料源岩性对人工砂石料的影响

周良元

(中南勘测设计研究院，湖南 长沙 410014）

建国初期，我国的水电工程建设一般均处于地势较缓、交通发达的平原地区，因而普遍地采用天然砂石料作为混凝土骨料。随着水电工程的逐步开发，坝址逐渐向山区推进，坝址附近的天然砂石料储量和质量难以满足工程需要。而自70年代，我国在贵州乌江渡水电站工程施工中，首次成功全部采用人工砂石料以来，已建和在建的大中型水电工程中，人工砂石料已经得到了广泛的应用。

1 人工砂石料的特点

所谓人工砂石料，就是用露天深孔梯段爆破方法在料场开采出新鲜岩石，然后再通过加工机械多级破碎和筛分，加工成为满足水工混凝土所需要的、符合混凝土级配要求的各种粗骨料和细骨料。与采用天然砂石料相比，人工砂石料具有如下的特点：（1）就地取材，生产工艺全面，可以按计划数量与品种组织生产；（2）料场开采和骨料加工不受季节的影响，可以全天候生产；（3）生产车间布置相对集中，便于组织和管理；（4）生产的骨料质量单一，无软弱颗粒存在，质量好。对于坝址附近开采不出质和量都满足规范要求的天然砂石料时，采用人工砂石料就成了满足水电工程施工要求的唯一选择。

2 人工砂石料的料源

在我国的水电工程中已使用人工砂石料作为混凝土骨料的占有相当大的比例，根据工程实践，一般说来，各种类别的新鲜岩石都能加工成砂石骨料。

不同类别的岩石由于其成因不同，节理、结构相差很大，其主要物理力学性质和化学成份是有很大区别的。乌江渡、五强溪、漫湾、龙滩、三峡、向家坝这几个工程所开采的岩石物理力学性质见表1，化学成份见表2。

表1 岩石的主要物理力学性质

用这些类别的岩石加工出的砂石骨料，其细度模数、石粉含量、比重、吸水率、针片状颗粒含量等主要质量技术指标，一般都能满足水工混凝土骨料规范要求。工程施工过程中实测数据见表3、表4。

3 料源岩性对人工砂石料的影响

不同类别、性质的岩石，由于其硬度、结构、化学成分的不同，在进行砂石料加工过程中，在骨料质量和加工成本方面有很大影响。

众所周知，岩石加工的过程就是石块经过各级破碎机械的挤压、劈裂、弯曲、冲击和碾磨等综合作用，实现岩石破碎，再经过筛分机械实现骨料分级。加工过程的难易程度、加工件的磨损速度和加工后骨料的粒形和级配都与加工岩石的矿物成份、结构和构造相关。

表2 岩石的主要化学化学成份表/%

在细骨料加工中，如同样采用棒磨机制砂，用石英岩、石英砂岩轧制出的砂细度模数偏小，石粉含量偏高，细骨料质量较难达到规范要求。用石灰岩轧制出的砂细度模数适中，石粉含量相对较低，细骨料质量较易达到规范要求。而用流纹岩轧制出的砂，其质量和细度模数界于两者之间。

在人工砂石系统的骨料加工过程中，料源的主要化学成分和岩石结构对岩石的吸水率、破碎加工成品率、石粉含量都有较显著的影响。对于石英岩、石英砂岩、长石石英砂岩、流纹岩这一类岩石，其主要化学成份是SiO2，岩石风化后在新鲜岩石上形成较厚的全风化层和强风化层，堆积在可用新鲜岩石之上。岩石风化是随着暴露时间的长短、岩石结构而逐渐变化的，这些风化层与下覆岩层的新鲜岩石没有明显的分界线，这就给采石场的料源剥离和开采带来了很大的困难。因此五强溪和漫湾、三峡水电站人工砂石料采石场料源的质量控制，主要是通过对岩石含水率的控制来实现。尽管料场有时岩石的强度较高，但由于其吸水率超过或者接近2.5%，都作为无用料予以废弃。对于石灰岩，其主要成分是CaO，岩石风化后，其风化物容易流失，因此石灰岩地区多见溶洞、溶沟、岩石出露，形成特有的“喀斯特”地貌现象。在乌江渡、龙滩和向家坝水电站的采石场，岩石强度和吸水率的大小变化与岩石埋藏深度关系不太明显。岩石没有明显的强弱风化层之分，出露岩石的岩性和深埋地下岩石的岩性相当接近，因而采石场的质量控制主要是对溶洞和夹泥层地带含泥量的控制。

表3 粗骨料主要质量指标

表4 人工细骨料(砂)的品质要求

在人工砂石料加工过程中，岩石吸水率的大小对砂石料加工的成品率和石粉含量有显著影响。一般地原岩的吸水率愈小，说明岩石的结构愈致密，则加工过程中产生的石粉含量就愈低，岩石加工的成品率就愈高。

岩石加工的难易程度是影响人工砂石料生产成本的主要因素，而岩石加工的难易程度主要取决于岩石的硬度，岩石的硬度是与岩石的矿物成份及含量的多少直接有关联的。从表2可以看出，石灰岩的主要成份是CaO，在石灰岩中以CaCO3形式存在，其含量在82%以上，SiO2的含量极少。流纹岩的主要成份是SiO2，其次是长石石英砂岩。而石英岩、石英砂岩的SiO2含量最高，平均含量一般在80%以上。

矿物的硬度通常用于表示矿物对外界的刻划及摩察的抵抗能力，它是表明矿物软硬程度的标志，也说明了矿物加工的难易程度。在地质学上通常选用10种矿物硬度分为10级作为标准，用来对其他矿物进行互相刻划比较，以确定矿物相对的硬度。标准矿物的硬度从1级到10级分别为滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰石、长石、黄玉、刚玉、金刚石。

将各工程料源岩石的矿物成分及含量与矿物硬度相对比，石英岩、石英砂岩硬度最大，流纹岩次之，长石石英砂岩再次之，而石灰岩最软。

石英岩、石英砂岩、流纹岩、长石石英砂岩的硬度达到了6.5～7，已经超过了钢铁的硬度6～6.5。对于以这些岩石为加工料源的人工砂石系统，在砂石料加工过程中最突出的问题是岩石对破碎设备加工件、筛分设备的磨损能力太强，而且这种对设备的磨损能力随着岩石中石英含量的加大而增加。

综上所述，尽管各类岩石都能加工出满足水工混凝土规范要求的砂石骨料，但是用新鲜石灰岩加工的砂石骨料质量优于其他岩石加工的砂石骨料，而且生产组织较容易，设备运行可靠，经济性好。