工程弃渣制备砂石骨料技术研究和应用

2019-08-20陈敬收

中国铁路 2019年8期

陈敬收

（中国水利水电第八工程局有限公司，湖南长沙 410004）

工程弃渣是指工程在建设过程中产生的废弃土石料和其他固体废弃物，如边坡深挖、隧道（洞）暗挖产生的废弃土石料等。有研究指出，“十一五”期间，全国产生工程弃渣总量约100.27亿t。由于受施工工艺、施工组织等因素的影响，大量工程弃渣得不到合理利用，处理困难，直接废弃严重影响工程区自然环境及生态平衡，如占用土地资源、阻塞河道等，有时还会因处置不当造成安全隐患[1-2]。同时，建设工程的结构物等所需砂石骨料量很大，但往往因交通不便，外购砂石骨料运距较远，导致砂石骨料获取难度大且成本较高，与建设生态、绿色工程的要求不相适应。

在工程建设中，为解决工程弃渣处理困难和缓解砂石骨料供需矛盾，以“就地取材，变废为宝”为原则，充分利用满足要求的工程弃渣，如硬质岩开挖弃料制备砂石骨料，使两者之间平衡，从而提高资源综合利用和经济效益，对环境保护及可持续发展具有重要意义。充分利用工程弃渣制备砂石骨料，不仅是未来工程建设（如公路、铁路等）获取原材料的重要途径，也是“资源节约型”和“环境友好型”社会的发展方向，进而实现工程建设与环境保护间的和谐发展。

1 可行性分析

工程弃渣制备砂石骨料不论从经济效益还是环境效益都具有重大意义，但并不是所有弃渣都可以加工利用。部分弃渣可能因母岩风化严重、强度低而达不到制备砂石骨料的质量要求；也可能因加工成本等费用高于其所产生的经济效益，从经济上看并不可行；还有的弃渣则可能因附近地势陡峭，弃渣运出困难，且在附近开设砂石加工场又难以实现，最终导致弃渣利用不可行。因此，工程弃渣利用最终是否可行还需根据弃渣的品质质量、外购与自产砂石骨料成本差价、工程场内外交通等进行综合分析。由此可见，影响工程弃渣可用性的主要因素包括弃渣质量指标、经济效益指标和场内外交通状况等，可用作工程弃渣利用的前期分析研判。

1.1 质量技术评价

质量技术评价主要是判定开挖渣料自身在质量技术指标上是否符合制备砂石骨料的相关技术要求，如对比开挖岩石饱和抗压强度与制备砂石骨料对母岩强度的要求等，最后综合考虑岩石风化程度、开采方法等情况确定可利用量，从而为经济效益分析提供量的依据。

母岩抗压强度至少应比所配制的混凝土强度高20%[3]。对不同岩性的母岩抗压强度要求为：在水饱和状态下，火成岩应不小于80 MPa，变质岩应不小于60 MPa，水成岩应不小于30 MPa[4]。另外为保证砂石骨料不具备碱活性，还要对母岩进行碱活性检测。

1.2 经济效益分析

经济效益分析主要是从成本与效益的比较出发，对自产与外购砂石骨料进行经济成本对比分析，得出利用弃渣制备砂石骨料的临界产量，即自产与外购砂石骨料总成本相同时计算出的弃渣利用量，进而确定其经济可行性。当弃渣实际可用量大于临界产量时，经济效益大于零，弃渣利用经济可行，否则弃渣利用不可行。

1.3 场内外交通状况

交通状况分析主要从工程开挖部位附近交通地势状况、砂石加工系统建设与砂石骨料运输难度、设备运输与安装方便程度等方面考虑弃渣利用的可行性。交通、地势状况决定着砂石加工系统建设难度、砂石骨料输出及其辐射范围等，直接影响工程弃渣的实际利用率。交通状况差、地形陡峭、没有充足的砂石加工系统建设场地、加工设备运输与安装困难等原因，将导致工程弃渣无法加工利用；另外，砂石骨料通常采用公路运输，如没有可利用的道路，则需新建运输道路，因地形陡峭等原因而无法修建时，砂石加工系统制备的砂石骨料则无法向周边运输，造成辐射范围小、利用率低，从而因经济性不合理而变得不可行。因此交通、地势状况也是工程弃渣利用可行性分析的重要内容。

