周良元

(中南勘測設計研究院，湖南 長沙 410014）

建國初期，我國的水電工程建設一般均處于地勢較緩、交通發(fā)達的平原地區(qū)，因而普遍地采用天然砂石料作為混凝土骨料。隨著水電工程的逐步開發(fā)，壩址逐漸向山區(qū)推進，壩址附近的天然砂石料儲量和質(zhì)量難以滿足工程需要。而自70年代，我國在貴州烏江渡水電站工程施工中，首次成功全部采用人工砂石料以來，已建和在建的大中型水電工程中，人工砂石料已經(jīng)得到了廣泛的應用。

1 人工砂石料的特點

所謂人工砂石料，就是用露天深孔梯段爆破方法在料場開采出新鮮巖石，然后再通過加工機械多級破碎和篩分，加工成為滿足水工混凝土所需要的、符合混凝土級配要求的各種粗骨料和細骨料。與采用天然砂石料相比，人工砂石料具有如下的特點：（1）就地取材，生產(chǎn)工藝全面，可以按計劃數(shù)量與品種組織生產(chǎn)；（2）料場開采和骨料加工不受季節(jié)的影響，可以全天候生產(chǎn)；（3）生產(chǎn)車間布置相對集中，便于組織和管理；（4）生產(chǎn)的骨料質(zhì)量單一，無軟弱顆粒存在，質(zhì)量好。對于壩址附近開采不出質(zhì)和量都滿足規(guī)范要求的天然砂石料時，采用人工砂石料就成了滿足水電工程施工要求的唯一選擇。

2 人工砂石料的料源

在我國的水電工程中已使用人工砂石料作為混凝土骨料的占有相當大的比例，根據(jù)工程實踐，一般說來，各種類別的新鮮巖石都能加工成砂石骨料。

不同類別的巖石由于其成因不同，節(jié)理、結(jié)構(gòu)相差很大，其主要物理力學性質(zhì)和化學成份是有很大區(qū)別的。烏江渡、五強溪、漫灣、龍灘、三峽、向家壩這幾個工程所開采的巖石物理力學性質(zhì)見表1，化學成份見表2。

表1 巖石的主要物理力學性質(zhì)

用這些類別的巖石加工出的砂石骨料，其細度模數(shù)、石粉含量、比重、吸水率、針片狀顆粒含量等主要質(zhì)量技術(shù)指標，一般都能滿足水工混凝土骨料規(guī)范要求。工程施工過程中實測數(shù)據(jù)見表3、表4。

3 料源巖性對人工砂石料的影響

不同類別、性質(zhì)的巖石，由于其硬度、結(jié)構(gòu)、化學成分的不同，在進行砂石料加工過程中，在骨料質(zhì)量和加工成本方面有很大影響。

眾所周知，巖石加工的過程就是石塊經(jīng)過各級破碎機械的擠壓、劈裂、彎曲、沖擊和碾磨等綜合作用，實現(xiàn)巖石破碎，再經(jīng)過篩分機械實現(xiàn)骨料分級。加工過程的難易程度、加工件的磨損速度和加工后骨料的粒形和級配都與加工巖石的礦物成份、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造相關(guān)。

表2 巖石的主要化學化學成份表/%

在細骨料加工中，如同樣采用棒磨機制砂，用石英巖、石英砂巖軋制出的砂細度模數(shù)偏小，石粉含量偏高，細骨料質(zhì)量較難達到規(guī)范要求。用石灰?guī)r軋制出的砂細度模數(shù)適中，石粉含量相對較低，細骨料質(zhì)量較易達到規(guī)范要求。而用流紋巖軋制出的砂，其質(zhì)量和細度模數(shù)界于兩者之間。

在人工砂石系統(tǒng)的骨料加工過程中，料源的主要化學成分和巖石結(jié)構(gòu)對巖石的吸水率、破碎加工成品率、石粉含量都有較顯著的影響。對于石英巖、石英砂巖、長石石英砂巖、流紋巖這一類巖石，其主要化學成份是SiO2，巖石風化后在新鮮巖石上形成較厚的全風化層和強風化層，堆積在可用新鮮巖石之上。巖石風化是隨著暴露時間的長短、巖石結(jié)構(gòu)而逐漸變化的，這些風化層與下覆巖層的新鮮巖石沒有明顯的分界線，這就給采石場的料源剝離和開采帶來了很大的困難。因此五強溪和漫灣、三峽水電站人工砂石料采石場料源的質(zhì)量控制，主要是通過對巖石含水率的控制來實現(xiàn)。盡管料場有時巖石的強度較高，但由于其吸水率超過或者接近2.5%，都作為無用料予以廢棄。對于石灰?guī)r，其主要成分是CaO，巖石風化后，其風化物容易流失，因此石灰?guī)r地區(qū)多見溶洞、溶溝、巖石出露，形成特有的“喀斯特”地貌現(xiàn)象。在烏江渡、龍灘和向家壩水電站的采石場，巖石強度和吸水率的大小變化與巖石埋藏深度關(guān)系不太明顯。巖石沒有明顯的強弱風化層之分，出露巖石的巖性和深埋地下巖石的巖性相當接近，因而采石場的質(zhì)量控制主要是對溶洞和夾泥層地帶含泥量的控制。

表3 粗骨料主要質(zhì)量指標

表4 人工細骨料(砂)的品質(zhì)要求

在人工砂石料加工過程中，巖石吸水率的大小對砂石料加工的成品率和石粉含量有顯著影響。一般地原巖的吸水率愈小，說明巖石的結(jié)構(gòu)愈致密，則加工過程中產(chǎn)生的石粉含量就愈低，巖石加工的成品率就愈高。

巖石加工的難易程度是影響人工砂石料生產(chǎn)成本的主要因素，而巖石加工的難易程度主要取決于巖石的硬度，巖石的硬度是與巖石的礦物成份及含量的多少直接有關(guān)聯(lián)的。從表2可以看出，石灰?guī)r的主要成份是CaO，在石灰?guī)r中以CaCO3形式存在，其含量在82%以上，SiO2的含量極少。流紋巖的主要成份是SiO2，其次是長石石英砂巖。而石英巖、石英砂巖的SiO2含量最高，平均含量一般在80%以上。

礦物的硬度通常用于表示礦物對外界的刻劃及摩察的抵抗能力，它是表明礦物軟硬程度的標志，也說明了礦物加工的難易程度。在地質(zhì)學上通常選用10種礦物硬度分為10級作為標準，用來對其他礦物進行互相刻劃比較，以確定礦物相對的硬度。標準礦物的硬度從1級到10級分別為滑石、石膏、方解石、螢石、磷灰石、長石、黃玉、剛玉、金剛石。

將各工程料源巖石的礦物成分及含量與礦物硬度相對比，石英巖、石英砂巖硬度最大，流紋巖次之，長石石英砂巖再次之，而石灰?guī)r最軟。

石英巖、石英砂巖、流紋巖、長石石英砂巖的硬度達到了6.5～7，已經(jīng)超過了鋼鐵的硬度6～6.5。對于以這些巖石為加工料源的人工砂石系統(tǒng)，在砂石料加工過程中最突出的問題是巖石對破碎設備加工件、篩分設備的磨損能力太強，而且這種對設備的磨損能力隨著巖石中石英含量的加大而增加。

綜上所述，盡管各類巖石都能加工出滿足水工混凝土規(guī)范要求的砂石骨料，但是用新鮮石灰?guī)r加工的砂石骨料質(zhì)量優(yōu)于其他巖石加工的砂石骨料，而且生產(chǎn)組織較容易，設備運行可靠，經(jīng)濟性好。