摘要：国内某大型水电工程的混凝土骨料母岩为洞挖大理岩渣料，应用中面临岩性较脆、料源均一性欠佳、毛料含水率大、粗骨料襄粉严重且级配较差、干法生产的人工砂石粉舍量超标严重等诸多问题。根据工程建设中长期的跟踪检测数据，针对上述问题进行了深入剖析，提出了增加缓降装置和二次筛分及水洗装置、采用胶带运输、调整主筛分车间筛网、筛除毛料中大于20 mm的颗粒、调整风选车间参数等相应对策。
关键词：大理岩；人工骨料；存在问题；对策分析；均化存储；骨料分级；骨料粒形
国内某大型水电站工程现场附近天然骨料料源匮乏，储量较少，不能满足工程需要，且分布零散的料源运输距离远，如在现场选择料源，骨料成本将会大幅增加，且环境破坏严重。而工程引水隧洞大理岩开挖渣料量巨大，直接丢弃不仅造成资源的浪费，且对当地环境破坏较大。经综合考虑后，决定采用大理岩开挖料作为人工骨料母岩。大理岩骨料采用干法生产并大规模应用于大型水电站的建设在国内尚属首次，尚缺乏大量来源于工程一线的试验研究数据和公开成果。而纵观国内混凝土骨料的发展，从天然骨料到人工骨料的石灰岩、花岗岩，以及后来的石英砂岩、流纹岩、凝灰岩、片麻岩、正长岩、玄武岩、辉绿岩等[1]，虽正向多元性发展，但对于各种骨料性能和制造工艺开展的研究及公开资料并不多见。因此，本文结合国内某大型水电工程实践，对于大理岩洞挖渣料加工人工骨料在生产、应用中存在的诸多问题进行了深入剖析，并有针对性地提出了相应对策，在取得技术效果的同时，以期为生产工艺的持续改进及今后的应用提供借鉴。另笔者针对国内大型砂石加工系统骨料的堆存方式与分级使用以及骨料粒形控制、废弃石粉综合利用等问题提出了新的思考。
1 存在的问题
1.1 骨料及其原岩性能与缺陷
工程用骨料主要由引水洞开挖的盐唐组（T2y）、白山组（T2b）、杂谷脑组大理岩（T2z）及少量条带状、黑色薄层大理岩组成的洞挖渣料加工而成，料源均一性欠佳，石渣以微风化一新鲜为主。原岩单轴饱和抗压、抗拉强度分别超过60，4 MPa；软化系数大于0.70；硫化物含量低（0.06％）；岩石密度大于2 650 kg／m3、吸水率小于0.7％，表明岩石组织较致密，结构较坚硬，满足相关规范要求[2-3]。
成品骨料岩性组合不稳定，表观密度在2 690—2 740 kg／m3之间，吸水率整体较小（小于1％）；粗细骨料坚固性分别不超过3％和5％；基本不含有机质、硫化物、泥块、云母等有害物质，针片状颗粒含量小于5％；压碎指标在10.3％一14.9％之间，其中以白色一灰白色大理岩最大，达14.9％（如表1所示），其锤击后易碎成粉末状，说明骨料岩性较脆，易于在生产、应用中产生二次破碎。
1.2 骨料级配不良
骨料粒径分布会显著影响到堆积密度、空隙率等指标，进而影响到混凝土需浆量，由此会对新拌及硬化混凝土性能产生影响[4]，同时会提高混凝土的经济成本。图1为工程用砂颗粒级配累计及分计筛分曲线，结果显示，累计筛分曲线跨越粗、中、细3区，大于2.5 mm和小于0.16 mm粒径范围的筛余率较高，而0.16—1.25 mm粒径范围的颗粒含量较低，致使工程用砂中间粒径不足，颗粒分布呈“两头大、中间小”现象，累计及分计筛分曲线不能完全处于相关规范规定的级配包络线以内，此现象亦为机制砂普遍存在的技术问题[5]，而某段粒径的颗粒过多或过少都会使混凝土的工作性变差，从而导致耐久性等性能变差[6]。
1.3 细度模数与石粉含量及其矛盾关系
人工砂细度模数及石粉含量的波动对于混凝土配合比设计、施工和易性，以及混凝土的物理力学、变形、耐久性能均有很大影响[7]，其中过高的石粉含量会对混凝土工作性、收缩等产生不利影响，对混凝土生产质量控制也极为不利，水电工程对其控制较为严格。但工程所用人工砂细度模数超出了规定的上、下控制线，石粉含量基本在上控制线以上，且波幅较大；细度模数与石粉含量呈线性反比关系，两者相关性高，使细度模数与石粉含量呈“跷跷板”现象，此消彼长、相互制约，在解决一端问题的同时，另一端问题凸显出来，给工程现场解决问题带来很大困难。
1.4 石粉含量对混凝土外加剂性能的影响
