骨料料场规划和生产加工 .doc

第一节 骨料料场规划和生产加工 砂石骨料是混凝土最基本的组成成份 。通常每 1m 3 的混凝土需 要 1.31.5m 3 的松散砂石骨料，所以对混凝土用量很大的混凝土 坝工程，砂石骨料的需要量也是相当大的。骨料质量的好坏直 接影响混凝土强度、水泥用量和温控要求，从而影响大坝的质 量和造价。为此，在 混凝土的设计施工中应统筹规划，认真研 究砂石骨料的储量、物理力学指标、杂质含量以及开采、运 输、堆存和加工 等各个环节。 一、骨料料场规划 二、骨料的生产三、骨料加工及加工设备 四、骨料的堆存 一、骨料料场规划 骨料 料场规划是骨料生产系统设计的基础 。伴随设计阶段的深入，料场勘探精度的提高，要提出相应的最佳用料方案。 最佳用料方案取决于料场的分布、高程，骨料的质量、储量、天然级配、开采条件、加工要求、弃料多少、运输方式、运距远近、生产成本等因素 。 骨料料场的规划、优选，应通过全面技术经济论证 。 砂石骨料的 质量是料场选择的首要前提 。骨料的 质量要求包括强度、抗 冻、化学成分、颗粒形状、级配和杂质含量等 。水工现浇混凝土粗骨料多用 四级配，即 5 ～ 20 、 20 ～ 40 、 40 ～ 80 、 80 ～ 120 （或 150 ） mm 。砂子为细 骨料，通常分为粗砂和细砂两级，其大小级配由细度模数控制，合理取值为 2.4 ～ 3.2 。增大骨料颗粒尺寸、改善级配，对于减少水泥用量，提高混凝土 质量，特别是对大体积混凝土的控温防裂具有积极意义。然而， 骨料的天然 级配和设计级配要求总有差异 ，各种级配的储量往往不能同时满足要求。这 就需要多采或通过加工来调整级配及其相应的产量。水利工程中， 骨料来源 有三种①天然骨料 ； ②人工骨料 ； ③组合骨料 。 骨料料场规划的原则 搞好砂石料场规划应遵循如下原则。 ① 满足 水工混凝土对骨料的各项 质量要求 ，其 储量力求满足各设计级配的需要 ，并有必要的富裕量。 ②选用的 料场 ， 特别是主要料场 ， 应场地开阔，高程适宜，储量大，质量好，开采季节长 ，主辅料场应能兼顾洪枯季节互为备用的要求。 ③ 选择可采率高，天然级配与设计级配较为接近 ，用人工骨料调整级配数量少 的料场 。 ④ 料场附近有足够的回车和堆料场地，且占用农田少 。 ⑤选择 开采准备工作量小，施工简便的料场 。 骨料料场规划原则的运用 如 以上要求难以同时满足，应以满足主要要求，即以满足质 量、数量为基础 ，寻求开采、运输、加工成本费用低的方案， 确定采用天然骨料，人工骨料还是组合骨料用料方案。 若是组合骨料，则需确定天然和人工骨料的最佳搭配方案。通 常对天然料场中的超径料，通过加工补充短缺级配，形成生产 系统的闭路循环，这是减少弃料，降低成本的好办法。 若采用天然骨料方案，为减少弃料应考虑各料场级配的搭配， 满足料场的最佳组合。显然，质好、量大、运距短的天然料场 应优先采用。只有在天然料运距太远，成本太高时，才考虑采用人工骨料方案。 人工骨料的特点 人工骨料通过机械加工，级配比较容易调整以满足设计要求。人工破碎的碎石，表面粗糙，与水泥砂浆胶结强度高，可以提高混凝土的抗拉强度，对防止混凝土开裂有利。但在相同水灰比情况下，同等水泥用量的碎石混凝土较卵石混凝土的和易性和工作度要差一些。 随着大型、高效、耐用的骨料加工机械的发展，管理水平的提高，使 人工骨料的成本接近甚至低于天然骨料 。