馮普林 李茜 雷波 張琳琳

摘要：利用河道淤沙和工業(yè)廢渣制造河道搶險(xiǎn)用大體積生態(tài)塊石用于替代天然石材，減少開山采石，有利于保護(hù)生態(tài)環(huán)境，且具有成本低、尺度大、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，是河道搶險(xiǎn)用天然石料可靠有效的替代材料。結(jié)合近年來國(guó)內(nèi)外在利用河道泥砂制造人工備防石方面的實(shí)踐與探索，利用當(dāng)?shù)卦牧吓浜蠈Ｓ眉ぐl(fā)劑，通過大量室內(nèi)壓實(shí)試塊的強(qiáng)度檢測(cè)來優(yōu)化材料配方，并根據(jù)搶險(xiǎn)要求設(shè)計(jì)塊石模具，利用現(xiàn)有擠壓成型機(jī)械研制塊石成型機(jī)械，建成大體積生態(tài)塊石生產(chǎn)線，并試生產(chǎn)大體積生態(tài)塊石2000余m3。

關(guān)鍵詞：防汛搶險(xiǎn)；人造塊石；配合比；擠壓成型機(jī)械；渭河下游

中圖分類號(hào)：TV49

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.08.009

渭河下游河灘寬廣、河勢(shì)擺動(dòng)頻繁，兩岸險(xiǎn)工險(xiǎn)點(diǎn)多，每年搶險(xiǎn)都要消耗大量石材。由于塊石開采不利于河床穩(wěn)定，且可能破壞生態(tài)環(huán)境，因此石材的綜合費(fèi)用持續(xù)走高，甚至出現(xiàn)無石可采、無石可用的局面。利用河道淤沙生產(chǎn)搶險(xiǎn)用大體積生態(tài)塊石，可替代天然石材，減少開山采石，有利于保護(hù)生態(tài)環(huán)境，且具有成本低、尺度大、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。近年來，國(guó)內(nèi)外在利用河道泥沙制造人工備防石方面進(jìn)行了一系列的實(shí)踐與探索，但這些研究均是在實(shí)驗(yàn)室借助小型儀器設(shè)備或者人工完成的，沒有現(xiàn)成的機(jī)械設(shè)備實(shí)施批量化生產(chǎn)。筆者在調(diào)研黃河下游人造備防石研究進(jìn)展時(shí)，了解到2006年初河南鞏義黃河河務(wù)局、蘭考黃河河務(wù)局進(jìn)行了人造備防石批量生產(chǎn)和機(jī)械化拋投試驗(yàn)，2008年原陽黃河河務(wù)局生產(chǎn)人造備防石600m3并在武莊控導(dǎo)工程進(jìn)行了部分塊石拋投。這些工作成果為本研究奠定了基礎(chǔ)。

1 大體積生態(tài)塊石配方試驗(yàn)

在原材料分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行大體積生態(tài)塊石配方設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，并進(jìn)行性能檢測(cè)。試驗(yàn)內(nèi)容主要包括原材料品質(zhì)分析、配方設(shè)計(jì)和試驗(yàn)等。

1.1 原材料的選擇及性能檢測(cè)

1.1.1 原材料選擇

根據(jù)大體積生態(tài)塊石的性能要求，在控制成本的前提下，初步選定以下原材料：水泥、Ⅱ級(jí)粉煤灰、原狀粉煤灰、濕排粉煤灰、磨細(xì)礦渣粉、原狀礦渣、鋼渣、激發(fā)劑、渭河砂等。

1.1.2 原材料性能檢測(cè)

對(duì)原材料進(jìn)行化學(xué)成分及物理力學(xué)性能分析，了解各種原材料的活性和工作性狀，以便在配方設(shè)計(jì)時(shí)，在保證最終強(qiáng)度條件下確定各組分比例。檢測(cè)內(nèi)容見表1。

（1）水泥性能檢測(cè)。選用P.042.5R普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度指標(biāo)符合GB175-2007的要求。檢測(cè)結(jié)果見表2、表4。

（2）Ⅱ級(jí)粉煤灰性能檢測(cè)。依據(jù)GB/T1596-2005對(duì)粉煤灰進(jìn)行物理性能和化學(xué)成分分析，Ⅱ級(jí)粉煤灰大多數(shù)參數(shù)指標(biāo)滿足規(guī)范要求。主要技術(shù)指標(biāo)見表5～表6。

（3）原狀粉煤灰性能檢測(cè)。原狀灰45μm篩余細(xì)度達(dá)到50%，明顯大于規(guī)范值，說明其顆粒較粗。其余參數(shù)均滿足規(guī)范指標(biāo)，詳見表7。

（4）濕排粉煤灰性能檢測(cè)。濕排灰為電廠用水排至灰場(chǎng)的粉煤灰與爐渣等雜質(zhì)的混合物，因其品質(zhì)差，較少被工程用于替代膠凝材料配制混凝土使用，但因其成本低，且具有活性，可用于非工程結(jié)構(gòu)混凝土類。其檢測(cè)結(jié)果見表8、表9。

