天然硬质卵石制备混凝土用砂的工艺措施

王文涛　文 杰　文 科

（葛洲坝集团第五工程有限公司　湖北　宜昌　443002）

摘 要：亭子口水利枢纽工程采用天然骨料生产碾压混凝土，天然料砂含量不足利用机制砂与原状砂混合补充，混合砂不能满足碾压混凝土用砂石粉含量要求，采用磨粉机生产石粉并进行混掺，以满足碾压混凝土用砂的质量要求。

关键词：天然砂砾料　碾压砂　石粉含量　添加石粉

1 工程简介

亭子口水利枢纽位于四川省广元市苍溪县境内的嘉陵江干流中游河段上段，电站装机1000MW。左岸砂石加工系统向左、右岸混凝土生产系统供应混凝土骨料，承担的混凝土总量约为500.0万m3，需加工砂石成品料总量约1150.0万t，其中粗骨料约800.0万t，细骨料约350.0万t。

左岸砂石加工系统生产能力需满足高峰月浇筑强度25.0万m3混凝土所需骨料的生产要求，其中RCC高峰月浇筑强度20.0万m3。系统的设计处理能力要求为2000t/h。系统成品骨料生产能力为1600t/h。本工程三级配混凝土和二级配混凝土量的比例参考值为5∶2。碾压混凝土约占混凝土总量的49%。

2 制砂技术研究

本工程共有以下几个天然料场：左双漩滩、回水坝、花家坝及杜里坝天然砂砾料场，各个料场级配及含砂率各不相同，另根据混凝土逐年并不均匀的浇筑强度，所用料场开采比例也有所变化，系统实际生产的料源比例也随之而发生变化。

本工程料源级配确定主要根据料场高峰期的各料场的开采比例和料源相对比例进行确定，其他时间段可根据系统工艺进行调整，从料场开采规划可知，2012年为系统高峰期，料源级配根据此时间段各料场开采比例和级配比例进行确定，得出此时间段毛料的综合含砂率为15.5%。

而根据招标文件提供的资料，得出亭子口工程所需的各级成品料的级配比例为：18.14∶27.07∶23.36∶31.43 （大石∶中石∶小石∶砂）。

随着筑坝技术的发展，天然料人工制砂也越来越普遍，一方面是级配调整的需要，粗骨料比例较大，而砂比例相对较小，利用粗骨料进行制砂；另一方面是满足成品料质量所必须采用人工补充制砂，如向家坝凉水井天然砂石加工系统中，受碾压混凝土用砂的指标影响增设制砂工艺，以及景洪电站为改善碾压混凝土用砂的级配而采用外购和石粉掺加工艺。

本系统从料源情况来看，原料中砂有以下几个方面需要补充和调整：一是原状砂总量不足，二是石粉含量远低于碾压混凝土用砂质量要求。

从成品料需求来看，碾压砂石粉含量要求为14%～20%，系统总用砂量比例为31.43%，原状砂比例约占一半，考虑到冲洗和开挖损耗，补充砂比例会增大，因此系统补充制砂是必需的，而且还要保证碾压混凝土用砂的石粉含量指标。

3 天然粗骨料制砂方案

传统的天然粗骨料制砂方案即是采用棒磨机制砂，如清江隔河岩和高坝洲工程，棒磨机制砂具有产品粒型好，细度模数和产量稳定的优点，但棒磨机制砂也有钢耗、能耗大、占地面积大的缺点，同时，因为棒磨制砂是湿法生产，即使采用石粉回收工艺也必将造成大量工程需要的石粉流失。

随着制砂技术的发展，立轴制砂已大量采用，立轴制砂具有效率高、产品含粉率高、占地面积小等优点。但缺点是其产品级配不合理，存在成品砂中间级配缺失的现象。为了弥补各自的缺点，国内大的水电工程大都采用立轴和棒磨联合制砂的方式。为充分发挥联合制砂的优势，应以立轴制砂为主，主要是为了充分发挥立轴制砂的效率，尽可能采用干法生产，以减少石粉的流失，同时，为了弥补立轴制砂产品中间级配缺失的问题，采用棒磨机制砂以调整产品级配，使最终成品砂级配优良。

