我国水工混凝土骨料技术的发展

阮光华 华东勘测设计研究院 

 

摘  要：本文总结了我国大型水电工程混凝土骨料料源选择、骨料加工技术的研究、应用、发展情况，提出了今后优质混凝土骨料技术的发展方向和实施步骤以及对修改规范的建议。

关键词：水电工程  优质  混凝土  骨料  技术

    

我国的水能资源理论蕴藏量达6.9亿kw，居世界第一位。水能资源是可再生的清洁能源，国家对我国能源结构中仅次于煤炭资源的水能开发极为重视，改革开放以来的三十多年时间里，在我国广阔国土的大江大河上兴建了一大批水电和水利工程，使我国的水电装机容量和年发电量都跃居世界首位，成为名副其实的“水电王国”。与此同时，随着这些工程的建成，其周围地区的生态环境得到显著改善，当地经济获得快速发展。

近二十年来，三峡工程和其后在我国西部地区的金沙江、雅砻江、澜沧江、大渡河等大江大河上一批大型、特大型水电工程的兴建，水工混凝土骨料技术遇到空前挑战并获得快速发展，在发展过程中形成了自身的特点。

水电工程混凝土量大而集中，一般在工程现场附近勘查选择混凝土骨料料源并建立集中的大型骨料生产系统向用户供应骨料。一些巨型工程，如举世瞩目的三峡水利枢纽混凝土总量达到2800万m3以上，近期在建的一些大型工程的混凝土量也都在千万m3以上。混凝土的质量对整个工程成败起着决定性作用。

水工混凝土，特别是最关键的大坝混凝土的骨料，不论体积或重量都要占到混凝土的85%以上，而骨料是混凝土组成材料中唯一在现场生产的当地建筑材料，其料源选择、生产工艺、设备选型以至生产管理、质量控制决定着砂石骨料的品质。由于水电工程的特殊性（工程的重要性和处于深山峡谷），历来对大坝混凝土骨料料源勘探选择及骨料加工技术极其重视，在长期工程建设实践中探索、积累了许多宝贵经验教训，主要有以下几方面。

1 高度重视混凝土骨料料源选择。

全面比较原岩质量和骨料质量、混凝土性能、开采运输、移民征地、环保、工程投资等各个要素，最终确定技术可行、经济合理的料源。

1.1 重视骨料的综合性能和对混凝土性能的综合影响。

水电工程重视料源母岩的稳定性和骨料的综合性能要求（如骨料强度、有害物质的影响、坚固性和吸水率、骨料级配、粒形等），同时更重视骨料对混凝土性能的影响（如混凝土工作性、强度、弹模、极限拉伸、干缩、自身体积变形、徐变、热学性能等）。如金沙江白鹤滩水电站可研前期曾考虑采用玄武岩开挖料作为粗骨料，系统研究后发现开挖料玄武岩可细分为多种岩性，存在较大差异，部分岩性（角砾熔岩和凝灰岩）必须剔除，后选用稳定性好、混凝土综合性能较优的距坝址30余公里的旱股地灰岩料场。

1.2 重视碱骨料反应试验分析。

所有大中型工程料源都经过这一试验分析，我国水电界从上世纪50年代开始即注意避免使用碱活性骨料并控制水泥含碱量，因此在已建成的大中型水电工程中，迄今尚未发现一例碱骨料反应。如金沙江向家坝水电站双河灰岩料场具有潜在危害性碳酸盐活性，后选为距坝址59km（直线距离30km）的太平灰岩料场。有时工程受技术、经济条件限制，不得不采用活性骨料，如四川雅砻江锦屏一级和青海黄河拉西瓦水电站两个高拱坝；《防止新建混凝土结构发生碱硅反应的指南》曾用于雅砻江锦屏二级水电站论证结构混凝土能否采用砂岩活性骨料，取得了较好的效果。

1.3 对机制砂石粉含量的研究不断深入，并取得成果。

有的工程机制砂产品中石粉含量已接近30%。例如四川雅砻江锦屏二级水电站大理岩石粉高达30~40%，甚至50%，采取工艺措施分离后仍达28.9%。大理岩是一种碳酸盐变质岩，化学组成与石灰岩石粉相近，需水量比96%，接近1级粉煤灰，经试验<45μm含量>80%，微细颗粒可当掺合料用，改善以水泥为主的胶凝材料的颗粒级配，降低混凝土单位用水量，改善混凝土性能。又如广西右江百色工程人工砂石粉含量达到26~28%，但其中有相当数量石粉颗粒粒径仅2~3μm，经试验将部分石粉等量替代水泥，作为掺合料对待，混凝土质量良好。

