張建博，劉 明，葛小博，趙世隆，段金林

(中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引 言

貴州境內(nèi)的水電工程，大多存在河床深切、水流湍急，難以形成河床灘地，且沒有良好的天然砂礫石料場等問題。而人工機制砂石料源與天然砂礫石料源相比，具有料源豐富、加工受季節(jié)影響小、成品料的粒形及級配良好等優(yōu)勢，從而得到了廣泛的應(yīng)用[1]。制砂技術(shù)是機制人工骨料加工系統(tǒng)中最為重要的核心工藝，也是業(yè)內(nèi)公認的系統(tǒng)設(shè)計成敗的標(biāo)志。中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司(以下簡稱“貴陽院”)從20世紀60年代貓?zhí)犹菁壦娬窘ㄔO(shè)開始，首創(chuàng)采用了錘式破碎機制砂，是人工制砂的初步嘗試，到1992年建成全國首座碾壓混凝土拱壩，在這之后又先后完成了索風(fēng)營、大花水、格里橋、光照、龍首、思林、沙坨、石椏子、善泥坡、馬馬巖等十余座混凝土壩的砂石系統(tǒng)設(shè)計工作。

本文從人工砂石系統(tǒng)的應(yīng)用與實踐出發(fā)，回顧總結(jié)水電工程人工制砂技術(shù)的發(fā)展歷程，在總結(jié)工程經(jīng)驗的同時，對未來人工砂石系統(tǒng)的發(fā)展方向提出建議。

1 人工機制砂技術(shù)的發(fā)展歷程回顧

水電工程人工機制砂工藝大致經(jīng)歷了由錘式破碎機制砂、棒磨機制砂、立軸沖擊式破碎機(以下簡稱“立軸破”)制砂等的單破碎段制砂工藝，到立軸破碎機與棒磨機聯(lián)合制砂工藝、兩級立軸破(高、低速)聯(lián)合制砂的多破碎段聯(lián)合制砂工藝的發(fā)展過程。相應(yīng)的干法、濕法、半干法等生產(chǎn)工藝也先后隨之產(chǎn)生。

1.1 錘式破碎機制砂工藝

(1)工藝介紹。石料由原料倉經(jīng)給料機、膠帶機送入錘式破碎機，經(jīng)破碎后送入篩分機分級，大于5 mm的石料全部返回轉(zhuǎn)料倉進行閉路循環(huán)，小于5 mm的石料進入成品砂倉。其典型工藝流程見圖1。

圖1 錘式破碎機制砂典型工藝

(2)工程應(yīng)用。20世紀50年代末，貴州貓?zhí)尤壭尬乃娬敬_定了初步的干式制砂工藝：二級破碎，生產(chǎn)能力為80 t/h，頭破粗碎采用顎破，二破細碎為400 mm×600 mm的錘磨機，錘磨機上設(shè)置篩條生產(chǎn)小石，設(shè)置鑄鐵圓孔板篩網(wǎng)生產(chǎn)砂。1963年～1970年在貓?zhí)佣壈倩ㄋ娬尽⑺募壵锟谒娬窘ㄔO(shè)中，設(shè)計出了三級破碎，生產(chǎn)能力為80 t/h，加工原料運至顎破粗碎，在通過膠帶機送到600 mm×800 mm帶篩條的錘磨機，經(jīng)篩分后小于5 mm的顆粒進入砂倉，5～10 mm的顆粒進入螺旋洗石機清洗后送到小石料倉，大于10 mm的顆粒進入中石料倉，部分進入400 mm×600 mm錘磨機(機上帶鑄鐵圓孔板網(wǎng))直接生產(chǎn)小于5 mm的顆粒進入砂倉。

(3)特點總結(jié)。錘式破碎機制砂開啟了我國人工機制加工骨料的先河，是水電人對機械制砂大膽嘗試和探索的成果。該工藝采用干法生產(chǎn)，適用于小型生產(chǎn)系統(tǒng)，設(shè)備成本低、見效快，但產(chǎn)量低、磨損件消耗大、粉塵飛揚嚴重，且砂的細度模數(shù)及質(zhì)量控制較難。目前在大、中型水電工程砂石加工系統(tǒng)中已很少使用，在小型砂石加工系統(tǒng)及工業(yè)與民用建設(shè)中的砂石系統(tǒng)仍偶有使用。

1.2 棒磨機制砂工藝

(1)工藝介紹。物料由棒磨機給料部的進料中空軸進入筒體內(nèi)，電動機帶動裝有鋼棒的筒體旋轉(zhuǎn)，物料受到鋼棒的撞擊以及鋼棒與筒體襯板間的粉磨之后從排料中空軸流出進入洗砂機洗砂、選砂。其典型工藝流程示意見圖2。

