河床卵石料制砂工艺及其应用实践

陈立宁，李郁新

（广西大藤峡水利枢纽开发有限责任公司，广西 桂平 537200）

1 应用背景

砂石骨料是混凝土拌制的重要原材料之一，以每立方米混凝土重量为2.4 t计，水工混凝土所使用的砂石骨料即达到2.2 t，在建筑市场上，混凝土常用的粗骨料一般采用山体石料，细骨料一般采用天然砂。广西红水河流域两侧多为丘陵、山地，其中贵港市、来宾市砂岩、灰岩石山分布密集，是山体石料的主要产地，成品砂石骨料运输至广西各地、珠三角地区乃至全国各地，用于水利、交通、房建等各类工程建设。

党的十八大以来，党中央形成并积极推进“五位一体”总体布局，生态文明建设成为新时代社会主题之一，坚持绿色发展、建设美丽中国，已经成为经济社会发展的全新指引。随着生态保护理念不断深入人心，开山采石也逐渐趋于规范化，山体石料的总体产量呈下降趋势，但是社会经济发展、基础设施建设仍处于高峰期，在此社会背景下，河床卵石料逐渐成为混凝土骨料的应用热门。

以水工混凝土的拌制生产为例，常规级配的混凝土用砂在砂石骨料中的占比为25%～35%，广西红水河流域中，天然级配的含砂量约为8%，由于河砂的提前开采，各砂石采区的含砂量常常不足5%。为满足混凝土拌制需求，需要将卵石料制成人工砂，作为混凝土细骨料的重要补充，或直接将人工砂替代天然砂，应用于混凝土拌制。

2 制砂工艺

河床卵石料制砂的总体工艺流程与山体石料差异较小。在毛料开采阶段，用采砂船将大于300 mm 的超径石筛出，300 mm 及以下的毛料运输至砂石料加工系统进一步加工。在加工环节，首先需要通过筛分，按水工混凝土所需要的各种级配砂石骨料（特大石150～80 mm、大石80～40 mm、中石40～20 mm、小石20～5 mm四级粗骨料和<5 mm的天然砂细骨料）筛分堆存。再将300 mm～150 mm 的超径石作为主要制砂原材料，同时可根据混凝土级配需求，将部分特大石、大石也作为人工砂制砂原材料。

利用天然卵石料生产人工砂，根据人工砂质量要求，在选择制砂设备时，应充分考虑料源的破碎特点，制砂工艺要能及时调整砂的细度模数和石粉含量，保证生产出来的砂能达到质量要求。目前建筑市场常用的制砂工艺主要为破碎研磨，设备选型常选用棒磨机和破碎机。其中棒磨机为使用经验成熟的传统制砂设备，而破碎机随着建筑行业发展，使用技术也逐步趋于成熟。用于制砂的破碎机种类较多，主要有反击式破碎机、圆锥式破碎机和立轴式冲击破碎机3种，其中圆锥式破碎机、立轴式冲击破碎机由于产能较大、设备使用耐久性高，比较适用于中、大型的砂石料生产系统。棒磨机、立轴式冲击破碎机和圆锥破碎机3种制砂设备工艺特点如下：

（1）棒磨机制砂工艺。棒磨机是传统的制砂设备，设备型号选择也比较丰富，结构简单、操作方便，可适用于各种硬度的岩石和各种规模的制砂系统；通过棒磨机研磨生产出来的人工砂，细度模数连续、平均粒径稳定，一般无超径物料，且颗粒形态较好。另外，棒磨机制砂还能很好地调整砂的细度模数，只要适当调整加工原料的输入强度，生产出来砂的细度模数便能相应提高，能很好地向原料细砂中补充粗砂，起到提高细度模数的作用。但是对于大型的砂石料生产系统，若要达到一定规模的产能，则需要配置的棒磨机数量相对较多，另外研磨棒作为其主要消耗品，材料消耗率较大，运行成本也相应较高。

（2）立轴式冲击破碎机制砂工艺。立轴式冲击破碎机主要分为双料流冲击式、单料流冲击式两种，双料流冲击式立轴破碎机的加工原料通过进料口的挡板进行分流，分两股从中心和四周进入机器，其中一股从中心管进入旋冲盘内，通过离心力甩向四周，而另一股从四周落下，与中心进入的原料反复冲击破碎。单料流冲击式立轴破碎机的加工原料则无需分流，全部原料通过中心管直接进入旋冲盘，通过调整盘上导料板的角度，将原料甩向外壁的铁砧上制成人工砂。单料流冲击式立轴破碎机相对于双料流冲击式立轴破碎机，加工原料的进出方式比较单一，产能也更高。