在最终成品砂不能满足碾压混凝土用砂含粉率指标时，采用独立的制粉生产工艺，以补充石粉。

3.1 立轴制砂方案

在一般的立轴制砂方案中，将小于80mm的混合料进入立轴破碎机进行破碎，以获得尽可能多的小于5mm的产品。但对于类似于本工程的天然砂石加工系统而言，因为小于80mm的粗骨料大部分为天然原状卵石 （经过粗碎和中碎破碎过的粗骨料只占少部分），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则效果较差，这在向家坝凉水井和襄樊崔家营天然砂石系统得到了验证。同时，由于本工程欠缺中、小石，如采用传统的大、中、小石混合作为立轴制砂的原料也是不经济的。

因而，为了提高卵石制砂的效果，仅采用大石作为原料，并在进入立轴破之前进行一次“预破碎”：即把大石先进入细腔型圆锥破碎机进行破碎，将原状卵石破碎，即使较硬的原状卵石 （主要是小石） 未得到有效破碎，在通过圆锥破破碎腔的时候，大都会产生裂隙，为立轴破的有效破碎提供条件。同时，在细腔型圆锥破进行预破碎加工时，也将产生一部分砂，给成品砂以有益的补充。

系统经过生产性试验证明，以经过“预破碎”的卵石为原料，“石打石”腔型的立轴式破碎机的成砂率平均达到约29%，高于传统直接用级配卵石加工工艺的成砂率 （向家坝凉水井不足20%）。

3.2 棒磨制砂方案

经过立轴制砂后，砂量得到大幅提高，但是立轴制砂其产品级配不合理，存在成品砂中间级配缺失的现象，导致原状砂和立轴破生产的混合砂产品级配不合理。为此，调整成品砂级配的最佳方案就是采用传统的棒磨制砂方案。

棒磨制砂的原料采用经过细腔型圆锥破破碎后的5～20mm产品，这部分经过“预破碎”的骨料进入棒磨制砂其制砂效果好、效率高。通过调整棒筋的数量、比例以及水量可以获得所需要的那部分中间级配的砂，与之前生产的砂混合后，达到级配和细度模数都合理的目的。

4 制粉及掺配方案

石粉回收的前提是洗砂机的溢流物中含有大量石粉。对天然砂石加工系统而言，毛料取自于河床或河滩，石粉含量由水流流速所决定，在流速较大的区域，则天然料中的细粉被河水带走，毛料中的石粉含量本身就不能满足混凝土的要求；对于流速较小的滩地而言，天然石粉将会在这一区域沉淀，其石粉含量会相对较高，但是，相应的含泥量同样会较大，经过筛分洗涤后，洗砂机的溢流中不仅仅是石粉，同时也含有对混凝土强度有害的泥。

亭子口天然料场滩地因河道整治而形成，每年汛期由于河流归槽流速超过2.0m/s，大量的走砂使细骨料中的细粉被水流带走，从而细粉含量就先天不足。正是因为这样，原状砂的石粉含量一般不会超过5%。

经过立轴破生产的砂因为是干法生产，其石粉含量相对较高，一般可达到17%，经棒磨机生产的砂其石粉含量一般为11%左右，这样原状砂和机制砂 （立轴破和棒磨机等破碎设备破碎而生产的砂） 混合后的砂产品石粉含量为11%左右。

本工程要求常态混凝土用砂的含粉率为6%～13%，而碾压混凝土用砂的含粉率为14%～20%，由上述生产的混合砂石粉含量只能满足常态混凝土石粉含量要求，若需满足碾压混凝土用砂的石粉含量要求，还需增加制粉生产工艺。(www.xing528.com)

4.1 制粉方案

天然砂石系统的制粉一般采用传统的球磨机制粉的生产工艺，或直接在水泥厂采购其半成品：石粉，比如景洪工程。而亭子口工程周围无石灰岩料场，最近的水泥厂还在广元市，从广元水泥厂采购石粉则极不经济。同时，传统的球磨机制粉具有占地面积大、钢耗大的缺点。为此，本工程选用新型的中速T型磨粉机制粉。