圖2 棒磨機制砂典型工藝

(2)工程應(yīng)用。1972年棒磨機制砂工藝正式應(yīng)用于生產(chǎn)能力為500 t/h的貴州烏江渡水電站左岸人工砂石系統(tǒng)[2]，便形成了全濕法制砂技術(shù)，這也開創(chuàng)了國內(nèi)大型水電工程在沒有天然砂礫石料可利用的前提下，全部采用人工機制砂的先河。該系統(tǒng)采用三級破碎、二次篩分、棒磨機制砂工藝，生產(chǎn)流程按開路破碎方式布置。制砂車間選用了5臺MBZ-2100×3600型棒磨機。1989年建成的450 t/h規(guī)模的烏江東風(fēng)水電站人工砂石系統(tǒng)也采用全濕法制砂技術(shù)，但改進為閉路循環(huán)加工，系統(tǒng)粗碎為旋回破、中碎為反擊破，制砂采用3臺MBZ2100×3600型棒磨機，其篩分車間、中細碎車間均為閉路循環(huán)[3]。

(3)特點總結(jié)。①棒磨機一般采用濕法生產(chǎn)，具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、設(shè)備可靠、產(chǎn)品粒形好、粒度分布均勻、細度模數(shù)可調(diào)、質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點，適用于難碎巖石、中等可碎巖石，雖然棒磨機加工會產(chǎn)生較多石粉，但洗砂環(huán)節(jié)石粉流失嚴重，成品砂裹粉后造成脫粉困難，而且存在制砂單位能耗高、鋼棒耗量大、齒輪潤滑油耗量大、噪聲大、成品砂脫水困難、進料粒徑小(≤25 mm)、運行成本高等缺陷，現(xiàn)已不作為主要制砂設(shè)備，僅用于配合立軸破制砂調(diào)節(jié)砂中石粉含量和細度模數(shù)。②濕法制砂工藝，砂的脫水周期長，會影響成品砂的產(chǎn)量，需要較大的砂倉，且砂的石粉流失量大、回收難，造成成品砂的石粉含量低，生產(chǎn)廢水對環(huán)境造成的污染較大，水處理費用高，較難實現(xiàn)資源循環(huán)使用；成品砂含水率不易控制在6%以下。

1.3 立軸破制砂工藝

(1)工藝介紹。石料由轉(zhuǎn)料倉經(jīng)給料機送入立軸破，經(jīng)破碎后送入篩分機，大于5 mm的石料全部返回轉(zhuǎn)料倉進行循環(huán)，5～2.5 mm的石料分兩路輸出：一路返回轉(zhuǎn)料倉、破碎機再破碎；另一路進入成品砂倉。小于2.5 mm的石料進人成品砂倉。其典型工藝流程示意見圖3。

圖3 立軸破制砂典型工藝

(2)工程應(yīng)用。2001年～2002年建成的索風(fēng)營水電站砂石系統(tǒng)設(shè)計生產(chǎn)能力為850 t/h，系統(tǒng)設(shè)計之初其細碎車間只配置了2臺Nordberg公司生產(chǎn)的VI400立軸破制砂機，并列運行，其單機破碎能力為250～300 t/h，產(chǎn)砂率30%～35%。運行期由于該機的產(chǎn)砂率偏低，砂的細度模數(shù)偏大(FM=3.3～3.8)，為滿足設(shè)計對砂的細度模數(shù)(FM=2.2～2.9)的要求，又增設(shè)了2臺國產(chǎn)的PL-8500立軸破碎機(“石打鐵”型)，來處理VI400制砂機經(jīng)篩分處理后的回頭料，其單機破碎能力為80～160 t/h，產(chǎn)砂率為50%～65%。PL-8500生產(chǎn)的砂料含粉率可達20%以上，改善了碾壓混凝土對石粉含量的要求[4]。但由于進料中物料表面含有水分，在破碎過程中容易產(chǎn)生“地毯效應(yīng)”使產(chǎn)砂率明顯下降。特別是物料含水率大于3%時，產(chǎn)砂率大幅降低。因此，索風(fēng)營水電站人工砂石料生產(chǎn)系統(tǒng)采用半干式(即前濕后干)制砂工藝，既降低了粉塵對空氣的污染，又提高了制砂產(chǎn)量及粉砂、廢水的回收利用率。