采用人工骨料尚有许多天然 骨料生产不具备的优点，如级配可按需调整，质量稳定，管理相对集 中，受自然因素影响小，有利于均衡生产，减少设备用量，减少堆料 场地，同时尚可利用有效开挖料。因此，采用人工骨料的工程越来越 多，例如四川的映秀湾，贵州的乌江渡、东风，云南的漫湾，广西的 大化、岩滩等工程均采用人工骨料或用机械加工骨料搭配，在实践中 取得了明显的技术经济效果。 人工骨料的发展使用 20 世纪 50 、 60 年代，混凝土骨料以天然砂石料为主，如三门峡、新安江、 丹江口、刘家峡等工程。 70 、 80 年代兴建的葛洲坝、铜街子、龙羊峡、李 家峡等大型水电站和 90 年代兴建的黄河小浪底水利枢纽，也都采用天然砂石 骨料。葛洲坝一、二期工程砂石骨料生产系统月生产 49.5 万 m 3 ，年产 395 万 m 3 ，生产总量达 2600 万 m 3 。我国西南、中南一些地区缺少天然砂石料资源， 20 世纪 50 年代修建的狮子 滩、上犹江、流溪河等工程，都曾建人工碎石系统。 60 年代，映秀湾工程采 用棒磨制砂。 70 年代，乌江渡采用规模较大的人工砂石料生产系统，生产的 人工砂石骨料质优价廉。借鉴乌江渡的经验， 80 年代后，广西岩滩、云南漫 湾、贵州东风、湖南五强溪、湖北隔河岩、四川宝珠寺等大型水电站工程相 继采用人工砂石骨料，并取得较好的社会经济效益。五强溪工程在采用强磨 蚀性石英砂岩生产人工骨料方面有了新的突破。 90 年代的二滩水电站建成较 先进的人工砂石系统，长江三峡水利枢纽建成了世界上规模最大的月生产成 品砂 39 万 t 的下岸溪人工砂系统和月生产成品粗骨料 76 万 t 的古树岭人工碎石 加工系统，采用新型液压圆锥破碎机和立式冲击破碎机等先进的砂石生产设 备。 二、骨料的生产 本部分主要解决以下问题 1.骨料的加工过程 2.骨料开采量的确定 3.骨料生产能力的确定 4 .天然骨料的开采设备 1.骨料的加工过程 天然骨料需要通过筛分分级，人工骨料需要通过破碎、筛分加工，其生产流程如图5-2所示。 骨料生产工艺流程的设计，主要根据骨料来源，级配要求，生 产强度，堆料场地以及有无商品用料要求等全面分析比较确 定 。同时尚应根据开采加工条件及机械设备供应情况，确定各 生产环节所需要的机械设备种类、数量和型号，按流程组成自 动化或半自动化的生产流水线。 骨料加工的生产工艺流程 骨料开采 ，对于 天然砂砾料有陆地和水下两种开采方式 ，陆地开采与土料开采类似。水下开采，水深较大时，可采用采砂船或铲扬船，在浅水或河漫滩多用索铲或反向铲开采。索铲较反向开采定位难于准确，装车不便，常用以卸料至岸边，集成料堆再由反向铲或正向铲装车，无疑多耗费了人力和机械。对采砂船和铲扬船在江心采料，可用砂驳装料，由机动船拖至岸边专用码头卸料。对于 人工骨料开采宜采用深孔微差挤压爆破，控制其块度大小 。破碎加工块石，不仅应满足设计级配要求，尚应以整个砂石系统的运输、加工以及原料和半成品的总费用最低为目标，确定最佳方案。 骨料运输多用大吨位自卸汽车 。在骨料用量大且修筑道路投资高的情况下， 采用皮带机 运料最理想，不仅效率高，运费低，且管理也比较简便。 骨料加工厂的位置应尽可能接近料源 ，且附近有足够的毛料和净料堆放场 地。 破碎和筛分设备的基础应稳固 ， 高程设置 应根据地形和运输要求通盘考 虑确定， 尽量减少垂直提升运料 ，免受洪水威胁。 2.骨料开采量的确定 骨料开采量取决于混凝土中各种粒径料的需要量 。若 第i组骨料所需的净料量为q i ，则要求开采天然骨料的总量Q i 可按下式计算 。 