（3）圆锥破碎机制砂工艺。圆锥破碎机的制砂原理主要是利用动锥的偏心转动，使动锥与定锥之间形成一个挤压破碎腔，加工原料进入破碎腔经过动锥与定锥的挤压后被破碎。圆锥破碎机具有设备安装方便、性能稳定、故障率低的优点，适合于硬度偏大的石料。

针对上述制砂工艺的特点，在实际生产应用中，应根据原材料物理性质、生产强度要求，选用一种或同时选用多种工艺，从制砂效率、质量、成本等方面综合各种型号设备的优点，在确保产量和质量的基础上降低生产成本。

3 品质控制

《水工混凝土施工规范》（SL677-2014）第5.3.5条对骨料的品质提出了具体要求，涉及到人工砂生产的几个主要参数分别为细度模数、石粉含量和表面含水率。其中细度模数要求为2.4～2.8，石粉含量要求为6%～18%，表面含水率要求为≤6%。人工砂的生产，细度模数与石粉含量之间、石粉含量与含水率之间均呈反比关系，为保证细度模数，卵石料的研磨需要更细，制砂产生的石粉就越多；而为了控制石粉含量，往往采用高速水流冲洗去除多余石粉，因此产生出的成品人工砂含水率较高，需要采取进一步的降低含水率的措施。细度模数主要控制因素为设备选型和参数设置，这里主要讲述针对广西地区卵石料和气候条件的特性而需要注意的石粉含量和含水率的控制措施。

3.1 人工砂石粉含量控制

广西红水河流域的卵石料岩性主要为红砂岩，以贵港市桂平市江口镇为例，其河床卵石料物理性质指标见表1。

表1 江口料场卵石料物理性质试验成果表

通过试验成果可以看出，岩性主要为红砂岩的卵石料软弱颗粒虽然质量指标合格，但指标偏大，在生产实践中也发现，在冲洗前，通过卵石料生产出来的人工砂石粉含量普遍在35%左右，而砂岩、灰岩料生产出来的人工砂石粉含量在25%左右，需要冲洗以降低石粉含量；同时，在运输堆存时发现，从砂石加工系统成品砂仓运往混凝土拌和系统的过程中，石粉含量会上浮2%～3%。

针对此特性，在生产人工砂的工艺流程中，应当加大冲洗力度，将成品料的石粉含量控制在15%以内，从而使混凝土拌制时人工砂的石粉含量在18%以内，确保满足规范要求。

3.2 人工砂含水率控制

在水工混凝土生产中，人工砂的含水率要求不宜超过6%，且应该保持稳定，这是根据水工混凝土的特性来决定的。水工混凝土通常有温控要求，高温季节除了需要对粗骨料进行预冷外，还需在拌制过程中添加冰片，以达到设计要求的混凝土出机口温度。不同配合比的水工混凝土，对用水总量均有一定要求，若人工砂含水率过高，在用水总量控制的前提下，可加冰量将对应减少，对混凝土温控造成不利影响；若人工砂含水率波动较大，除了需要频繁调整生产用水量，增加拌和楼运行成本外，对混凝土强度的稳定性控制也不利。

人工砂的脱水工艺一般分为两个阶段。在生产过程中采用直线振动筛分散脱水工艺，也可以根据石粉的产出，在可控范围内采取半干法生产工艺，将冲洗过、石粉含量较低的湿砂与未冲洗、石粉含量较高的干砂混合，在保证石粉含量达标的前提下，生产出含水率较低的人工砂。在成品砂存储过程中，采用分仓脱水工艺，根据生产、使用强度分为多个小仓，一进、一出、多脱水，干湿料分仓堆存，保证用于拌制的人工砂含水率满足规范要求。