可见，工程弃渣利用可行性分析体系的3个方面相互独立而又紧密联系，共同构成一个有机整体，其中任何一方面都不可或缺，都是决定工程弃渣利用是否可行的重要因素。

2 关键技术

砂石骨料制备加工技术是决定工程弃渣能否成功利用的关键。其关键技术主要包括弃渣回采甄选、砂石骨料加工工艺、砂石加工系统选址与布置、废水处理、粉尘与噪声治理等。

2.1 弃渣回采甄选

矿山开采的石材岩性单一，性能稳定，质量差异小，有利于保证其制备砂石骨料的质量，利用工程弃渣与开采矿山制备砂石骨料不同，工程弃渣具有以下不同特点：

（1）工程弃渣大都来自不同部位或单位，岩石特性会存在一定差异，其岩性、抗压强度、风化程度等的波动性加大了母材的差异性和复杂性，难以保证母材的质量及其稳定性。

（2）工程弃渣夹土等杂质较多。相比于矿山开采的石料，工程弃渣洁净度较低，弃渣的利用需采取适当的除杂去土措施。

（3）工程弃渣来源广，有明挖料、洞挖料或明挖与洞挖混合料。工程开挖主要采用爆破法，其中隧道开挖时因受横截面设计尺寸影响，爆破面小且爆破点集中，从而导致爆破后的洞渣平均尺寸相对于矿山开采石料要小，且粉料较多，石料裹粉较厚。据调查统计，矿山开采的石料尺寸主要集中在400～1 000 mm，而隧道洞渣石料尺寸主要集中在200～650 mm。

针对工程弃渣特点，若将工程弃渣全部混合堆放于渣场，势必造成母材的不均一和不稳定，性能波动更加显著，最终降低其制备砂石骨料的质量，因此需对弃渣进行初步甄别和分类，从源头上最大限度降低母材的质量波动。首先，工程开挖前，将现场施工测量数据与地勘资料进行对照，判断不同开挖部位所对应的岩性、强度及风化程度等，以及是否可作为制备砂石骨料的原料，从源头上优选工程弃渣。然后，在开挖过程中，再有根据地对洞渣进行大致甄别，如优选整体性好、强度高、性能满足要求的岩石用于制备砂石骨料，当开挖进入破碎带、含泥地层、软弱地层等时，开挖的渣料不用于制备砂石骨料。最后，将运至渣场的弃渣按不同品质分类分开堆放，回采时对其进行挑选，分别生产[5]。这样对于同一料堆而言，弃渣质量差异小、性能稳定、利于分类利用，从而保证制备砂石骨料的质量。

2.2 砂石骨料加工工艺

砂石骨料生产分为破碎、筛分、制砂等主要环节，其加工工艺设计理念为“多碎少磨、以破代磨、破磨结合”，加工料源岩石的特性直接影响砂石骨料加工工艺设计。根据加工料源的岩石性质、加工工艺重点进一步研究生产方法、破碎、筛分及制砂方式等。

2.2.1 生产方法

砂石骨料生产方法包括干法、湿法和干湿法结合3种[6]。粗骨料生产宜采用湿法生产，但湿法生产带来废水处理等冗余工序，目前通常采用干法生产；细骨料通常采用干湿法结合或干法生产。

（1）湿法生产：指在骨料筛分过程中，用水对骨料进行冲洗。适用于原料中含泥或软弱颗粒多、细骨料石粉含量偏高等情况，可采用湿法生产去除部分石粉。优点是筛分效率高，骨料表面洁净，生产过程无扬尘；缺点是用水量大，废水处理难度大，细骨料石粉流失严重，脱水困难。

