渭河下游河道搶險大體積生態塊石生產研究

馮普林 李茜 雷波 張琳琳

摘要：利用河道淤沙和工業廢渣制造河道搶險用大體積生態塊石用于替代天然石材，減少開山采石，有利于保護生態環境，且具有成本低、尺度大、穩定性好等特點，是河道搶險用天然石料可靠有效的替代材料。結合近年來國內外在利用河道泥砂制造人工備防石方面的實踐與探索，利用當地原材料配合專用激發劑，通過大量室內壓實試塊的強度檢測來優化材料配方，并根據搶險要求設計塊石模具，利用現有擠壓成型機械研制塊石成型機械，建成大體積生態塊石生產線，并試生產大體積生態塊石2000余m3。

關鍵詞：防汛搶險；人造塊石；配合比；擠壓成型機械；渭河下游

中圖分類號：TV49

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.08.009

渭河下游河灘寬廣、河勢擺動頻繁，兩岸險工險點多，每年搶險都要消耗大量石材。由于塊石開采不利于河床穩定，且可能破壞生態環境，因此石材的綜合費用持續走高，甚至出現無石可采、無石可用的局面。利用河道淤沙生產搶險用大體積生態塊石，可替代天然石材，減少開山采石，有利于保護生態環境，且具有成本低、尺度大、穩定性好等特點。近年來，國內外在利用河道泥沙制造人工備防石方面進行了一系列的實踐與探索，但這些研究均是在實驗室借助小型儀器設備或者人工完成的，沒有現成的機械設備實施批量化生產。筆者在調研黃河下游人造備防石研究進展時，了解到2006年初河南鞏義黃河河務局、蘭考黃河河務局進行了人造備防石批量生產和機械化拋投試驗，2008年原陽黃河河務局生產人造備防石600m3并在武莊控導工程進行了部分塊石拋投。這些工作成果為本研究奠定了基礎。

1 大體積生態塊石配方試驗

在原材料分析的基礎上，進行大體積生態塊石配方設計和試驗，并進行性能檢測。試驗內容主要包括原材料品質分析、配方設計和試驗等。

1.1 原材料的選擇及性能檢測

1.1.1 原材料選擇

根據大體積生態塊石的性能要求，在控制成本的前提下，初步選定以下原材料：水泥、Ⅱ級粉煤灰、原狀粉煤灰、濕排粉煤灰、磨細礦渣粉、原狀礦渣、鋼渣、激發劑、渭河砂等。

1.1.2 原材料性能檢測

對原材料進行化學成分及物理力學性能分析，了解各種原材料的活性和工作性狀，以便在配方設計時，在保證最終強度條件下確定各組分比例。檢測內容見表1。

（1）水泥性能檢測。選用P.042.5R普通硅酸鹽水泥，強度指標符合GB175-2007的要求。檢測結果見表2、表4。

（2）Ⅱ級粉煤灰性能檢測。依據GB/T1596-2005對粉煤灰進行物理性能和化學成分分析，Ⅱ級粉煤灰大多數參數指標滿足規范要求。主要技術指標見表5～表6。

（3）原狀粉煤灰性能檢測。原狀灰45μm篩余細度達到50%，明顯大于規范值，說明其顆粒較粗。其余參數均滿足規范指標，詳見表7。

（4）濕排粉煤灰性能檢測。濕排灰為電廠用水排至灰場的粉煤灰與爐渣等雜質的混合物，因其品質差，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，可用于非工程結構混凝土類。其檢測結果見表8、表9。

（5）磨細礦渣粉性能檢測。磨細礦渣粉的流動度比達到102%，燒失量較低，對備防石砂漿拌和物的工作性的影響應好于水泥，詳見表10。

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

（7）激發劑性能檢測。激發劑是一種堿性物質，與粉煤灰和礦渣等工業廢渣接觸時，提供高濃度的堿性環境，激發其潛在活性，從而發生水化反應，形成膠凝結構，以保證粉煤灰、礦渣的強度。對比試驗結果見表14。