现场试验显示，石粉含量的增加会导致混凝土拌和物初始坍落度及含气量呈下降趋势，即降低了减水剂及引气剂的作用效果，且水泥净浆流动度初始值下降及后期损失较快。说明石粉含量的增加可造成混凝土拌和物初始坍落度的下降，且经时损失加剧。但适当的石粉含量，由于其粗糙的表面及亲水性，在浆一骨界面能起到很好的微填充效应、晶核效应、润滑效应[8]，使界面处实际水灰比降低、水化物结晶颗粒尺寸变小、取向程度下降，由此可改善界面薄弱环节，提高浆体与骨料黏结力，并使浆体更加密实。室内试验结果亦显示，石粉的保水效应对于新拌混凝土降低泌水、抗离析及增加黏稠度等改善和易性有积极作用，因此，应辩证对待和应用人工砂中所含石粉。
1.5 石粉含量波动对人工砂含水率的影响
石粉的保水效应会导致人工砂含水率随着石粉含量的波动而波动。现场试验显示，随着石粉含量的增加，含水率呈上升趋势。而含水率的波动将导致混凝土用水量频繁较大幅度调整，以及人工砂含水抽样检测频次的增加，在耗费更多人力的同时，给拌和楼混凝土生产质量控制带来诸多不便，对于大体积混凝土可能还会导致拌和物加冰量不足，难以保证混凝土出机口温度等问题[9]。
1.6 石粉含量变化对人工砂堆积密度的影响
现场试验显示，石粉含量小于30％时，人工砂堆积密度随石粉含量的增加而增加，超过30％后，堆积密度反而下降。说明适当的石粉含量可以提高骨料的堆积密度，进而增强混凝土的致密性，提高抗渗性能。但石粉含量过高会增大混凝土收缩[10]，降低含气量，使拌和物过于黏稠，进而降低泵送性。因此，工程应用中的人工砂石粉含量应结合收缩等变形性能，以及工程技术要求，以获得最小空隙率的比例为合理限值。由此，各规范中硬性规定石粉含量的做法值得商榷。从现场实际使用情况看，规范DL／T5144—2001中对于石粉含量6％—18％的规定，波动幅度较大，使拌和楼混凝土生产质量控制难度增大。
1.7 粗骨料裹粉现象
现场试验显示，人工粗骨料从加工系统到达拌和系统的过程中，由于生产、长距离运送过程中不断碰撞、跌落、摩擦，粗骨料中石粉含量增加，裹粉趋于严重。粗骨料表面所裹石粉在拌和过程中较难和骨料脱离，对于新拌混凝土、硬化混凝土力学及耐久性能等均有不同程度影响[11-12]。
2 对策分析
2.1 骨料脆性及二次破碎的治防措施
该工程砂石加工系统采用上扬式胶带机卸料，卸料高差较大，其中中石卸料高度约6—10 m，小石约3—5 m，米石约5—9 m，加之骨料岩性较脆，压碎指标偏高，易在跌落过程中因二次破碎而产生逊径及微细颗粒。现场试验显示，卸料皮带上骨料逊径合格率均为100％，而成品料堆上除小石外，均存在超标现象。而事实上，该加工系统除小石增加了坡形、桶状缓降设施外，中石和米石的卸料均为从上扬式胶带机卸料口直接跌落至成品料堆。因此，应借鉴小石的卸料方式，在中石和米石胶带机卸料口增加阶梯形或坡形卸料装置，并限制骨料跌落高度[13]，避免骨料从较高处直接跌落。
2.2 人工砂石粉含量超标的解决途径
（1）现场试验显示，大理岩人工砂石粉含量受毛料含水率影响显著，其中小于5 mm颗粒吸水保湿性较强、微细颗粒较多，进入加工系统后难以筛除，对成品砂石粉含量影响较大。因此，筛除毛料中小于20，30 mm或40 mm的颗粒，可以降低毛料裹粉及含水量，进而降低人工砂石粉含量。当车间筛除小于20 mm的颗粒后，石粉含量明显降低。
（2）调整制砂车间的给料量、给料粒径及破碎机转子速度并保证给料含水率的稳定，同时调整选粉机的主轴转速和风机风量等技术参数，并在选粉机风道外壁增加震动器，确保进入选粉机的砂流量及选粉机参数的稳定，可使石粉含量满足相关规范要求[14]。但是细度模数偏大，说明级配有待于进一步改善。
（3）由于毛料含水较大，半成品料裹粉严重，使粗碎车间对小于5 mm颗粒筛除较困难，经预筛分筛除，效果不理想。因此建议：①在粗碎车间增加水洗设备，去除毛料中不易筛除的微细颗粒，并延长粗碎料脱水时间、增加堆存场地，或在长胶带卸料端（砂石加工系统半成品料堆）增加大型筛分、水洗设备，对粗碎车间来料再行筛分、冲洗、脱水，以减少进入加工系统的半成品料微细颗粒含量。②做好引水洞内掌子面处的排水工作，以尽量降低新开挖毛料的含水率。