（5）磨細(xì)礦渣粉性能檢測(cè)。磨細(xì)礦渣粉的流動(dòng)度比達(dá)到102%，燒失量較低，對(duì)備防石砂漿拌和物的工作性的影響應(yīng)好于水泥，詳見表10。

（6）原狀礦渣與鋼渣性能檢測(cè)。原狀礦渣和鋼渣均為未經(jīng)加工的粒狀原渣，細(xì)度模數(shù)相當(dāng)于中粗砂。原狀礦渣的顆粒級(jí)配分布集中在1區(qū)，粗顆粒偏多，見表11、圖1。鋼渣的顆粒級(jí)配主要分布于1區(qū)～3區(qū)，表明各粒徑顆粒分布較為均勻，見表12、表13、圖2。

（7）激發(fā)劑性能檢測(cè)。激發(fā)劑是一種堿性物質(zhì)，與粉煤灰和礦渣等工業(yè)廢渣接觸時(shí)，提供高濃度的堿性環(huán)境，激發(fā)其潛在活性，從而發(fā)生水化反應(yīng)，形成膠凝結(jié)構(gòu)，以保證粉煤灰、礦渣的強(qiáng)度。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果見表14。

（8）河砂性能檢測(cè)。砂為渭河砂，對(duì)砂樣進(jìn)行檢測(cè)，細(xì)度模數(shù)為1.57，屬于極細(xì)砂，級(jí)配條件較差，詳見圖3及表15。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

基于工作性、力學(xué)強(qiáng)度、成本3個(gè)目標(biāo)，通過試驗(yàn)分析不同原材料的摻量比例、膠砂比、水膠比等因素對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)的綜合影響，確定相應(yīng)的組分配合比?？紤]原材料的品質(zhì)穩(wěn)定等因素，配合比參數(shù)的控制范圍見表16，試驗(yàn)配合比及綜合性能見表17、表18。

試驗(yàn)結(jié)果表明：4#（4B、4BX）配合比試樣，水膠比為0.35，總膠凝材料用量為714.2kg/m3，試樣中添加了減水劑，工作性可達(dá)到成型要求，60d抗壓強(qiáng)度為26.8MPa，強(qiáng)度保證率較高，但材料成本偏高，為159.9元/m3。而未添加減水劑的3#（即3B）相同配合比試樣，工作度vc值超過25s，工作性差，不能成型。10#配合比試樣的水膠比為0.40，未添加減水劑，總膠凝材料用量為700.0kg/m3，Vc值為20s左有，工作性亦可滿足成型要求，60d抗壓強(qiáng)度為16.3MPa，滿足設(shè)計(jì)要求，材料成本相對(duì)較低，為148.9元/m3。其余水膠比為0.35的配合比試樣，不添加減水劑時(shí)，試樣的工作性都不能滿足成型要求。6#～8#（6GZ、7GS、822）配合比試樣摻幾種原狀渣，其成本較低，但在規(guī)定齡期內(nèi)的抗壓強(qiáng)度不能滿足設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，考慮現(xiàn)場(chǎng)施工條件的限制及原材料品質(zhì)的不穩(wěn)定情況，為保證大體積生態(tài)塊石后期強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，確定選擇4#配方進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工試驗(yàn)。因幾批廢渣密度不穩(wěn)定，設(shè)計(jì)中取平均值進(jìn)行計(jì)算不甚準(zhǔn)確，造成計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相差較大。現(xiàn)場(chǎng)使用調(diào)整的配比（4BX）計(jì)算密度為1702.2kg/m3，與實(shí)測(cè)密度1690kg/m3相差較小，滿足規(guī)范指標(biāo)。因此，最終確定使用調(diào)整后的配比（4BX）進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工試驗(yàn)。

2 成型機(jī)械及施工過程控制

2.1 成型機(jī)械研制

為了提高生態(tài)塊石生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)批量化、大規(guī)模生產(chǎn)，在配方研制成功的基礎(chǔ)上，進(jìn)行成型機(jī)械研制。項(xiàng)目組在考察多家液壓成型機(jī)械企業(yè)后，與若干技術(shù)實(shí)力雄厚的企業(yè)技術(shù)人員多次商討機(jī)械改造技術(shù)方案，采用加長(zhǎng)油缸、加粗框架、加大電機(jī)、提高振動(dòng)頻率、加大料倉、加大模具等手段對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改造，改造后生產(chǎn)出的生態(tài)塊石尺寸為56cm×50cm×40cm。成型機(jī)械及產(chǎn)品見圖4。

2.2 主要施工工序

（1）上料。上料采用機(jī)械和人工結(jié)合的方式進(jìn)行：沙子采用小型鏟車（20型）從施工場(chǎng)地鏟運(yùn)至配料機(jī)，原狀灰、礦渣粉從水泥罐通過螺旋輸送機(jī)輸送至配料機(jī)，水泥、激發(fā)劑、減水劑等稱量后采用人工方式加入攪拌機(jī)。