(3)特點總結(jié)。①立軸破制砂工藝流程簡單，特別適用于灰?guī)r破碎，具有單位能量消耗低、產(chǎn)品粒形好、定子磨損低等優(yōu)點。②5～2.5 mm的石料反復(fù)循環(huán)破碎，破碎效果差，能量損耗略偏大。③成品砂存在粗顆粒徑及細顆粒徑偏多，中間粒徑(2.5～1.25 mm、1.25～0.63 mm粒徑)含量少，即“兩頭大中間小”的缺陷。④成品砂的粒度模數(shù)控制難(主要靠人為因素控制)。⑤成品砂率偏低。半干法生產(chǎn)工藝一般是指前濕后干生產(chǎn)工藝，即預(yù)篩分采用濕法生產(chǎn)并控制出料含水率，部分5～40 mm的顆粒脫水后作為制砂原料，制砂破碎機排出料的含水率控制在2%～5%之間，檢查篩分不再噴淋水。主要適用于原料含泥量不太高，砂要求含粉量較高的系統(tǒng)。但缺點是制砂原料經(jīng)過水洗，在進入立軸破前必須采取可靠措施脫水，確保進入立軸破的原料含水率不大于3%，否則嚴重影響立軸破的制砂效果和檢查篩分的篩分效率。

1.4 立軸破與棒磨機聯(lián)合制砂工藝

(1)工藝介紹。石料由轉(zhuǎn)料倉經(jīng)給料機、膠帶機分別送入立軸破和棒磨機，經(jīng)破碎后送入篩分機分級，大于5 mm的石料全部返回轉(zhuǎn)料倉進行循環(huán)，棒磨機粉磨后的物料進入洗砂機洗砂、選砂，再經(jīng)過脫水篩脫水，小于2.5 mm的物料與立軸破的小于5 mm的粗砂混合進入成品砂倉。其典型工藝流程示意見圖4。

圖4 立軸破與棒磨機聯(lián)合制砂典型工藝

(2)工程應(yīng)用。 2005年投標(biāo)設(shè)計階段的北盤江光照水電站左岸基地砂石加工系統(tǒng)的制砂技術(shù)采用閉路循環(huán)、“立軸破+棒磨機”的工藝。系統(tǒng)處理能力為1 200 t/h，加工砂能力為293 t/h。立軸破車間處理量為518 t/h，選用3臺國產(chǎn)的PL-9500立軸破，設(shè)備單機處理能力為350 t/h左右。棒磨車間處理量為74 t/h，選用2臺MBZ2136型棒磨機。立軸破為主要制砂設(shè)備，棒磨機調(diào)節(jié)細度模數(shù)和石粉含量[5]。用“立軸破+棒磨機”聯(lián)合制砂是破磨結(jié)合的半干式制砂工藝，棒磨機生產(chǎn)的濕砂與立軸破生產(chǎn)的干砂混合，既控制粉塵污染，又減少生產(chǎn)耗水量及廢水排放量，并滿足碾壓混凝土對石粉含量的要求。

(3)特點總結(jié)。①集中了立軸破、棒磨機制砂的優(yōu)點，克服了各自的缺點，如，中徑含量問題、石粉過多流失問題等，提高了出砂率。②流程中仍然保留了棒磨機及其不足之處。③工藝流程較復(fù)雜、設(shè)備品種多。采用“立軸破+棒磨機”聯(lián)合制砂，既能根據(jù)原料變化靈活調(diào)節(jié)成品的細度模數(shù)和石粉含量，保證成品砂質(zhì)量，又能有效控制制砂成本。

1.5 兩種(高、低)速度立軸破聯(lián)合制砂工藝

(1)工藝介紹。石料由轉(zhuǎn)料倉經(jīng)給料機、膠帶機送入常(低)速度(v=50～70 m/s)的立軸破碎機，破碎后進入篩分機，大于5 mm的石料返回轉(zhuǎn)料倉，5～2.5 mm的一部分直接進入成品砂倉，另外一部分石料送入高速度(v>75 m/s)的立軸破再破碎，經(jīng)再破碎的石料與小于2.5 mm的石料混合后進入成品倉。其典型流程示意見圖5。