Q i 1kq i /p i t 5-1 式中 k骨料生产过程的损失系数，为各生产环节损失系数的总和，即kk 1 k 2 k 3 k 4 ；其中k 1 、k 2 、k 3 、k 4 参见表5-1； p i 天然骨料中第i种骨料粒径含量的百分数。 第i种骨料净料需要量q i 与第j种标号混凝土的工程量V j 有关，也与该标号混凝土中i种粒径骨料的单位用量e ij 有关。 于是，第i组骨料的净料需要量q i 可表达为 q i 1k c ∑e ij V j t 5-2 式中，k c 为混凝土出机后运输、浇筑中的损失系数，约为1％～2％。 减少开采总量采取的措施 由于 天然级配与混凝土的设计级配难以吻合 ，其中总有一些粒径的骨料含量较多，另一些粒径短缺。若为了满足短缺粒径的需要而增大开采量，将导致其余各粒径的弃料增加，造成浪费。 为了避免浪费，减少开采总量，可采取如下措施 。 ① 调整混凝土骨料的设计级配 ，在允许的情况下，减少短缺骨料的用量，但随之可能会使水泥用量增加，引起水化热温升增高、温度控制困难等一系列问题，故需通过比较才能确定。 ② 用人工骨料搭配短缺料 ，天然骨料中大石多于中小石比较常见，故可将大 石破碎一部分去满足短缺的中小石。采用这种措施，应利用破碎机的破碎特 性，调整破碎机的出料口，使出料中短缺骨料达到最多，尽量减少二次破碎 和新的弃料，以降低加工费用。总之，骨料设计优化方案，应使生产总费用 最小为目标，经系统分析确定。 石料开采量 如需要利用开采石料作为人工骨料料源，则石料开采量V r 可按下式计算 （ m 3 ，实方） （ 5-3 ） 式中 k 人工骨料损失系数；对碎石，加工损失为 2 ～ 4, ，对人工砂，加工损失为 8 ～ 20 ；运输储存损失为 2 ～ 6 。 e 每方混凝土的骨料用量， t/m 3 ； V 0 混凝土的总需用量， m 3 ； β 块石开采成品获得率，取 80 ～ 95 ； γ 块石容重， t/m 3 。在采用或部分采用人工骨料方案时，若有有效开挖石料可供利用时，应将利用部分扣除，确定实际开采石料量。 3 . 骨料生产能力的确定 严格说来， 骨料生产能力由其需求量来确定 ， 实际需求量 与各阶段混凝土浇筑强度有关，也与上一阶段结 束时的储存量有关。若骨料还须销售，则销售量也是供需平 衡的一个因素。 这里我们仅 介绍考虑储存影响，如何确定骨料的生产能力 。 可 根据混凝土浇筑进度对骨料的用料要求，用供需累计过程 线确定各阶段要求的骨料生产能力 。如图 5-3 所示。先根据混 凝土浇筑进度，绘制骨料需用量累计过程线 1 ，再绘制骨料计 划生产累计过程线 2 ，并使累计过程线 1 、 2 之间的最大距 离，即最大储存量不大于成品料堆的最大容量；但最小储存 量又不少于保证连续生产的最小安全储量，通常， 此储量应 满足 10 ～ 15 天的用料要求 。另外，尚应使 产量累计过程线的 起点提前 10 ～ 15 天，而终点 也应相应提前 。 骨料生产能力的计算 骨料产量累计过程线的斜率就是加工厂的生产强度 ，斜率最大的时段就是骨料的高峰生产时段。据此可确定 骨料加工的生产能力 Pm 3 /h 5-4 式中 V 骨料生产高峰期的总产量， m 3 ； T 骨料生产高峰时段的月数； K 1 高峰时段骨料生产的不均匀系数，可取 1.0 ～ 1.4 ； K 2 时间利用系数，可取 0.8 ～ 0.9 ； m 每日有效工作时数，可取 20h ； n 每月有效工作日数，可取 25 ～ 28d 。 