（2）干法生产：指在骨料生产过程中不进行冲洗或洗泥作业，而仅在粗骨料进入成品料仓前采用冲洗筛对其进行冲洗或不冲洗。主要适用于原料清洁和细骨料成砂率低、石粉含量低的砂石加工系统。优点是用水量少，石粉流失量少，废水处理量少或无废水处理；缺点是扬尘一般较大，需封闭扬尘大的部位，并配置除尘设备，原料含水时细骨料不易筛透。

（3）干湿结合生产：一般指采用湿法生产粗骨料与干法生产细骨料相结合的生产工艺。主要适用于原料含泥量偏高且细骨料石粉含量偏低的砂石加工系统。优点是兼有干法生产和湿法生产的优点，耗水量较少，废水处理量不大，粗骨料表面清洁，细骨料石粉流失少，扬尘少；缺点是制砂原料经水洗再进入制砂设备立轴式破碎机前需进行脱水（原料含水率一般不大于3%，否则严重影响制砂效果）。

2.2.2 破碎

破碎是砂石骨料制备的核心。破碎段数的选择和破碎设备的配置是否合理直接影响砂石加工系统的生产能力、产品质量、生产成本等重要技术经济指标，需根据破碎岩石的岩性、硬度、给料粒径、需要的处理能力并结合其他因素综合分析确定。

对于难破碎、磨蚀性强的岩石，如玄武岩、花岗岩、流纹岩等，通常选用3段破碎，粗碎常选用颚式或旋回破碎机，中碎选用破碎比相对较大的中型圆锥破碎机，细碎选用短头型圆锥破碎机。对于中等可碎或易碎岩石，如石灰岩、大理岩等，可采用2段或3段破碎，粗碎常选用破碎比较大的反击式或锤式破碎机，中、细碎选用反击式或圆锥破碎机。选用反击式破碎机作为粗碎设备时，应进行粗骨料生产级配与使用级配的平衡复核；选用反击式破碎机作为中、细碎设备时，应进行破碎试验并根据试验成果核算各级粗骨料中的中径筛余。

破碎加工有开路、闭路和分段闭路3种形式，典型工艺流程见图1。采用开路生产时，流程简单，无循环负荷量，车间布置较为简单，但级配调整灵活性差，平衡后可能有部分弃料；采用闭路生产时，骨料级配易调整，车间布置相对集中，但流程复杂，循环负荷量大，处理效率低；采用分段闭路生产时，骨料级配调节灵活，循环负荷量相对较小，但车间数量相对较多，运行管理相对复杂。目前砂石加工系统通常采用分段闭路生产粗骨料，当采用立轴式破碎机（或制砂楼）制砂时，应与检查筛分构成闭路生产。

2.2.3 筛分

筛分是控制砂石骨料粒径的关键，原料经破碎后配置筛分设备进行筛分分级，目前常用的筛分设备有自定中心振动筛、重型振动筛、直线振动筛和高频筛等。自定中心振动筛广泛应用于给料均匀的中、细颗粒筛分；重型振动筛用于筛分粗粒物料，筛孔尺寸可达250～400 mm，常作预筛分，处理超径石；直线振动筛用于粗、中、细物料的筛分，也可适用于脱水；高频筛筛分效率高，适用于筛分粒径小的物料。振动筛的配置应根据原料的含泥量、可洗性、所需处理能力、筛分原料的级配曲线等确定，在计算筛分处理能力时，应计入给料量的波动，多层筛应逐层计算，按最不利层选择型号并校核出料端的料层厚度，要求筛网出料端的料层厚度不大于筛孔尺寸的3～6倍（用于脱水时取小值）。