中速T型磨粉机主要由主机、风机、分选机和收尘设备组成。

MTM160中速T形磨粉机，主要技术参数如下所述：

单机功率：253KW

小时生产能力：13～22t/h，＜0.16mm含量90%以上，细度可调。

磨粉机生产的石粉通过气力输送装置输送至石粉罐内储存。

4.2 石粉掺配方案

细骨料中所含的细粉在混凝土拌和过程中应该是分散的，不应粘结成块，同时因拌和物中成团的石粉会被水泥裹住，会在混凝土中形成非胶结性的块体，导致混凝土性能降低、增大混凝土的收缩，降低耐久性，细粉的存在也不应过多的增大混凝土拌和物的需水量，否则应加以控制。

将石粉直接掺配至运送成品常态砂的胶带机上 （湿掺法） 的问题是：石粉直接与尚未完成脱水、含水量较高的天然砂进行混合，将导致石粉被水裹住，形成石粉小团，而这部分块体在混凝土拌和过程中也不易解体，将会导致混凝土性能降低；同时，由于仅进行了预脱水的砂含水量较大，石粉在掺和的过程中吸收大量的水分，形成石浆状。掺和后的细骨料经检验很不均匀。

针对湿掺法存在的具体问题，掺配成品砂料源应为经自然堆存脱水合格 （含水率小于6%） 的常态砂，为此，系统设置了碾压砂预脱水堆场，拟混掺石粉的未经脱水的常态砂在碾压砂预脱水堆场分区堆存，待其满足含水率条件后再进行石粉混掺。

石粉掺配工艺流程见图1。

图1 石粉掺配工艺流程图

4.3 石粉掺配质量控制

（1） 含粉率控制

为使碾压砂含粉率控制在14%～20%的范围内，并保持稳定。其一，首先根据碾压砂预脱水廊道内给料弧门，确定弧门开度，通过试验检测，计算出一个地弄内胶带机的输送量；其二，同时对将被用来掺粉的、含水量稳定的常态砂进行石粉含量检测；其三，根据检验得到的石粉含量数据和地弄内胶带机输送量以及目标石粉含量计算出需添加的石粉量；其四，再根据螺旋输送机转速和输送石粉量的关系，通过试验确定螺旋输送机的转速。最终在输送碾压砂的胶带机末端或堆场上取样试验，测定出实际含粉率，并立即反馈至螺旋输送机，与目标含粉率比较，如不合格，则调整其转速，并取样试验，如不合格，则再次调整螺旋输送机转速，如此反复，直至合格为止。

（2） 均匀性控制

石粉掺加时，石粉覆盖在成品常态砂上方，每通过一条胶带机就产生一次跌落，同时产生一次常态砂和石粉的掺混，再进入成品碾压砂堆场。在工艺上，两条胶带机之间，在卸料的胶带机机头安装一搅拌机 （类似于砂浆搅拌机），在跌落过程中将物料搅拌一次后再进入下一条胶带机，使二者掺混均匀。掺和好的细骨料由装载机装料，由自卸汽车运往拌和系统汽车受料坑，或直接经胶带机运往拌和楼，这样，掺和后的砂经过多次掺混，完全可以保证送入到拌和楼的碾压砂中的石粉分布均匀。

5 结论

①天然砂砾料在开采和筛洗过程中，细粉流失严重，成品砂中的石粉含量不能满足碾压混凝土对细骨料的质量要求。若采用人工制砂的办法回收天然砂中的石粉，很难解决粉、泥分离的问题。解决天然砂中石粉含量不足的有效途径就是制备石粉、再进行掺混，用以解决碾压砂中石粉含量不足的问题。

②天然砂掺石粉，不能在洗砂机出口胶带机上进行，因仅经过预脱水后的成品砂含水量较大，掺和过程中易产生粉团，掺混只能在经过堆存自然脱水后的成品砂中进行。

③在混掺的过程中，容易产生粉尘造成环境污染，采取相应的措施后可满足环保要求。

参考文献：

［1］刘崇熙、文梓芸等. 混凝土骨料性能和制造工艺. 广州：华南理工大学出版社，2004.

［2］文杰、方敦裕等. 景洪水电站碾压混凝土天然砂的级配改善措施. 水力发电，2005 （10），61-63.

◎作者简介：

王文涛，男，高级工程师，葛洲坝五公司亭子口水电站左岸砂石系统项目部总工程师兼常务副总经理。

文 杰，男，高级工程师，葛洲坝五公司副总工程师。

文 科，男，工程师，葛洲坝五公司亭子口水电站左岸砂石系统项目部副总工程师。