4 . 天然骨料的开采设备（一） 天然骨料开采， 在河漫滩多采用 索铲 ，如图 5-4 所示，它是正向铲挖掘机工作机构改装为索具操纵的铲斗。采料时将铲斗抛出，斗齿下切砂砾层，然后由牵引索拉土斗，让土斗装满，卸料时，牵引索放松，土斗垂直向下，土料卸出。整个操作循环要求司机操作技术熟练，否则，其生产能力不能正常发挥。 采砂船 是在一定水深中采掘砂砾石的机械 。它是将 斗链式挖掘机 的工作机构装在特制的船上进行工作的，如图 5-5 所示。其砂斗固定在随主动轮转动的链条上。砂斗接连不断地运转至工作大梁底端进行挖掘，上升至工作大梁顶端，卸料至接砂斗中，再通过由吊杆悬吊的皮带机卸料。皮带机架通过悬索控制其仰俯角度，借助提升索调整工作大梁的位置，以控制其开挖深度。船体内装有平衡水箱，调整箱内的水量以保持船体的平衡。采砂船采挖粘性较大的土时，砂斗易装满，却不易卸尽，挖砂砾料则恰好相反。为此，挖粘性大的土时宜用口大身浅的砂斗，挖砂砾料时，宜用口小身深的砂斗。 索铲挖掘机工作图 多斗式采砂船工构造图 多斗式采砂船工构造图 4 . 天然骨料的开采设备（二） 通常 由生产能力确定采砂船的型号 。 国产采砂船的小时生产率有 120 和 250m 3 /h 两种 ，但这两种采砂船没有行驶装置，转移时需用拖轮牵引。 采砂船的开挖方式 视采区地形、水流情况、运输方式及运输线路布置而异， 有顺水开挖，逆水开挖和静水开挖 ，后两种方式开挖可减少砂斗内砂料流失。 铲扬式单斗挖泥船 是一种大型可在深水中作业的 自行式采砂 船 ，它的 小时生产率可达 750m 3 /h ，能在水深达 15m 的流水中 作业。 三、骨料加工及加工设备 将采集的毛料加工，一般需通过破碎、筛选和冲洗，制成符合级配，除去杂质的碎石和人工砂。根据骨料加工工艺流程，组成骨料加工厂。 1 、骨料的破碎 2 、骨料的筛分 3 、砂的水力分级 4 、骨料加工厂 1 、骨料的破碎 使用破碎机械碎石，常用的设备有颚板式、 反击式和锥式三种 碎石机 。 ⑴颚板式碎石机 颚板式碎石机 [ 图 5-6 （ a ） ] 由机架、传动装置和破碎槽组成。 破碎槽进口 1 是由固定颚板 3 和活动颚板 4 形成的。颚板是由齿 状钢合金板镶嵌而成。在偏心轮 2 和撑杆 6 的作用下，活动颚板 左右摆动，破碎槽一开一合，合时进入装料口的料石受挤压而 破碎；开时，使破碎了的碎石经出料口 8 下落。这种碎石机 用进 料口宽长的尺寸表示其规格 ，通常为 250 400 ～ 1200 1500mm 。可通过锲形滑块 7 调整出料口的宽度，从而 调整 进出料的平均粒径比 破碎率 。破碎率一般为 6 ～ 8 。一 次破碎不合要求，进行二次破碎比弃料更经济时，可进行二次 破碎，形成闭路循环的生产工艺。 反击式碎石机 锥式碎石机 锥式碎石机（图 5-7 ） 碎石机由活动的内锥体与固定 的锥形机壳构成破碎室，内锥体装在偏心轴上，此轴 顶端为可动的球形铰，通过伞齿传动，使偏心轴带动 内锥体作偏心转动，从而使内锥体与外机壳间的距离 忽大忽小，大时石料经出料口下落，小时将骨料挤压 破碎。这种破碎机破碎的石料扁平状较小，单位产品 能耗低，生产率高；但其结构较前两种复杂，体形和 自重大，安装和维修也较复杂。 2 、骨料的筛分 为了分级，需将采集的天然毛料或破碎后的混合筛分，分级的方法有水力筛分和机械筛分两种。前者利用骨料颗粒大小不同，水力粗度各异的特点进行分级，适用于细骨料。后者利用机械力作用经不同孔眼尺寸的筛网对骨料进行分级，适用于粗骨料。 