2.3 人工砂颗粒级配的调整
图1显示，人工砂中2.5—5 mm和小于0.16 mm的颗粒含量较多，而1.25—0.63 mm颗粒偏少。结合文献[15]，在筛分车间（砂及米石筛分车间）4台GYKR2460型振动筛中2台10 mm、5 mm两层筛网底部增加一层3 mm的筛网，将部分人工砂分为3—5 mm及小于3 mm两级，并对3—5 mm颗粒采用高速立轴破再行破碎整形后与小于5 mm颗粒混合进入成品砂料仓，以改善颗粒级配并调整细度模数，取得了较好的技术效果。
2.4 粗骨料级配调整
该砂石加工系统的主筛分车间设置3台3YKR2460型圆振动筛，上层筛孔尺寸为42 mm，中层筛孔为22 mm，下层筛孔为5 mm，筛面倾角15°，由此分级出大于40 mm、20—40 mm、5—20 mm和小于5 mm的骨料，其中小于5 mm的骨料进入1号风选车间制砂。20—40 mm和5—20 mm筛分料分别为中石及小石。现场试验显示，中石30 mm以上颗粒含量较少，小石10 mm以上颗粒含量较多。可考虑更换主筛分车间的筛网或适当增大上层筛孔、减小中层筛孔尺寸及调整筛面倾角，从而调整并改善骨料级配。小湾水电站马鹿塘砂石加工系统通过调整及更换筛网改善粗骨料级配取得了明显的技术效果[16]。
2.5 粗骨料裹粉现象的解决措施
粗骨料裹粉现象在国内普遍存在。针对该工程大量检测数据的分析及现场调查后认为，可通过以下方式降低或避免：①尽量采用胶带式运输设备，避免骨料转运过程的碰撞、摩擦、跌落等现象发生。②结合龙滩水电站等其他工程实用效果[17]，建议在拌和系统增设二次筛分及粗骨料水洗设备，去除成品粗骨料所裹微细颗粒。③卡车运输骨料采用出渣车返程带料的方式，即出渣车从洞内运送渣料到达砂石加工系统附近的弃渣场，返回时装满骨料运送到拌和系统料仓。现场调查发现，由于出渣车卸料不干净、内壁粘留大量细颗粒，致使其返程所带骨料裹粉趋于严重，应加强对运输车辆的监管。
3 对工程应用的几点思考
3.1 人工骨料均化存储的探讨
实际生产时，毛料多为来自不同的施工洞段，岩性存在一定差异，因此，生产的骨料品质不均一。通过对料场加强管理，采取科学的堆存方式可使骨料尽量均化，在混凝土生产使用中可尽量保证骨料品质的稳定。工程实践表明，人工砂在从成品料堆到各分料仓，再到拌和系统的过程中，由于不断的翻拌、转运使得其颗粒分布更趋均匀、品质较成品料堆处稳定，但是石粉含量明显提高。由此，作者结合文献[18一19]认为，对于骨料堆存，尤其是多岩性组合骨料，可借鉴水泥厂、化肥厂预均化的存储措施进行堆料及取料，如对成品骨料，在成品料堆可采取薄层堆存、逐层上升，或采用动臂堆料机堆料，避免锥形堆料方式，取料时采用厚层回采等方式，由此防止骨料分离，提高骨料品质或保证品质的均一、稳定。
3.2 骨料分级
由现场中径筛筛余量的检测结果可知，粗骨料的分离较严重，其中5—20 mm级骨料的最大最小粒径比为20／5，由于运输、堆存不当（如锥形堆高），极易发生分离。现场剥开锥形料堆，发现其内部骨料尺寸明显小于表层骨料尺寸，即卸料过程中发生了明显的分离现象。在采取3.1节均化存储措施的同时，应结合工程实际采用分级堆存、分级运输、分级计量方式防止骨料分离，使用时按最优比例计量组合，不仅可降低骨料在堆存、转运、入仓等环节的分离现象，亦可改善颗粒级配，有效降低骨料空隙率，并对混凝土生产有一定的技术经济效益。
对于细骨料，根据2.3节增加3 mm尺寸筛网的同时，亦可将其分3—5 mm和小于3 mm粗、细两级存储，使用时按比例计量组合，以保证细度模数、石粉含量等品质的稳定及颗粒级配的最优。
3.3 骨料粒形分析