4 应用实践

大藤峡水利枢纽工程主体结构混凝土为常态混凝土，设计总方量超过710万m3，高峰期混凝土浇筑强度为每月25 万m3。工程采用的混凝土骨料为坝址下游40 km 的江口砂砾石料场作为主料场，同时将坝址上游的马鹿岭砂岩料场作为备用料场，使用山体石料破碎筛分为粗骨料和人工砂。主料场通过750 t/h 开采能力的链斗式采砂船、1200 t 级的运输船开采运输至坝址处的砂石加工系统进行加工。为满足生产强度要求，大藤峡工程砂石料系统设计处理能力需要达到每月89.85万t，按高峰强度日24 h 生产、月生产25 d 计算，加工系统毛料处理能力为2567 t/h，成品骨料生产能力为2187 t/h，其中人工砂生产能力为725 t/h。

在进行工艺计算时，先对3 种不同的料源进行工艺计算和工艺设计，选用的破碎设备能适用不同料源的破碎，中细碎设备选用3 台HP500 圆锥破碎机，该设备为进口设备，既能适用天然砂砾石料的破碎，也能在备用料场启用后适用于石料的破碎。综合各种因素，人工砂制造工艺的设备选型同时选用了6 台MBZ2136 棒磨机和9 台B9100 立轴破碎机，这样的设备组合既能满足卵石料人工砂的生产质量、强度要求，又能在河床卵石料不足、备用料场启用后，适用于山体石料的制砂生产，保证了系统的易改造性。

根据备用料场山体石料的物理化学性能指标，启用坝址上游的马鹿岭砂岩备用石料场后，中细碎车间需再增加2 台HP500 圆锥破碎机，为保证改造调整量最小，在系统布置时，在中细碎车间预留了一定面积的场地，确保在启用备用料场后，破碎车间改造的简易性。

选配胶带机时，既兼顾生产卵石料的经济性，又充分考虑启用备用料场后胶带机的更换，在胶带机功率配置相差不大时，一次性配置到位。在功率相差较大时，胶带机仅更换驱动装置即可，相对应的电气设备一次性配置到位。启用坝址上游的马鹿岭砂岩备用石料场时，需改造系统处理能力为2187 t/h，将B10、B11、B19、B20、B21 胶带机功率增大即可。该方案保证了改造的经济性、便利性。

工艺设计时，考虑启用坝址上游的马鹿岭砂岩备用石料场后，能充分利用卵石料生产的设备，保证改造的经济性。备用料场启用后，将第一筛分车间2 台3YKR2460 圆振动筛和2 台2YKRH3060H 重型振动筛（第一筛分车间下层的振动筛在原工艺设计时，只需两层筛网，但考虑到系统改造需要，配置了三层筛网的振动筛）、洗砂机、脱水筛，拆除后安装至二筛车间，以确保设计改造的兼容性。

通过以上措施，该砂石料系统能够较好地完成河床卵石料制砂工作，保证了人工砂供应的产量和质量，同时在设备选型上充分考虑了后续的升级改造工作，保证了坝址上游的马鹿岭砂岩备用石料场启用时，不因为系统升级改造影响原有的砂石骨料生产供应。

大藤峡水利枢纽工程自2015年9月开工以来，主体工程浇筑混凝土累计超过630 万m3，使用人工砂累计超过500万t，表明该砂石料系统能满足工程混凝土浇筑用砂需求。

5 结语

应用实践表明河床卵石料制砂具有产量可控、质量可控等优势，可满足高强度的混凝土浇筑用砂要求，但应注意以下几方面：

（1）在河床卵石料的开采、加工、使用过程中，应充分考虑其天然级配不均匀的特性，尤其在作为某一工程的专用料源时，应当严格按照《水电水利工程砂石料开采及加工系统运行规范》（DL/T5311-2 013）要求进行料场复勘，根据料场储量及时优化调整生产工艺，确保各级配砂石骨料能够有效利用于工程建设。

（2）河床卵石料制砂产生的石粉，虽不可用于混凝土拌制或作为种植土使用，但经过脱水晾晒后，在路基填筑等部位仍有较大可利用价值，在人工砂生产的同时，应该多专业领域合作，合理回收利用。如确实不便于回收利用，应当集中堆放处置，避免对周边土壤环境造成不良影响。

（3）广西夏天多雨且降雨强度大，常年空气湿度大，对成品砂的脱水不利，因此在分仓脱水时，应该适当增加仓数，合理设置排水盲沟并及时清理，延长脱水时间，提高脱水效率；同时做好砂仓防雨、防涝措施，避免降雨侵入导致含水率增加。在统筹考虑生产成本的前提下，亦可采取密封砂仓、脱水机等，以提高脱水效率。