图1 破碎加工典型工艺流程

2.2.4 制砂

制砂是砂石骨料制备的关键。从20世纪60年代以来我国经历的主要制砂方式包括：棒磨机制砂、立轴式冲击破碎机制砂、棒磨机与立轴式冲击破碎机联合制砂、2级立轴式冲击破碎机联合制砂（常速立轴式冲击破碎机单独制砂，高速立轴式冲击破碎机整形配合调节），以及最新使用的塔式制砂楼系统制砂等，典型工艺流程见图2。棒磨机制砂适宜湿法生产，立轴破碎机和塔式制砂楼系统适宜干法生产。目前我国普遍采用的是棒磨机与立轴式冲击破碎机联合制砂、2级立轴式冲击破碎机联合制砂及最新使用的塔式制砂楼系统制砂等。对于硬度特别高、特别难破碎的岩石，通常采用棒磨机与立轴式冲击破碎机联合制砂；易碎岩石或中等可碎岩石通常采用2级立轴式冲击破碎机或塔式制砂楼系统制砂。

图2 制砂典型工艺流程

（1）棒磨机制砂软硬岩石均适用，是早期砂石加工系统的主要制砂方式，目前一般用于调节砂的石粉含量和细度模数，不作为主要制砂设备。优点：结构简单、操作方便、设备可靠、可全开路生产，无需配套检查筛分，大大简化工艺流程；产品粒形好，粒度分布均匀，细度模数可调，质量良好稳定。缺点：噪声大、单位能耗高、钢棒耗量与耗水量大，需配置污水处理设施，运行成本高，如三峡工程下岸溪砂石加工系统加工原料斑状花岗岩，单台MBZ2136棒磨机制砂量25～35 t/h，每生产1 t砂钢棒消耗量0.5～0.9 kg，需水量1.0～1.5 t，细砂流失达30%～35%[6]；进料粒径小，一般小于25 mm。

（2）立轴式冲击破碎机制砂：一般当原料为难碎岩石、磨蚀性较强时，宜选用“石打石”立轴式冲击破碎机；原料为中等可碎或易碎岩石、磨蚀中等或较弱时，宜选用“石打铁”立轴式冲击破碎机。优点：处理能力大，噪声小，单位能耗低。缺点：砂细度模数和石粉含量等参数不易调节和控制，如采用干法生产，石粉含量普遍偏高，如原料易碎，砂石粉含量一般偏高，细度模数偏低，若原料中等可碎或难碎则正好相反；级配不合理，粗颗粒偏多，需与检查筛分构成闭路循环生产。

（3）棒磨机与立轴式冲击破碎机联合制砂是目前普遍采用的制砂方式。优点：可根据原料变化灵活调节砂的细度模数和石粉含量，保证成品砂质量。缺点：工艺流程较复杂、设备品种多，保留了棒磨机及其不足之处[7]。

（4）2级立轴式冲击破碎机联合制砂也是目前普遍采用的制砂方式。优点：解决了棒磨机制砂运行成本高、产能低等问题。缺点：流程复杂。

（5）塔式制砂楼系统是最新使用的制砂方式，也是未来制砂方式发展趋势。该制砂楼采用全封闭结构，完全与外界隔绝，噪声低、无排放；采用了空气筛，比一般制砂设备分级精度更细更准确，分离合格砂与石粉。

2.3 砂石加工系统选址与布置

砂石加工系统形式主要有固定式和移动式2种，目前大中型系统普遍采用固定式，对于线性工程（如铁路、公路等）等的小型砂石加工系统宜采用移动式。移动式砂石加工系统采用模块式组装，将破碎、筛分和制砂等工艺环节由相关设备组合成一体，能够随料源工作面的推进而移动并进行现场破碎，且缩短了各流程间的运输距离。

砂石加工系统布置应根据系统规模和形式、生产工艺、周边环境等情况进行合理规划，并满足技术先进、施工方便、运行可靠、经济良好、安全环保等要求。

2.4 废水处理

砂石加工系统生产过程中排放的废水不含化学成分，一般采取物理法进行处理，常用处理方式为沉淀和固液分离式。沉淀处理一般采用预沉和沉淀2级；固液分离式首先将排放的废水进入浓缩池进行浓缩，浓缩达到一定浓度的废渣进行机械脱水，浓缩池溢流水进入沉淀池澄清。

