阮光華:我國水工混凝土骨料技術的發(fā)展

中國水泥網(wǎng)信息中心 · 2013-12-31 11:44 留言

日前在杭州召開的中國砂石協(xié)會2013年年會暨第二屆砂石行業(yè)創(chuàng)新與發(fā)展論壇上,華東勘測設計研究院教授級高級工程師阮光華作了《我國水工混凝土骨料技術的發(fā)展》報告,報告內(nèi)容整理如下:

我國的水能資源理論蘊藏量達6.9億kw,居世界第一位。水能資源是可再生的清潔能源,國家對我國能源結構中僅次于煤炭資源的水能開發(fā)極為重視,改革開放以來的三十多年時間里,在我國廣闊國土的大江大河上興建了一大批水電和水利工程,使我國的水電裝機容量和年發(fā)電量都躍居世界首位,成為名副其實的“水電王國”。與此同時,隨著這些工程的建成,其周圍地區(qū)的生態(tài)環(huán)境得到顯著改善,當?shù)亟?jīng)濟獲得快速發(fā)展。

一、水電資源在我國能源結構中的地位

我國常規(guī)能源資源儲量結構

二、水工混凝土骨料技術特點和經(jīng)驗教訓

近二十年來,三峽工程和其后在我國西部地區(qū)的金沙江、雅礱江、瀾滄江、大渡河等大江大河上一批大型、特大型水電工程的興建,水工混凝土骨料技術遇到空前挑戰(zhàn)并獲得快速發(fā)展,在發(fā)展過程中形成了自身的特點。

水電工程混凝土量大而集中,一般在工程現(xiàn)場附近勘查選擇混凝土骨料料源并建立集中的大型骨料生產(chǎn)系統(tǒng)向用戶供應骨料。一些巨型工程,如舉世矚目的三峽水利樞紐混凝土總量達到2800萬m3以上,近期在建的一些大型工程的混凝土量也都在千萬m3以上。混凝土的質量對整個工程成敗起著決定性作用。

水工混凝土,特別是最關鍵的大壩混凝土的骨料,不論體積或重量都要占到混凝土的85%以上,而骨料是混凝土組成材料中唯一在現(xiàn)場生產(chǎn)的當?shù)亟ㄖ牧希淞显催x擇、生產(chǎn)工藝、設備選型以至生產(chǎn)管理、質量控制決定著砂石骨料的品質。由于水電工程的特殊性(工程的重要性和處于深山峽谷),歷來對大壩混凝土骨料料源勘探選擇及骨料加工技術極其重視,在長期工程建設實踐中探索、積累了許多寶貴經(jīng)驗教訓,主要有:

1.高度重視混凝土骨料料源選擇。全面比較原巖質量和骨料質量、混凝土性能、開采運輸、移民征地、環(huán)保、工程投資等各個要素,最終確定技術可行、經(jīng)濟合理的料源。

1.1重視骨料的綜合性能和對混凝土性能的綜合影響。水電工程重視料源母巖的穩(wěn)定性和骨料的綜合性能要求(如骨料強度、有害物質的影響、堅固性和吸水率、骨料級配、粒形等),同時更重視骨料對混凝土性能的影響(如混凝土工作性、強度、彈模、極限拉伸、干縮、自身體積變形、徐變、熱學性能等)。

1.2重視堿骨料反應試驗分析。所有大中型工程料源都經(jīng)過這一試驗分析,我國水電界從上世紀50年代開始即注意避免使用堿活性骨料并控制水泥含堿量,因此在已建成的大中型水電工程中,迄今尚未發(fā)現(xiàn)一例堿骨料反應。

1.3對機制砂石粉含量的研究不斷深入,并取得成果,有的工程機制砂產(chǎn)品中石粉含量已接近30%

如四川雅礱江錦屏二級水電站、廣西右江百色工程。

1.4對機制骨料有特殊要求的工程,在工程區(qū)內(nèi)無法選擇單一骨料時,亦可用組合骨料

如金沙江溪落渡工程、錦屏一級工程。

1.5逐漸重視巖石加工性能研究

如湖南沅水五強溪水電站的石英砂巖、浙江西溪、周公宅兩水庫的熔結凝灰?guī)r、四川雅礱江錦屏一級的變質砂巖。

水電砂石系統(tǒng)設計規(guī)范中已明確料源必需做小型試驗(巖石功指數(shù)和磨蝕性指數(shù))

1.6重視料場巖石表層風化、灰?guī)r料場溶蝕夾泥的研究

如金沙江觀音巖水電站。

1.7重視料源選擇中的移民和環(huán)保問題

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2、針對不同母巖巖性不斷發(fā)展骨料加工技術

2.1我國水電工程砂石骨料遇到巖石的多樣性和復雜性是罕見的。

灰?guī)r、花崗巖、玄武巖、砂巖、流紋巖、凝灰?guī)r、片麻巖、正長巖、輝綠巖、砂板巖、大理巖、白云巖等。

2.2西部一些大型水電工程料場特別困難的地形、地質條件下成功采用了豎井、斜井開采運輸(最大高差達513m),為今后更加困難的工程建設創(chuàng)造了新經(jīng)驗。