（2）稱量配料。沙子、原狀灰、礦渣粉采用PLD800型配料機(jī)稱量，水泥、激發(fā)劑、減水劑采用電子秤稱量。

（3）攪拌。各原材料稱量完畢后裝入JS500攪拌機(jī)混合、攪拌均勻。

（4）傳輸。攪拌機(jī)攪拌后的材料通過傳送帶送人液壓成型機(jī)械。

（5）壓制。采用液壓成型機(jī)械進(jìn)行大體積生態(tài)塊石壓制。

（6）托運(yùn)。將生產(chǎn)出的塊石放置在1280mmx650mmx45mm托板上，用叉車進(jìn)行托運(yùn)。

（7）養(yǎng)護(hù)。大體積生態(tài)塊石壓制完成后進(jìn)行自然養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)周期為28d。

（8）碼放。養(yǎng)護(hù)完成后，將達(dá)到強(qiáng)度要求的大體積生態(tài)塊石碼放在渭河下游蒼渡險(xiǎn)工段，以備防汛搶險(xiǎn)時(shí)使用。

2.3 施工過程控制

施工前，結(jié)合實(shí)施方案及施工條件編制施工設(shè)計(jì)方案。在技術(shù)人員的指導(dǎo)下對(duì)施工人員進(jìn)行技術(shù)交底和培訓(xùn)。規(guī)范大體積生態(tài)塊石的施工程序和施工技術(shù)，明確施工重點(diǎn)。

施工中，原材料的選擇要以控制成本、保證質(zhì)量為前提，多方考察對(duì)比，選定適宜的原材料廠家。所有原材料（水泥、砂、礦渣粉、粉煤灰、激發(fā)劑、減水劑等）在投入使用前均通過質(zhì)量檢測(cè)，嚴(yán)格按照試驗(yàn)配合比進(jìn)行拌料。制作出的生態(tài)塊石，立即在表面覆蓋干草并及時(shí)澆水進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)周期為28d。養(yǎng)護(hù)期結(jié)束后取樣進(jìn)行塊石性能檢測(cè)，保證塊石28d抗壓強(qiáng)度達(dá)到10MPa。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)核算，本項(xiàng)目共試生產(chǎn)大體積生態(tài)塊石17880塊，每塊尺寸為56Cmx50cmx40cm，共計(jì)2002mi。施工后，認(rèn)真做好施工現(xiàn)場(chǎng)的水土保持和環(huán)境保護(hù)等工作。同時(shí)，注重現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)，避免人為破壞。

3 結(jié)語

在渭河下游首次利用渭河細(xì)砂和工業(yè)廢渣制作大體積生態(tài)塊石是一次有益的嘗試，在項(xiàng)目實(shí)施中精心組織管理，優(yōu)化施工工藝，確保施工質(zhì)量，達(dá)到了預(yù)期效果。總結(jié)實(shí)施中的經(jīng)驗(yàn)，主要有以下幾點(diǎn)。

（1）在渭河下游蒼渡險(xiǎn)工段首次嘗試?yán)梦己蛹?xì)砂和工業(yè)廢渣制作大體積生態(tài)塊石取得了成功。搶險(xiǎn)塊石具有成本低、尺度大、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，是河道搶險(xiǎn)用天然石料可靠的替代材料。既減少了開山采石以滿足河道搶險(xiǎn)需要，又利用了渭河淤砂，有利于渭河生態(tài)環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。經(jīng)成本核算，大體積生態(tài)塊石綜合單價(jià)約為200元/m3，比籠石低55元/m3。

（2）在成本控制前提下，遵循“以點(diǎn)帶面，逐步推廣”的原則，提出“三步走”的后續(xù)推廣方案：第一步，在渭河下游防汛搶險(xiǎn)中推廣應(yīng)用該技術(shù)：第二步，在渭河中游、三門峽庫區(qū)及黃河、洛河防汛搶險(xiǎn)中推廣應(yīng)用該技術(shù)：第三步，在陜西省其他江河防汛搶險(xiǎn)中推廣應(yīng)用該技術(shù)。通過三個(gè)階段的推廣，使大體積生態(tài)塊石技術(shù)在陜西省河道生態(tài)建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用，促進(jìn)河流泥沙及工業(yè)廢渣資源化利用，提高防汛搶險(xiǎn)效率。

（3）后續(xù)還可進(jìn)一步優(yōu)化配方及生產(chǎn)工藝，降低成本，以利于大規(guī)模推廣應(yīng)用。成型機(jī)械模具可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，可嘗試制作邊長(zhǎng)1m或更大尺寸的生態(tài)塊石。

（4）大體積生態(tài)塊石生產(chǎn)技術(shù)是一項(xiàng)生態(tài)環(huán)保的實(shí)用技術(shù)，建議相關(guān)部門在政策上給予支持，促進(jìn)大體積生態(tài)塊石生產(chǎn)技術(shù)在河道生態(tài)建設(shè)中的推廣應(yīng)用。