骨料粒形对其空隙率及其在混凝土中与砂浆的粘结能力、新拌混凝土和易性和硬化混凝土力学性能等均有重要影响[20一21]，但是我国对于骨料粒形除有针片状颗粒含量控制外，其余无任何指标要求，使粗骨料的粒形较差，合格石子中部分颗粒与针片状相差无几。本工程现场试验表明，人工粗骨料颗粒形状以扁圆体及长扁圆体为主，其中中石含量76％、小石含量60％，而圆球体和椭球体含量较低，粒形有待于进一步改善。建议相关规范提高粗骨料针片状颗粒含量的控制标准、增加粒形控制指标、加工系统增设骨料整形设备及工艺，彻底改善骨料粒形，提高我国骨料质量。
4 结语
本文针对国内某大型水电工程大理岩人工骨料生产、应用中存在的主要问题，采取或提出了增设粗骨料卸料缓降装置、调整制砂车间及风选车间相关参数、增加半成品料筛选及冲洗车间、调整主筛分筛网并在检查筛分车间增加3 mm筛网、拌和系统增加二次筛分及水洗设备等解决措施，为其他工程的进一步应用及砂石加工系统的改进提供了借鉴资料。
参考文献：
[1] 阮光华.我国混凝土骨料加工技术的进展[C]∥中国水利水电工程第二届砂石生产技术交流会.北京：中国水力发电工程学会，2010.
[2] 中华人民共和国行业标准.JGJ53—92普通混凝土用碎石或卵石质量标准厦检验方法[s].北京：中国建筑工业出版社.1992.
[3] 中华人民共和国电力行业标准.DL／T 5388—2007水电水利工程天然建筑材料勘察规程[s].北京：中国电力出版社，2007.
[4] 王雨利.低强度等级泵送高石粉机制砂混凝土的研究[D].武汉：武汉理工大学，2007.
[5] 王朝东，徐光苗，陈建平.人工砂在隧道喷射混凝土支护中的应用[J].岩石力学与工程学报，2003，22（10）：1749—1752.
[6]Anne—Mieke P，Geert D S.Cement hydration in the presence of high filler contents[J].Cement and Concrete Research，2005，35（12）：2290—2299.
[7] 洪锦祥，蒋林华，黄卫，等.人工砂中石粉对混凝土性能影响及其作用机理研究[J].公路交通科技，2005.22（11）：84—88.
[8] 蔡基伟，李北星，周明凯，等.石粉对中低强度机制砂混凝土性能的影响[J].武汉理工大学学报.2006，28（4）：27—30.
[9] 罗毅，双梦然，祝建坤，等.对现行水工规范细骨料含水率和粗骨料超逊径问题的分析及建议[J].建筑科技与管理，2009，（7）：4—8.
[10] 李兴贵，章恒全，陈晓月.高石粉人工砂原级配混凝土干缩性能试验研究[J].河海大学学报：自然科学版，2002，30（4）：37—40.
[11] 石伟伟.混凝土原材料对其用水量影响分析[J].人民长江，2010，41（5）：20—21.27.
[12] 肖开涛，王迷银，卓理莉.粗骨料表面襄粉对碾压混凝土性能的影响[J].长江科学院院报。2006，23（5）：45—47.
[13] 中华人民共和国电力行业标准.DL／T 5098—1999水电水利工程砂石加工系统设计导则[s].
[14] 中华人民共和国电力行业标准.DL／T5144—2001水工混凝土施工规范[S].
[15] 昊雄鹰，魏尚信.锦屏电站人工骨料生产系统大理岩制砂新工艺[J].人民长江，2009，40（18）：80—82.
[16] 祝建坤.小湾水电站马鹿塘砂石加工系统工艺调整厦筛网更换实践[J].水电建设，2006，（3）：25—28.
[17] 王述银，覃利利，邓建武.龙滩水电站骨料质量改进的措施及效果[J].长江科学院院报，2009，26（5）：37—41.
[18] 刘索熙，文梓芸，汪在芹，等.混凝土骨料性能和制造工艺[M].广州：华南理工大学出版社，1999.
[19] 李新宇，陈炜曼.白鹤潍水电站复杂岩性骨特混凝土均一性研究[J].水力发电，2009，35（3）：29—31，71.
[20] 吴历斌，孙振平，蒋正武，等.高强高性能混凝土中集料对力学性能的影响[J].混凝土，2001.（1）：43—46.
[21] 徐飞.粗骨抖颗粒形状评定方法的研究[J].扬州大学学报：自然科学版，2002，5（2）：61一63.
编辑：金哲