圖5 兩種(高、低)速度立軸破聯(lián)合制砂典型工藝

(2)工程應(yīng)用。2006年光照水電站根據(jù)工程初期的實施情況，專家咨詢組提出了選用高頻高速沖擊破碎機對粗、中細碎所生產(chǎn)的粗砂進行高頻高速整形的工藝優(yōu)化方案[6]。最終確定高速立軸破工作速度為85 m/s。將粗、中砂細碎后，小于5 mm的砂經(jīng)第二篩分車間螺旋洗砂機，約2/3經(jīng)脫水篩脫水后和未脫水的1/3物料全部進入高速高頻立軸破PL-8500，對其細度模數(shù)和石粉含量進行調(diào)整，以滿足工程設(shè)計要求。高速高頻沖擊破投產(chǎn)后，經(jīng)多次抽樣試驗檢測，結(jié)果表明，高速高頻立軸破改善并穩(wěn)定了砂的質(zhì)量。2007年～2011年，貴州沙沱水電站1 500 t/h的石灰?guī)r人工砂石系統(tǒng)工程中，完善了半干式制砂工藝，采用了“兩端開路、中間閉路”的破碎流程。粗碎3臺反擊破開路生產(chǎn)、中碎4臺反擊破閉路生產(chǎn)，細碎車間為4臺立軸破、超細碎車間選用了2臺高速立軸破形成聯(lián)合開路制砂。細碎車間的立軸破將粒徑5～50 mm的骨料破碎后，出料中2.5～5 mm的骨料進入超細碎車間采用開路生產(chǎn)方式進行高速破碎，出料與細碎車間出料中小于5 mm 的砂混合后被膠帶機送入成品砂倉[6]。

(3)特點總結(jié)。①適用于干法、半干法生產(chǎn)，對于完全濕法生產(chǎn)需進一步研究。②高速立軸破的破碎腔體最好為“石打鐵”型，給料量要低些。原因是5～2.5 mm石料粒徑較小、質(zhì)量較輕，要使其破碎必須獲得較多的有效碰撞能量。③采用兩種速度的立軸破制砂，適當(dāng)增大高速破碎機進料的粒徑，可進一步提高成品砂中的石粉含量及降低成品砂的細度模數(shù)。

2 人工制砂關(guān)鍵技術(shù)研究和展望

2.1 高品質(zhì)砂生產(chǎn)技術(shù)及設(shè)備研究

人工砂的質(zhì)量水平對混凝土尤其是高性能混凝土的工作性、強度、耐久性等都有不同程度的影響[7-9]，主要體現(xiàn)在人工砂自身的細度模數(shù)、石粉含量、顆粒形狀、含泥量、亞甲藍MB值、堅固性等相關(guān)特性。航空機場跑道、鐵路及高速鐵路工程、公路重要橋梁等高性能混凝土的技術(shù)規(guī)范標(biāo)準還沒有放開對人工機制砂石的使用，究其原因就是市場上缺乏高品質(zhì)的人工砂石料，特別是對高品質(zhì)人工砂的需求更是建筑業(yè)普遍關(guān)注的問題。

高品質(zhì)砂應(yīng)達到：細度模數(shù)2.4～3.0可隨意調(diào)整，波動值小于0.1，砂中石粉含量亦可隨意調(diào)整，砂的含水率在2%～3%，并保持恒定。目前，國內(nèi)建筑業(yè)相關(guān)企業(yè)在引進國外技術(shù)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了高品質(zhì)砂的生產(chǎn)并已成功推向市場，初步形成了“高品質(zhì)、集成化、全環(huán)?！钡臉鞘浇Y(jié)構(gòu)的機制砂“整體解決方案(樓式機制砂系統(tǒng))”[10]。水電工程混凝土要求長壽命、少裂縫甚至無裂縫，更要積極推動研究高效、集成、節(jié)約、環(huán)保的高品質(zhì)砂的生產(chǎn)技術(shù)。

2.2 模塊式組裝與移動式設(shè)備研究

不論是水電工程還是公路、鐵路工程，砂石生產(chǎn)系統(tǒng)都屬于臨時工程，為工程建設(shè)服務(wù)的時間較短，而固定砂石加工廠的建設(shè)、安裝及調(diào)試工期較長，建設(shè)投資相對較大，完工后存在拆除等問題，而模塊式組裝的加工車間和移動式破碎、制砂站就能彌補這些不足。

可移動的模塊式組裝設(shè)備把消除場地、環(huán)境等因素制約作為首要的解決方案，為相關(guān)工程提供了高效、低成本的運營硬件設(shè)施。模塊式組裝的加工車間是將各破碎段和制砂工段按工藝流程組成模塊式的鋼結(jié)構(gòu)車間，然后以膠帶機連接，迅速實現(xiàn)投產(chǎn)；移動式破碎站將受料、破碎、篩分等工藝環(huán)節(jié)由相關(guān)設(shè)備組合成為一體，隨料源開采面的推進而移動并進行現(xiàn)場破碎，縮短了各流程間的運輸距離。綜上，模塊式組裝的加工車間組合靈活方便、機動性強，可節(jié)省大量基礎(chǔ)建設(shè)費用，縮短砂石生產(chǎn)系統(tǒng)的建設(shè)、安裝工期。因此，在今后的砂石生產(chǎn)系統(tǒng)，特別是中小型系統(tǒng)中，移動式破碎站將被越來越廣泛的應(yīng)用。

