com)

粗骨料“弃”“破”节点工艺选择可以小石级配平衡为基准，具体体现在大、中、小石级配平衡上。粗骨料加工工艺已由最初单纯“筛取”“拣取”工艺，经“适度破碎，粗骨料平衡”“级配调整，弃料平衡”工艺，发展到目前“以破为主，避免弃料”的“准人工骨料”工艺。

2.3 细骨料生产

从“以天然砂砾料取砂、棒磨机制砂”发展到以“天然料预破碎及立轴、棒磨联合制砂、磨粉机制粉”的碾压砂工艺的形成。

细骨料生产由最初“开采合格细度模数砂源”、“纯天然粗细砂分级掺混”工艺，发展到“天然料制砂补充”工艺、“以天然砂砾料制砂为主导”工艺；由天然而料制常态砂到制碾压砂，碾压砂生产工艺由从“外购混掺石粉”制碾压砂到“预破碎制砂及天然原料制粉”工艺。

传统的天然粗骨料制砂方案是采用棒磨机制砂。棒磨机制砂产品粒型好，细度模数和产量稳定，钢耗、能耗高，运行成本较高。

2.3.1 “外购石粉混掺天然砂”的碾压砂生产工艺

景洪水电站碾压混凝土用砂，原设计采用右岸人工骨料系统回收石粉掺混制砂工艺。然左岸心滩系统的天然料源砂量丰富，基本不用人工制砂。但天然砂的石粉含量为5%～6%，远不能满足大坝碾压混凝土用砂对石粉12%～17%的要求。经济比较后，选择外购石粉掺混天然砂制碾压砂的工艺。

2.3.2 “天然料预破碎及立轴、棒磨联合制砂、磨粉机制粉”的碾压砂生产工艺

亭子口砂石系统生产碾压混凝土骨料，其天然料源砂量不足，采用机制砂与原状砂混合供料。利用系统原料经磨粉机生产石粉，进行混掺，以满足碾压石粉含量要求。

（1） 机制砂采用增加“预破碎”原料工序的“立轴和棒磨联合制砂”工艺

在传统的立轴制砂方案中，进料为粒径小于80mm的级配卵石混合料。而未经过粗碎和中碎破碎过的天然原状卵石基本不存在裂隙节理，且其抗压强度较高 （为246MPa），如直接进入立轴破制砂，产量较低。在向家坝凉水井和襄樊崔家营天然砂石系统运行中，立轴式破碎机的成砂率平均达到约20%。

亭子口系统制砂，原料采用大石，在进立轴破之前“预破碎”。即先进入细腔型圆锥破碎机进行破碎。同时，在预破碎加工时，也将产生一部分砂产品。在系统运行中，增加“预破碎”原料工序的制砂工艺，“石打石”腔型的立轴式破碎机的成砂率平均可达到约29%。棒磨机原料采用此部中5～20mm部分做原料，生产能力也有不同程度提高。

（2） 天然原料制粉工艺

天然砂石系统的制粉一般采用的球磨机制粉工艺，或直接在水泥厂采购石粉。然而亭子口工程周围无石灰岩料场，最近水泥厂在广元市。且球磨机制粉具有占地面积大、钢耗大的缺点。故亭子口采用新型的中速T型磨粉机制粉。MTM160中速T形磨粉机，生产能力为13～22t/h，产品中＜0.16mm含量可达90%以上，质量产量均能满足系统需求。

2.4 料源开采

天然砂石料源一般分为陆上料场、河滩料场和水下料场。

与人工料场开采相比，主要区别是水下料场开采。

水下开采传统采用“采砂船、自卸式驳船、拖轮”组成作业船队进行开采运输。由测量放样设标、采砂船定位、“拖轮+自卸式驳船”（或自航式砂驳） 水运毛料至停靠码头卸料等工序组成。