1.4 对机制骨料有特殊要求的工程，在工程区内无法选择单一骨料时，亦可用组合骨料。

如金沙江溪落渡工程粗骨料用玄武岩开挖料，细骨料用灰岩。锦屏一级粗骨料用变质砂岩，细骨料用大理岩。

1.5 逐渐重视岩石加工性能研究。

湖南沅水五强溪水电站的石英砂岩、浙江西溪、周公宅两水库的熔结凝灰岩、四川雅砻江锦屏一级的变质砂岩在加工性能上都有很大教训，引起对岩石加工性能的重视，逐渐认识到前期料源选择中进行岩石小型试验（岩石功指数和磨蚀性指数）的重要性，传统大型试验的局限性，在新编制的水电砂石系统设计规范中已明确料源必需做小型试验。

1.6 重视料场岩石表层风化、灰岩料场溶蚀夹泥的研究。

如金沙江观音岩水电站龙洞料场在开采进程中溶蚀夹泥不断增加，系统运行困难，废水处理负担加大，促使今后对这类料源在前期勘探阶段和设计阶段要重视溶蚀夹泥问题。

1.7 重视料源选择中的移民和环保问题。

2 针对不同母岩岩性，不断发展骨料加工技术。

2.1 我国水电工程砂石骨料遇到岩石的多样性和复杂性是罕见的。近几年西部一些大型水电工程的建设促进了砂石加工技术的新发展，加工技术适应了料源的多样性。已遇到过的岩石种类有灰岩、花岗岩、玄武岩、砂岩、流纹岩、凝灰岩、片麻岩、正长岩、辉绿岩、砂板岩、大理岩、白云岩等。

2.2 西部一些大型水电工程（例如澜沧江小湾水电站、雅砻江锦屏一级水电站）料场特别困难的地形、地质条件下成功采用了竖井、斜井开采运输（最大高差达513m），为今后更加困难的工程建设创造了新经验。

2.3 长距离带式输送机在大型水电工程陆续成功使用，使得工程运量最大的运输方式有了新的扩展。

带式输送机（以下简称带机）是输送量大、能耗低又环保的运输机械，在各行业和水电工程有广泛应用。长距离带式输送机（以下简称长带机）在国内其他行业早已使用（1997年南京金阳水泥厂单条带机长15.8km），水电工程从龙滩工程开始使用长带机（2003年，长4km），其后向家坝水电站于2007年投入31.1km的长带机线，为世界之最。其耗电量仅为0.1kwh/t.km，单位运输成本仅为0.32元/t.km，低碳环保，无移民问题，创造了巨大的技术、经济、社会效益。2009年锦屏二级工程引进国外5.9km的空间曲线返程带料长带机投入运行，同年龙开口工程6km长的国产空间曲线长带机投入运行，经三年多运行，两工程的应用都非常成功，具有里程碑意义。突出显示了长带机在运输能力、能耗、经济指标、环保等方面的优越性，今后必将成为砂石运输的首选设备。同时，长带机的成功应用，还为优选混凝土骨料料源扩展了更大的范围。

2.4 制砂工艺是砂石生产技术的核心。

早期水电工程骨料多用天然骨料，上世纪六十年代以来经历了棒磨机制砂、圆锥机制砂、立轴破与棒磨机联合制砂、单级立轴破制砂、两级立轴破制砂等方式，从国内水电工程的实践来看，一般都能满足现行规范要求，但这些方式还存在一些不足之处，特别是要进一步提高砂石产品品质，突破现行规范指标，达到优质砂石水平还有很大困难。最近有国内企业在引进国外制砂设备技术基础上，可以提供环保型干法生产的全套制砂设备，砂的成品指标远优于国内规范的规定，且整条生产线可做到低尘、低噪音生产。优质砂石产品为生产优质混凝土打下了坚实基础。

本世纪初，日本根据天然砂资源短缺、禁采和混凝土需要更高指标细骨料的市场需求，开发出V7制砂系统。该系统主要由专门设计的整形立轴破和空气筛以及鼓风机、收尘器、加湿机等部分组成。整形立轴破的进料来自上一级立轴破小粒径排料（小于13mm），破碎后的成品砂排至空气筛，利用鼓风机风量变化、控制调节门的开度以及收尘器抽风机风量变化等原理来调节砂的细度模数和石粉含量。干法生产出的成品砂通过加湿机后，保持含水率稳定。

V7系统的成品砂细度模数可在2.4~3.0范围内调节、波动值在±0.1内，砂的粒形接近球形，石粉含量和粒度亦可调整，砂含水率可稳定在2%内，同时均按事先设定的模式程序化自动生产运行，产品质量稳定。