机械筛分的筛网多用高炭钢条焊接成方筛孔，筛孔边长分别为 112 、 75 、 38 、 19 、 5mm ，用以筛分 120 、 80 、 40 、 20 、 5mm 的各级粗骨料。当筛网倾斜安装时，为保证筛分粒径，尚须将筛分孔尺寸适当加大。 大规模筛分多用机械振动筛，有 偏心振动和惯性振动筛两种 。 2 、骨料的筛分 为了分级，需将采集的天然毛料或破碎后的混合筛分，分级的方法有水力筛分和机械筛分两种。前者利用骨料颗粒大小不同，水力粗度各异的特点进行分级，适用于细骨料。后者利用机械力作用经不同孔眼尺寸的筛网对骨料进行分级，适用于粗骨料。 机械筛分的筛网多用高炭钢条焊接成方筛孔，筛孔边长分别为 112 、 75 、 38 、 19 、 5mm ，用以筛分 120 、 80 、 40 、 20 、 5mm 的各级粗骨料。当筛网倾斜安装时，为保证筛分粒径，尚须将筛分孔尺寸适当加大。大规模筛分多用机械振动筛，有 偏心振动和惯性振动筛两种 。 ⑴偏心振动筛 偏心振动筛（图 5-8 ） 固定筛网的筛架装在偏心主轴 上，马达驱动偏心轴加转带支筛架作环行运动而产生 振动。由于偏心距不变，筛网的振幅也固定不变，不 受筛网面上料石多少的影响，其振幅一般为 3 ～ 6mm ，振动频率为 840 ～ 1200 次每秒。 这种筛适宜于 筛分大、中骨料 ，常用来完成第一道筛分任务。 ⑵惯性振动筛 惯性振动筛（图 5-9 ） 这种机械振动筛是利用马达， 带动旋转主轴上飞轮的偏心重，产生离心力而引起筛 网振动。由于筛网上的物料对飞轮偏心重离心力有平 衡抵消作用，故其振幅大小随消振弹簧的振幅锐减。 容易引起筛孔堵塞，使骨料得不到充分筛分。故这种 筛应进料适度、均匀。其振幅变化于 1.6 ～ 6mm 之间， 频率在 1200 ～ 2000 次 /min ， 适用于中、细颗粒骨料的 筛分 。 筛分质量控制 筛分中的 主要质量问题是超径和逊径 。当骨料受筛时间太短，筛网网孔偏小，使应过筛的下一级骨料由筛面分入大一级颗粒中称为 逊径 ；反之，若筛网孔眼变形偏大，大一级骨料漏入小一级骨料中称为 超径 。筛分作业中， 常以超、逊径的重量百分率筛分精度作为质量控制标准 。超径多因筛网磨损、变动、破裂所致；而逊径则多因筛网面上喂料过多，网孔堵塞或网孔偏小，筛网面倾角过大所致。 规范要求超径不大于 5 ，逊径不大于 10 方满足质量控制标准 。 整个筛分过程也是骨料清洗去污过程 。清洗是在筛网面上方正 对骨料下滑方向安装具有孔眼的管道喷水冲洗。 3、砂的水力分级 无论天然砂还是人工砂通常多用 水力分级 ，这时 分级和冲洗同时进行 。也有用沉砂箱承纳筛分后流出的污水砂浆，经初洗和排污后再送入洗砂机清洗。 洗砂机多用螺旋式 ，其结构如图5-10所示，机身是一倾斜的洗砂槽，由驱动机构带动一个或两个具有固定螺旋叶片的螺旋轴旋转。运行中，螺旋叶片推动砂料在相对流动的水中淘洗，清水由注入口注入，未清洗的砂由加料口加入， 由下而上清洗后的砂由出料口卸入运料皮带机上 ，洗砂后的浑水由下方溢出口排出。 4、骨料加工厂 大规模的骨料加工 ，常将 加工机械设备按工艺流程布置成骨料加工工厂 。 其布置原则 是，应充分利用地形，减少基建工程量；有利于及时供料，减少弃料；成品获得率高， 通常要求达到85％～90 。当成品获得率低时，应考虑利用弃料二次破碎，构成闭路生产循环。在粗碎时多为开路，在中、细碎时采用闭路循环。骨料加工厂振动音响特别大，减少噪音是改善劳动条件的关键。 