随采区的运输条件和装备进步，水下开采运输能力大大提高。丹江口工程，采用100～180m3驳船为主；葛洲坝工程，采用300m3的驳船配备日本进口的750m3/h的采砂船；三峡一期砂石系统，采用1000m3砂驳与750m3/h的采砂船。开采设备由从采砂船与驳船配合开采，到利用绞吸船开采，现已发展到特种开采船专门开采细骨料。

在天然料源开采中，为减少覆盖层剥离量，根据各开采设备的性能，并结合当年需要的开采强度，每年需进行一次详细的开采设备的布置及开采范围规划，避免因汛期回淤而造成反复对覆盖层进行剥离而加大工程成本。

如南水北调中线水源工程丹江口大坝加高工程王家营砂石加工系统及景洪心滩天然料加工系统的水下料源开采。

2.4.1 丹江口大坝加高工程王家营砂石系统天然料链斗采砂船水下开采方式

丹江口大坝加高工程王家营砂石系统天然料水下开采采取链斗采砂船水下开采，以拖轮与自卸砂驳编队运输。由于运距很近，拖轮与砂驳队形不固定，采用编解队的作业方式。250m3/h采砂船1艘、配180m3自卸砂驳3艘、360HP拖轮1艘组成1个作业船队；150m3/h采砂船1艘、配100m3自卸砂驳4艘（运距控制）、160HP拖轮1艘组成1个作业船队。1艘砂驳在采砂船装料，1艘砂驳在码头卸料，1艘 （或2艘） 在水域航行，减少了拖轮的投入，一般情况下1个作业船队只需1艘拖轮，另1艘拖轮作为备用。码头配置一艘上料能力1500t/h输砂趸船，该船输送胶带机B=1200mm，带速为1.6m/s，满足两艘以上的自卸砂驳同时上料。输砂趸船的胶带机悬臂长8m，与码头斜坡上的龙骨皮带机机尾相连。水位涨落时，龙骨皮带机利用卷扬机起升和下降，输砂趸船随水位自动起落，保证毛料正常上料。由胶带机运输到毛料堆场，卸料小车卸料。

2.4.2 景洪水电站心滩天然砂砾料系统水下开采运输方式

景洪水电站心滩天然砂砾料以“150m3/h链斗式采砂船+600t/h吸砂船”开采为主。链斗式采砂船水下开采根据料场规划，结合水下开采设备的性能，按两大区域进行划分，左、右岸河床采区，由150m3/h链斗式采砂船开采；深河床区，因采砂船不能施工，则由600t/h吸砂船进行开采。

150m3/h链斗式采砂船、600t/h吸砂船各一艘，并各配2条150m3自航自卸式砂驳进行。由于主河床紧靠右侧，150m3/h链斗式采砂船汛后视水位情况，于11月初开始，自河床左侧开始，首先按40～50m条带宽，自下游向上游按挖深10～12m完成主河床的疏通，然后以40m条带宽，紧靠已疏通的主河床向右 （或向左） 进行左、右岸河床料区的开采；为防止砂砾料开采对河道原有防护堰堤的破坏，开采开口按距防护堰堤50m控制。

600t/h吸砂船在进行毛料开采前，根据600t/h吸砂船在一个水文年所能开采的规划范围，先采用吸砂泵对一期已开采部位的回淤覆盖层进行抽排上岸 （或排入江中），随后再按距离防护堰堤50m开始，按预先规划的条带宽，从下游向上游、由右向左按挖深不超过20m完成规划区的毛料开采。

3 结语

人工骨料加工技术的发展，尤其是高性能破碎设备的不断开发使用对天然料系统加工工艺的多样化提供了可能。系统各工序节点的控制更加灵活，能进一步发挥天然料源的特点。同时，在吸收人工制砂技术过程中，形成了独具特色的天然料制砂技术。

在天然料源储量较丰富的涉外工程中，不断进步的天然砂石骨料的生产技术，还将得到进一步发展。

◎作者简介：

赵小青，男，高级工程师，葛洲坝五公司法人代表，总经理。

兰 芳，女，高级工程师，葛洲坝五公司砂石科学研究所副所长。

王章忠，男，教授级高级工程师，葛洲坝五公司总工程师。