2.3 新環(huán)保技術(shù)

在砂石骨料生產(chǎn)過程中，堅持環(huán)境保護、綠色發(fā)展是貫徹國家新時代環(huán)保政策的具體體現(xiàn)，在大型水電工程砂石系統(tǒng)生產(chǎn)中應(yīng)高度重視環(huán)保問題。廢水處理工藝一直以來都是砂石加工系統(tǒng)研究探索的課題。砂石加工系統(tǒng)具有廢水產(chǎn)量大、強度高、濃度高、建筑安裝投資大、運行成本高(加藥量大)等特性，近年來通過大量有效的嘗試和試驗工作，以及借鑒其他行業(yè)和領(lǐng)域一些先進的污水處理設(shè)備和工藝使得砂石加工系統(tǒng)廢水處理技術(shù)和效果均得到空前發(fā)展。在多個砂石加工系統(tǒng)使用過板框式壓濾機、高效澄清器、水力旋流器、陶瓷過濾機、臥式螺旋離心機、帶式真空機過濾機等設(shè)備，為砂石加工系統(tǒng)廢水處理工藝積累了大量成功經(jīng)驗，目前砂石系統(tǒng)污水處理效果大大改良，廢水回收利用率大幅度提高[11]。

2.4 成品砂石質(zhì)量自動檢測控制系統(tǒng)

成品砂質(zhì)量檢測手段目前多以人工為主，費時費力，且反應(yīng)滯后。例如，成品骨料質(zhì)量常規(guī)檢測項目應(yīng)每8 h檢測一次，不能及時對砂石生產(chǎn)工藝參數(shù)進行動態(tài)調(diào)整。而砂石加工系統(tǒng)的生產(chǎn)能力檢測更是個系統(tǒng)項目，檢測一次需要至少3 d的時間，工藝流程節(jié)點數(shù)據(jù)不合格，將檢測結(jié)果反饋，進行工藝參數(shù)調(diào)整，不斷修正，最后達到系統(tǒng)設(shè)計生產(chǎn)能力，需歷時15～30 d。

目前建筑行業(yè)砂石系統(tǒng)的成品砂石料含泥量智能控制系統(tǒng)，達到了為系統(tǒng)工藝沖洗等參數(shù)的及時、準確調(diào)整提供依據(jù)，實時智能控制；砂石加工系統(tǒng)生產(chǎn)能力實時自動檢測系統(tǒng)，也實現(xiàn)了通過自動檢測砂石加工系統(tǒng)各節(jié)點的流程量與級配組成，及時判斷各節(jié)點的生產(chǎn)能力，及時調(diào)整系統(tǒng)工藝參數(shù)(如破碎機開口、進料量、進料級配、出料量、出料級配、各節(jié)點的分料量及分料級配)等，以達到設(shè)備生產(chǎn)能力合格，系統(tǒng)生產(chǎn)能力合格的要求。然而，成品砂石質(zhì)量自動檢測控制系統(tǒng)的組成內(nèi)容豐富，研究意義重大，目前很多質(zhì)量自動檢測系統(tǒng)還處于探索階段，今后還需要進一步研究以及實踐和總結(jié)。

3 結(jié) 語

人工機制砂石在國內(nèi)的發(fā)展最先源于水電工程應(yīng)用，并且已經(jīng)有了幾十年的工程實踐經(jīng)驗和理論積累過程。但水電工程所處位置大多較為偏僻，且對砂石的質(zhì)量要求較高，系統(tǒng)的設(shè)計主要是基于工程自用而非市場化需求，在設(shè)計上還沒有完全意義上體現(xiàn)“成本優(yōu)化”、“靈活可變”等原則。近幾年我國水電項目開發(fā)也進入有序開發(fā)的可持續(xù)發(fā)展新時期。因此，面對新形勢、新挑戰(zhàn)，水電工程的砂石產(chǎn)業(yè)也有必要建立先進的技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用體系，發(fā)揚傳統(tǒng)的同時，也要大膽開拓，保障水電工程的可持續(xù)發(fā)展。