以筛分作业为主的加工厂称为 筛分楼 ，如图5-11所示，其布置 常在皮带机送料上楼，经两道振动筛筛分出五种级配骨料，砂 料则经沉砂箱和洗砂机清洗为成品砂料，各级骨料由皮带机送 至成品料堆堆存。骨料加工厂宜尽可能靠近混凝土系统，以便 共用成品堆料场。 人工骨料制砂及破碎加工 图5-12是人工骨料制砂的 三级破碎和棒磨制砂的工艺流程 图， 它是由 颚式破碎机或锥式破碎机 粗碎 ，反击或锥式碎石机 中碎 经筛分后再 细碎 ， 用 棒磨机 制砂 ，最后送至成品料堆。 筛分天然骨料和破碎超径石的加工系统，是在砂砾料 筛分楼的基础上，增加破碎超径石的颚式破碎机或反 击式破碎机即可。仍然利用筛分天然料的设备筛分破 碎后的混合料。 四、骨料的堆存 为了适应混凝土生产的不均衡性，可利用堆场储备一定数量的骨料，以解决骨料的供求矛盾。骨料储量多少，主要取决于生产强度和管理水平。通常可按高峰时段月平均值的50～80考虑。汛期、冰冻期停采时，须按停采期骨料需用量外加20的裕度考虑。 1、骨料堆存的质量要求 2、骨料堆场型式 1、骨料堆存的质量要求 防止跌碎和分离是骨料堆存质量控制的首要任务 。为此应控制卸料的跌落高度，避免转运过多，堆料过高。堆料时应分层堆料，逐层上升，或采用动臂堆料机，使 卸料跌差保持在3m以内 。跌差过大，应辅以梯式或螺旋式缓降器卸料。 在进入拌和机前， 砂料的含水量应控制在5内 ，但又保持一定湿度。含水量过高对混凝土质量有一定影响。 堆存中骨料的混级是引起骨料超逊径的重要原因之一 ，应予防 止。堆料场内还应设排污和排水系统，以保持骨料的洁净。 砂 料堆场的排水尤应良好，应有三天以上的堆存时间，以利脱 水 。 2、骨料堆场型式 堆料料仓通常用隔墙划分，隔墙高度可按骨料动摩擦角34 0 ～37 0 加超高值 0.5m 确定。大中型堆料场一般采用地弄取料。地弄进口高出堆料地面，地弄地板设大于 5 ‰ 的纵坡，以利排水。各级成品料取料口不宜小于3个，且宜采用事故停电时能自动关闭的弧门。骨料堆场的布置主要取决于地形条件、堆料设备及运输进出料方式，其典型布置如下 ⑴台阶式 ⑵栈桥式 ⑶堆料机堆料 如图5-13所示，堆料和进料地面有一定高差，由汽 车或机车卸料至台阶下，由地弄廊道顶部的弧门控制给料， 再由廊道内的皮带机送料。廊道顶部的料仓常用推土机集料 或散料以扩大堆存容积。 ⑵栈桥式 栈桥式 如图5-14。在平地上堆料可架设栈桥，在栈桥桥面上安装 皮带机，经卸料小车向两侧卸料，料堆呈棱柱体，由廊道内的皮带机 出料。这种堆料方式，堆料跌落高度大，在自然休止角外的骨料自卸 容积小，必须借助推土机扩大堆料和卸料容积。 ⑶堆料机堆料 堆料机 堆料 如图5-15。 堆料机 是机身可以沿轨道移动，有悬臂皮带机送料扩大堆料范围的装置。该装置又分双悬臂和动臂式。后者的卸料皮带机可随动臂旋转仰俯，随堆料的高度和位置而变化，使卸料高度始终保持在允许跌落高度的范围内，避免跌碎骨料产生逊径。为了增大堆料容积，可在堆料机轨道下修筑路堤。 通常，充分利用地形，采用台阶式堆料最经济（三门峡、新安江等工程采用）。美国德沃歇克坝，由于地处陡峻河谷，将碎石厂布置在采石场地下，开凿容积4000m 3 的竖井作为临时料仓，从而节约了占地和堆料的能源。而国内丹江口和葛洲 坝工程地形开阔，则采用动臂堆料机堆料。堆料场布置的重要原则是 应尽量增大自卸容积，减少死容积，从而尽量减少辅助集料措施，不 仅可节省费用，而且也有利于保证出料的级配和避免污染。