阮光华：我国水工混凝土骨料技术的发展

日前在杭州召开的中国砂石协会2013年年会暨第二届砂石行业创新与发展论坛上，华东勘测设计研究院教授级高级工程师阮光华作了《我国水工混凝土骨料技术的发展》报告，报告内容整理如下：

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。

一、水电资源在我国能源结构中的地位

我国常规能源资源储量结构

二、水工混凝土骨料技术特点和经验教训

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：

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）。

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。

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%

如四川雅砻江锦屏二级水电站、广西右江百色工程。

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、锦屏一级工程。

1.5逐渐重视岩石加工性能研究

如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。

水电砂石系统设计规范中已明确料源必需做小型试验（岩石功指数和磨蚀性指数）

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。

1.7重视料源选择中的移民和环保问题

[Page]

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。

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。

如澜沧江小湾水电站、雅砻江锦屏一级水电站。

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。

如1997年南京金阳水泥厂单条带机长15.8km，龙滩工程开始使用长带机（2003年，长4km），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。

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。

义煤四公里皮带双Ｓ弯及机尾

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。

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。V7制砂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。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。

制砂循环工艺流程

2.5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） 机制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）机制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）关于机制骨料小型试验问题（岩石的功指数和磨蚀性指数）。《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。

（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t，反推混凝土浇筑量约为50亿m³，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。

实物场景—达到国家排放标准

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

国内常见制砂工艺有湿法和干法两种。湿法制砂工艺包含污水处理系统，用于岩石中含泥量较高的情况。干法制砂工艺包含收尘系统，与湿法制砂工艺运用情况相反。国外（如日本）则是两种方式结合使用。

FM2.4~3.0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。

3.5石粉含量和粒径控制

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

砂的含水率小于6%，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

片状分布的岩石中粗骨料针片状易超标，岩石破碎现有反击破和立轴破组合生产方案。立轴破同时生产砂和中小石。针片状岩石则与圆度系数有关。

3.8关于地下开采问题

露天开采方式涉及高边坡稳定和环保问题；地下开采方式更具经济性，且地下开采可减少雾霾，保持绿水青山，换来金山银山。

3.9环保技术

环保技术工艺流程如下：

湿法生产—污水处理

预处理—粗颗粒（细砂和石粉）回收—螺旋洗砂机、链条刮板机、砂水分离器等中间处理—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—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。