国内企业已在2012年引进该项技术，并在国内生产制造。

2.5 此外，近期水电工程还解决了干法石粉分离技术、粗骨料整形技术、细颗粒分离技术等难题，为进一步提高砂石品质积累了丰富经验。

结论：组成混凝土的诸多材料中，除砂石外的其他材料均由工厂生产供应，品质较有保证，只有用量最大的砂石由现场加工，其质量指标会因各种因素产生波动，进而影响混凝土性能。现在砂石加工工艺和设备的发展具备制出质量指标更优的优质骨料条件，从而为长寿命优质混凝土提供了原料保证。

3 关于优质高性能混凝土及优质骨料。

在总结近20年大型水电工程骨料技术的基础上，中国水力发电工程学会施工专业委员会于2013年8月和11月分别在杭州和成都举办了两次“优质混凝土与骨料技术研讨会”。按照高性能混凝土的要求，对骨料技术明确了今后努力方向和实施步骤。

3.1 首先要慎重选好混凝土骨料料源。除了开采运输、移民征地、环保、工程投资等各个要素外，要特别注意原岩质量和骨料质量、混凝土性能，最终确定技术可行、经济合理的料源。要注意以下几点：

 (1)有关优质混凝土和优质骨料。不同工程原材料存在较大差异，建议根据具体工程实际情况和相关试验成果，确定优质混凝土的具体指标；同时建议核算不同寿命混凝土工程的工程成本，以鼓励建设单位建造长寿命混凝土，保持混凝土工业和国民经济的可持续发展。

 (2)人工砂石粉中的云母含量如超标，可通过混凝土试验论证，确定是否允许超标使用。

 (3)对规范中未规定的有害物质限值，如黄铁矿，由于其对混凝土的有害作用，建议通过骨料和混凝土试验规定限值，并建议今后修改规范时明确其试验方法及其限值。

 (4)人工砂中石粉含量超标问题。考虑到不同岩性岩石的石粉对混凝土性能影响规律存在差异，如灰岩石粉在含量适度的情况下对混凝土是有利的，建议根据具体工程实际情况通过混凝土试验确定合理限值。

 (5)对骨料技术要求是否全部满足规范才能使用问题。要根据具体情况而定，如骨料个别指标不合格，或超标不多，不应立即否定，建议相关规范中规定通过混凝土试验论证存在不合格项指标的骨料可用性。

 (6)关于人工骨料小型试验问题（岩石的功指数和磨蚀性指数）。小型岩石试验简单易行，是国外通行的做法，其试验结果对确定岩石加工性能有重要参考作用，《水电工程砂石加工系统设计规范》（DL/T5098-2010）已规定大型、特大型砂石加工系统，宜对所选料源石料做小型试验，但不少工程仍未执行，建议今后水电工程料源选择应按新规范执行。大型生产性试验在料源选择阶段是否进行，建议视具体工程情况而定，一般可不进行，只在对所加工岩石完全缺乏经验时再确定是否进行试验。

 (7) 对料源选择阶段时工程投资计算比较问题。建议除计算料源的直接费用外，还应考虑胶材用量、温控、后续工程修补维护等费用作比较，同时进一步探讨全生命周期总投资比较的可行性。

3.2 关于骨料精细化、环保生产成套技术

我国砂石年生产量约100-110亿吨，反推混凝土浇筑量约为50亿m3，大型水电工程生产的砂石产品指标基本能达到现行国家规范要求，浇筑的混凝土也是合格的。但是大量民用砂石厂生产的砂石产品不能保证都达到国家规范要求，有的甚至采挖海砂不经处理直接拌制混凝土，存在严重的质量隐患，混凝土结构寿命难以保证。为使我国砂石生产能按国家规范生产供应，特别是大型水电和重要基建工程（如高速铁路、大型桥梁、核电等）更应向精细化生产方向努力，力争生产出优质砂石骨料，为优质长寿命混凝土打下坚实的原料基础。

目前砂石生产技术的发展，已能生产质量较好的粗、细骨料，其中细骨料细度模数及其变化在2.4-3.0范围内任选，波动值可控制在±0.06以内，机制砂的级配和粒形、石粉含量、含水率等能做到较精确控制，其性能可以保持较高的稳定性。优质骨料对降低混凝土单位用水量和胶材用量，提高混凝土的工作性和密实度极为有利，从而可提高混凝土耐久性。建议大力推广能够生产优质骨料的精细化、环保生产成套技术。