（8）河砂性能檢測。砂為渭河砂，對砂樣進行檢測，細度模數為1.57，屬于極細砂，級配條件較差，詳見圖3及表15。

1.2 配合比設計

基于工作性、力學強度、成本3個目標，通過試驗分析不同原材料的摻量比例、膠砂比、水膠比等因素對設計目標的綜合影響，確定相應的組分配合比。考慮原材料的品質穩定等因素，配合比參數的控制范圍見表16，試驗配合比及綜合性能見表17、表18。

試驗結果表明：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，工作性可達到成型要求，60d抗壓強度為26.8MPa，強度保證率較高，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抗壓強度為16.3MPa，滿足設計要求，材料成本相對較低，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，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，但在規定齡期內的抗壓強度不能滿足設計要求。

根據試驗結果，考慮現場施工條件的限制及原材料品質的不穩定情況，為保證大體積生態塊石后期強度達到設計要求，確定選擇4#配方進行現場施工試驗。因幾批廢渣密度不穩定，設計中取平均值進行計算不甚準確，造成計算值與實測值相差較大。現場使用調整的配比（4BX）計算密度為1702.2kg/m3，與實測密度1690kg/m3相差較小，滿足規范指標。因此，最終確定使用調整后的配比（4BX）進行現場施工試驗。

2 成型機械及施工過程控制

2.1 成型機械研制

為了提高生態塊石生產效率，實現批量化、大規模生產，在配方研制成功的基礎上，進行成型機械研制。項目組在考察多家液壓成型機械企業后，與若干技術實力雄厚的企業技術人員多次商討機械改造技術方案，采用加長油缸、加粗框架、加大電機、提高振動頻率、加大料倉、加大模具等手段對現有設備進行改造，改造后生產出的生態塊石尺寸為56cm×50cm×40cm。成型機械及產品見圖4。

2.2 主要施工工序

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

（2）稱量配料。沙子、原狀灰、礦渣粉采用PLD800型配料機稱量，水泥、激發劑、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攪拌機混合、攪拌均勻。

（4）傳輸。攪拌機攪拌后的材料通過傳送帶送人液壓成型機械。

（5）壓制。采用液壓成型機械進行大體積生態塊石壓制。

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

（7）養護。大體積生態塊石壓制完成后進行自然養護，養護周期為28d。

（8）碼放。養護完成后，將達到強度要求的大體積生態塊石碼放在渭河下游蒼渡險工段，以備防汛搶險時使用。

2.3 施工過程控制

施工前，結合實施方案及施工條件編制施工設計方案。在技術人員的指導下對施工人員進行技術交底和培訓。規范大體積生態塊石的施工程序和施工技術，明確施工重點。

施工中，原材料的選擇要以控制成本、保證質量為前提，多方考察對比，選定適宜的原材料廠家。所有原材料（水泥、砂、礦渣粉、粉煤灰、激發劑、減水劑等）在投入使用前均通過質量檢測，嚴格按照試驗配合比進行拌料。制作出的生態塊石，立即在表面覆蓋干草并及時澆水進行養護，養護周期為28d。養護期結束后取樣進行塊石性能檢測，保證塊石28d抗壓強度達到10MPa。

經統計核算，本項目共試生產大體積生態塊石17880塊，每塊尺寸為56Cmx50cmx40cm，共計2002mi。施工后，認真做好施工現場的水土保持和環境保護等工作。同時，注重現場維護，避免人為破壞。

3 結語

在渭河下游首次利用渭河細砂和工業廢渣制作大體積生態塊石是一次有益的嘗試，在項目實施中精心組織管理，優化施工工藝，確保施工質量，達到了預期效果。總結實施中的經驗，主要有以下幾點。

（1）在渭河下游蒼渡險工段首次嘗試利用渭河細砂和工業廢渣制作大體積生態塊石取得了成功。搶險塊石具有成本低、尺度大、穩定性好等特點，是河道搶險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需要，又利用了渭河淤砂，有利于渭河生態環境保護和經濟社會持續穩定發展。經成本核算，大體積生態塊石綜合單價約為200元/m3，比籠石低55元/m3。

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

（3）后續還可進一步優化配方及生產工藝，降低成本，以利于大規模推廣應用。成型機械模具可根據需要進行調整，可嘗試制作邊長1m或更大尺寸的生態塊石。

（4）大體積生態塊石生產技術是一項生態環保的實用技術，建議相關部門在政策上給予支持，促進大體積生態塊石生產技術在河道生態建設中的推廣應用。