如瀾滄江小灣水電站、雅礱江錦屏一級水電站。

2.3長距離帶式輸送機在大型水電工程陸續(xù)成功使用,使得工程運量最大的運輸方式有了新的擴展。

如1997年南京金陽水泥廠單條帶機長15.8km,龍灘工程開始使用長帶機(2003年,長4km),向家壩水電站于2007年投入31.1km的長帶機線,為世界之最。其耗電量僅為0.1kwh/t.km,單位運輸成本僅為0.32元/t.km。

2009年錦屏二級工程引進國外5.9km的空間曲線返程帶料長帶機投入運行,同年龍開口工程6km長的國產(chǎn)空間曲線長帶機投入運行。

義煤四公里皮帶雙S彎及機尾

2.4制砂工藝是砂石生產(chǎn)技術的核心。

早期水電工程骨料多用天然骨料,上世紀六十年代以來經(jīng)歷了棒磨機制砂、圓錐機制砂、立軸破與棒磨機聯(lián)合制砂、單級立軸破制砂、兩級立軸破制砂等方式。

本世紀初,日本根據(jù)天然砂資源短缺、禁采和混凝土需要更高指標細骨料的市場需求,開發(fā)出V7制砂系統(tǒng)。V7制砂系統(tǒng)主要由專門設計的整形立軸破和空氣篩以及鼓風機、收塵器、加濕機等部分組成。成品砂細度模數(shù)可在2.4~3.0范圍內(nèi)調(diào)節(jié)、波動值在±0.1內(nèi),砂的粒形接近球形,石粉含量和粒度亦可調(diào)整,砂含水率可穩(wěn)定在2%內(nèi),同時均按事先設定的模式程序化自動生產(chǎn)運行,產(chǎn)品質量穩(wěn)定。國內(nèi)企業(yè)已在2012年引進該項技術。

制砂循環(huán)工藝流程

2.5近期水電工程還解決了干法石粉分離技術、粗骨料整形技術、細顆粒分離技術等難題,為進一步提高砂石品質積累了豐富經(jīng)驗

結論:組成混凝土的諸多材料中,除砂石外的其他材料均由工廠生產(chǎn)供應,品質較有保證,只有用量最大的砂石由現(xiàn)場加工,其質量指標會因各種因素產(chǎn)生波動,進而影響混凝土性能?,F(xiàn)在砂石加工工藝和設備的發(fā)展具備制出質量指標更優(yōu)的優(yōu)質骨料條件,從而為長壽命優(yōu)質混凝土提供了原料保證。

3.關于優(yōu)質高性能混凝土及優(yōu)質骨料

在總結近20年大型水電工程骨料技術的基礎上,中國水力發(fā)電工程學會施工專業(yè)委員會于2013年8月和11月分別在杭州和成都舉辦了兩次“優(yōu)質混凝土與骨料技術研討會”。按照高性能混凝土的要求,對骨料技術明確了今后努力方向和實施步驟。

3.1首先要慎重選好混凝土骨料料源

除了開采運輸、移民征地、環(huán)保、工程投資等各個要素外,要特別注意原巖質量和骨料質量、混凝土性能,最終確定技術可行、經(jīng)濟合理的料源。要注意以下幾點:

(1)有關優(yōu)質混凝土和優(yōu)質骨料。不同工程原材料存在較大差異,建議根據(jù)具體工程實際情況和相關試驗成果,確定優(yōu)質混凝土的具體指標;同時建議核算不同壽命混凝土工程的工程成本,以鼓勵建設單位建造長壽命混凝土,保持混凝土工業(yè)和國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。

(2) 機制砂石粉中的云母含量如超標,可通過混凝土試驗論證,確定是否允許超標使用。

(3) 對規(guī)范中未規(guī)定的有害物質限值,如黃鐵礦,由于其對混凝土的有害作用,建議通過骨料和混凝土試驗規(guī)定限值,并建議今后修改規(guī)范時明確其試驗方法及其限值。

(4)機制砂中石粉含量超標問題??紤]到不同巖性巖石的石粉對混凝土性能影響規(guī)律存在差異,如灰?guī)r石粉在含量適度的情況下對混凝土是有利的,建議根據(jù)具體工程實際情況通過混凝土試驗確定合理限值。

(5)對骨料技術要求是否全部滿足規(guī)范才能使用問題。要根據(jù)具體情況而定,如骨料個別指標不合格,或超標不多,不應立即否定,建議相關規(guī)范中規(guī)定通過混凝土試驗論證存在不合格項指標的骨料可用性。