3.3 关于骨料级配。

美国ACI207.IR-05中规定小石(5-19mm)分为两级，分级界限为9.5mm，我国雅砻江二滩、黄河小浪底工程的国外承包商均将机制砂分为两级（0-1.2mm，1.2-4.8mm），国内对小石和砂不分级。小石和砂的分级对混凝土性能是有利的，特别是在级配不良或波动时，分级更为有利。建议通过混凝土试验论证分级的合理性，并建议将砂的分级纳入今后规范修改内容。

3.4 制砂工艺

制砂工艺应根据不同的原岩状况决定生产方式,有湿法和干法两种基本生产方式，各有利弊。湿法生产需要一套污水处理系统，干法生产则存在粉尘污染，需要一套收尘系统。由于国内一些单位过去采用干法生产时不注意粉尘收集，造成环境污染，许多人就此而反对用干法生产。实际上这两种方式不应对立，而是相辅相成，各有不同的适用条件。一般来说湿法适用于岩石中含泥量较高的条件，干法则相反。国外（如日本）对这两种方式结合使用解决得比较好，把料源中含泥多的部分先筛出来用湿法生产，其余大部分用干法生产，其产品质量指标非常好，砂的细度模数可在2.4-3.0范围内任意调整，且波动值做到在±0.06之内，并可控制石粉的粒径和含量。由于有严格的除尘系统，现场无粉尘污染。至于半干法生产是国内过去曾发展出来的一种制砂工艺，在条件合适时采用这种工艺比较经济，但在原岩含泥量较大时则应慎重采用。

3.5 石粉含量和粒径控制

我国混凝土施工规范对碾压混凝土和常态混凝土用砂提出了砂的石粉含量的不同要求，不少工程的实践和研究（如百色、锦屏）表明砂中石粉（特别是碳酸盐类岩石）在一定含量和粒径条件下对混凝土是有益的，而且其中的细粉（小于75μm或45μm）含量还需有一定比例。现在发展起来的制砂工艺应做到石粉含量和粒径的控制。

3.6 砂的含水率控制

我国混凝土施工规范要求砂的含水率小于6%，不少工程没有完全做到，特别是有的工程料源开采过程中出现难透水的夹层，即使长时间堆放成品砂，含水率还大大超标。混凝土的研究表明，混凝土中含水量及其波动对混凝土耐久性极为不利，作为骨料加工工艺就要从制砂工艺上思考，采用环保型干法生产可以有效控制砂的含水率稳定在2-3%之内。

3.7 粗骨料粒形

对呈片状分布的岩石，加工后易出现粗骨料针片状超标现象，由于冲击破碎产品的粒形较好，对这类岩石建议今后工艺设计考虑利用反击破和立轴破生产的方案，立轴破同时生产砂和中小石，可以显著改善粗骨料的粒形。

目前对粗骨料粒形用针片状含量来衡量是值得研究的，建议研究用圆度系数更为科学。国外的方法见下图。

 

3.8 关于地下开采问题

目前料场开采都用露天开采方式，造成高边坡稳定和环保问题，特别是当前大规模的民用石料场开挖，造成严重的环境破坏。国外有的国家石料采用地下开采，国内有一个水电站料场出现料源不够时，曾研究过地下开采方案，其成本比另选料场还低（包括林地赔偿）。今后在环境条件较严时，应积极研究地下开采方案。

3.9 环保技术

目前环保指标都有明确要求，当采用湿法生产时，污水处理是很大问题。水处理工艺主要由预处理、中间处理、末端处理三部分构成。预处理要解决粗颗粒（细砂和石粉）回收，主要采用螺旋洗砂机、链条刮板机、砂水分离器等；中间处理用过高效旋流净化器、辐流、平（竖）流沉淀池、斜板沉淀池等；末端处理污泥主要用压滤机、真空过滤机、离心机等。

实际工程往往因投资大、运行费高装而不用，环保设施成为摆设，DH高效旋流净化器处理效率高、运行成本低，是值得研究推广的方式。

结论：建议在国家规范一时尚未修订的情况下，可以先提出优质骨料的企业标准，分级定价。这样先从规范标准和政策上下手，鼓励施工企业努力探索提高砂石加工工艺，鼓励设备制造企业努力开发出新设备，制出优质砂石骨料，进而提高混凝土施工性能和长期性能，建成优质工程留给子孙后代。

 

作者简介：

阮光华  男  教授级高工  长期从事水电工程施工技术（包括骨料技术）研究、设计和管理，曾任第五届、第六届中国水力发电工程学会施工专业委员会常务副主任兼秘书长，现任第七届中国水力发电工程学会施工专业委员会副主任。