沉淀式废水处理方式降低了水回收系统投资，操作运行较简单，但占地面积大，水回收利用率受外界限制，特别是废渣处理受气候限制，如常年平均气温不高、雨季较长、雨量较大，对废渣自然干化脱水十分不利，极大限制水回收系统正常运行。

固液分离式废水处理方式占地面积小，机械脱水干化不受天气和气温影响，有效保证水回收系统正常运行，回收利用率较高，一般可达到70%以上，但工程投资较高。

目前砂石加工系统废水处理通常采用沉淀与固液分离相结合的方式，即先将一部分粗颗粒沉淀分离，细颗粒通过浓缩后再利用机械方式进行脱水。这样既可保证废水处理系统的正常运行，又控制了成本。

2.5 粉尘与噪声治理

砂石骨料在破碎、筛分、输送等过程中，产生粉尘和噪声，不仅会对环境造成污染，而且严重影响操作人员及周围居住人员的身体健康。需采取措施，达到国家卫生标准和排放标准要求。

砂石加工系统粉尘主要来源于破碎、筛分分级、物料转送和输料斜槽等环节。一般采取洒水喷雾降尘、生物纳米技术抑尘和除尘设备收尘相结合的处理方式。

砂石加工系统产生噪声的环节主要有：破碎机运转、破碎岩石、筛分机运转、筛分石料、卸料溜槽与漏斗等。控制噪声的主要措施有降低声源级和控制噪声外泄强度，如选择低噪设备，降低噪声强度；选择合适的降噪材料，减弱噪声；使用隔音材料，阻断传播途径或在传播过程中减弱噪声强度；使用噪声个体防护器材。

3 质量控制

砂石骨料常见的质量问题有：砂石骨料分离、混杂、污染、软弱颗粒含量超标等，粗骨料二次破碎、超逊径、裹粉、针片状等，细骨料含水率、细度模数和石粉含量等控制问题。为保证砂石骨料质量，主要从母材质量控制、生产过程控制和成品检查验收3个方面加强质量控制[8]。如母材方面，从源头优选弃渣，对弃渣进行晾晒，并强化渣场排水系统等。

4 水电工程弃渣制备砂石骨料典型实例

云南大朝山、溪洛渡、白鹤滩，湖北三峡，西藏加查，河南天池抽水蓄能水电站全部或部分采用工程开挖弃渣料制备的砂石骨料。以大朝山水电站为例，位于云南澜沧江中游河段上，枢纽建筑物主要由拦河坝和地下厂房系统、长尾隧洞组成。拦河坝为碾压混凝土，主体工程混凝土约200万m3，共需砂石骨料约325万m3，所需砂石骨料全部由那戈河砂石加工系统提供，需原石料约190万m3。原石料取自工程洞挖和部分明挖的可用玄武岩石渣，以洞挖石渣为主，明挖石渣为辅，洞挖石渣利用约180万m3，明挖石渣约10万m3。

那戈河砂石加工系统靠近弃渣场布置，采用固定式，系统规模按混凝土高峰时段月平均浇筑强度10万m3设计，毛料处理能力800 t/h，砂石骨料生产能力684 t/h。生产方法采用湿法生产，闭路形式，生产工艺采用3段破碎，2级筛分，棒磨机与旋盘式破碎机联合制砂工艺，其中粗碎为旋回式破碎机，中碎和细碎均为圆锥式破碎机，筛分为圆振动筛。

通过试验研究和检测，那戈河砂石加工系统充分利用工程弃渣，所生产的砂石骨料质量优良，满足大朝山水电站工程建设的要求，节约了大量工程投资，同时又妥善解决了弃渣堆放问题，社会效益和经济效益显著[9]。