(6)關于機制骨料小型試驗問題(巖石的功指數(shù)和磨蝕性指數(shù))?!端姽こ躺笆庸は到y(tǒng)設計規(guī)范》(DL/T5098-2010)已規(guī)定大型、特大型砂石加工系統(tǒng),宜對所選料源石料做小型試驗。

(7)對料源選擇階段時工程投資計算比較問題。建議除計算料源的直接費用外,還應考慮膠材用量、溫控、后續(xù)工程修補維護等費用作比較,同時進一步探討全生命周期總投資比較的可行性。

3.2關于骨料精細化、環(huán)保生產(chǎn)成套技術

我國砂石年生產(chǎn)量約100~110億t,反推混凝土澆筑量約為50億m3,目前砂石生產(chǎn)技術的發(fā)展,已能生產(chǎn)質量較好的粗、細骨料,其中細骨料細度模數(shù)及其變化在2.4~3.0范圍內(nèi)任選,波動值可控制在±0.06以內(nèi),機制砂的級配和粒形、石粉含量、含水率等能做到較精確控制,其性能可以保持較高的穩(wěn)定性。優(yōu)質骨料對降低混凝土單位用水量和膠材用量,提高混凝土的工作性和密實度極為有利,從而可提高混凝土耐久性。建議大力推廣能夠生產(chǎn)優(yōu)質骨料的精細化、環(huán)保生產(chǎn)成套技術。

實物場景—達到國家排放標準

3.3關于骨料級配。美國ACI207.IR-05中規(guī)定小石(5~19mm)分為兩級,分級界限為9.5mm,我國雅礱江二灘、黃河小浪底工程的國外承包商均將機制砂分為兩級(0~1.2mm,1.2~4.8mm),國內(nèi)對小石和砂不分級。小石和砂的分級對混凝土性能是有利的,特別是在級配不良或波動時,分級更為有利。建議通過混凝土試驗論證分級的合理性,并建議將砂的分級納入今后規(guī)范修改內(nèi)容。

3.4制砂工藝

國內(nèi)常見制砂工藝有濕法和干法兩種。濕法制砂工藝包含污水處理系統(tǒng),用于巖石中含泥量較高的情況。干法制砂工藝包含收塵系統(tǒng),與濕法制砂工藝運用情況相反。國外(如日本)則是兩種方式結合使用。

FM2.4~3.0范圍內(nèi)任意調(diào)整,且波動值做到在±0.06之內(nèi),并可控制石粉的粒徑和含量。由于有嚴格的除塵系統(tǒng),現(xiàn)場無粉塵污染。

3.5石粉含量和粒徑控制

砂中石粉(特別是碳酸鹽類巖石)在一定含量和粒徑條件下對混凝土是有益的,而且其中的細粉(小于75μm或45μm)含量還需有一定比例?,F(xiàn)在發(fā)展起來的制砂工藝應做到石粉含量和粒徑的控制。

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動對混凝土耐久性極為不利采用環(huán)保型干法生產(chǎn)可以有效控制砂的含水率穩(wěn)定在2~3%之內(nèi)。

3.7粗骨料粒形

片狀分布的巖石中粗骨料針片狀易超標,巖石破碎現(xiàn)有反擊破和立軸破組合生產(chǎn)方案。立軸破同時生產(chǎn)砂和中小石。針片狀巖石則與圓度系數(shù)有關。

3.8關于地下開采問題

露天開采方式涉及高邊坡穩(wěn)定和環(huán)保問題;地下開采方式更具經(jīng)濟性,且地下開采可減少霧霾,保持綠水青山,換來金山銀山。

3.9環(huán)保技術

環(huán)保技術工藝流程如下:

濕法生產(chǎn)—污水處理

預處理—粗顆粒(細砂和石粉)回收—螺旋洗砂機、鏈條刮板機、砂水分離器等中間處理—高效旋流凈化器、輻流、平(豎)流沉淀池、斜板沉淀池等末端處理—污泥—壓濾機、真空過濾機、離心機等。

實際工程往往因投資大、運行費高裝而不用,環(huán)保設施成為擺設,DH高效旋流凈化器處理效率高、運行成本低,是值得研究推廣的方式。

結論:建議在國家規(guī)范一時尚未修訂的情況下,可以先提出優(yōu)質骨料的企業(yè)標準,分級定價。這樣先從規(guī)范標準和政策上下手,鼓勵施工企業(yè)努力探索提高砂石加工工藝,鼓勵設備制造企業(yè)努力開發(fā)出新設備,制出優(yōu)質砂石骨料,進而提高混凝土施工性能和長期性能,建成優(yōu)質工程留給子孫后代。

編輯:余樂樂

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