工程棄渣制備砂石骨料技術研究和應用

陳敬收

（中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410004）

工程棄渣是指工程在建設過程中產生的廢棄土石料和其他固體廢棄物，如邊坡深挖、隧道（洞）暗挖產生的廢棄土石料等。有研究指出，“十一五”期間，全國產生工程棄渣總量約100.27億t。由于受施工工藝、施工組織等因素的影響，大量工程棄渣得不到合理利用，處理困難，直接廢棄嚴重影響工程區自然環境及生態平衡，如占用土地資源、阻塞河道等，有時還會因處置不當造成安全隱患[1-2]。同時，建設工程的結構物等所需砂石骨料量很大，但往往因交通不便，外購砂石骨料運距較遠，導致砂石骨料獲取難度大且成本較高，與建設生態、綠色工程的要求不相適應。

在工程建設中，為解決工程棄渣處理困難和緩解砂石骨料供需矛盾，以“就地取材，變廢為寶”為原則，充分利用滿足要求的工程棄渣，如硬質巖開挖棄料制備砂石骨料，使兩者之間平衡，從而提高資源綜合利用和經濟效益，對環境保護及可持續發展具有重要意義。充分利用工程棄渣制備砂石骨料，不僅是未來工程建設（如公路、鐵路等）獲取原材料的重要途徑，也是“資源節約型”和“環境友好型”社會的發展方向，進而實現工程建設與環境保護間的和諧發展。

1 可行性分析

工程棄渣制備砂石骨料不論從經濟效益還是環境效益都具有重大意義，但并不是所有棄渣都可以加工利用。部分棄渣可能因母巖風化嚴重、強度低而達不到制備砂石骨料的質量要求；也可能因加工成本等費用高于其所產生的經濟效益，從經濟上看并不可行；還有的棄渣則可能因附近地勢陡峭，棄渣運出困難，且在附近開設砂石加工場又難以實現，最終導致棄渣利用不可行。因此，工程棄渣利用最終是否可行還需根據棄渣的品質質量、外購與自產砂石骨料成本差價、工程場內外交通等進行綜合分析。由此可見，影響工程棄渣可用性的主要因素包括棄渣質量指標、經濟效益指標和場內外交通狀況等，可用作工程棄渣利用的前期分析研判。

1.1 質量技術評價

質量技術評價主要是判定開挖渣料自身在質量技術指標上是否符合制備砂石骨料的相關技術要求，如對比開挖巖石飽和抗壓強度與制備砂石骨料對母巖強度的要求等，最后綜合考慮巖石風化程度、開采方法等情況確定可利用量，從而為經濟效益分析提供量的依據。

母巖抗壓強度至少應比所配制的混凝土強度高20%[3]。對不同巖性的母巖抗壓強度要求為：在水飽和狀態下，火成巖應不小于80 MPa，變質巖應不小于60 MPa，水成巖應不小于30 MPa[4]。另外為保證砂石骨料不具備堿活性，還要對母巖進行堿活性檢測。

1.2 經濟效益分析

經濟效益分析主要是從成本與效益的比較出發，對自產與外購砂石骨料進行經濟成本對比分析，得出利用棄渣制備砂石骨料的臨界產量，即自產與外購砂石骨料總成本相同時計算出的棄渣利用量，進而確定其經濟可行性。當棄渣實際可用量大于臨界產量時，經濟效益大于零，棄渣利用經濟可行，否則棄渣利用不可行。

1.3 場內外交通狀況

交通狀況分析主要從工程開挖部位附近交通地勢狀況、砂石加工系統建設與砂石骨料運輸難度、設備運輸與安裝方便程度等方面考慮棄渣利用的可行性。交通、地勢狀況決定著砂石加工系統建設難度、砂石骨料輸出及其輻射范圍等，直接影響工程棄渣的實際利用率。交通狀況差、地形陡峭、沒有充足的砂石加工系統建設場地、加工設備運輸與安裝困難等原因，將導致工程棄渣無法加工利用；另外，砂石骨料通常采用公路運輸，如沒有可利用的道路，則需新建運輸道路，因地形陡峭等原因而無法修建時，砂石加工系統制備的砂石骨料則無法向周邊運輸，造成輻射范圍小、利用率低，從而因經濟性不合理而變得不可行。因此交通、地勢狀況也是工程棄渣利用可行性分析的重要內容。

可見，工程棄渣利用可行性分析體系的3個方面相互獨立而又緊密聯系，共同構成一個有機整體，其中任何一方面都不可或缺，都是決定工程棄渣利用是否可行的重要因素。

2 關鍵技術

砂石骨料制備加工技術是決定工程棄渣能否成功利用的關鍵。其關鍵技術主要包括棄渣回采甄選、砂石骨料加工工藝、砂石加工系統選址與布置、廢水處理、粉塵與噪聲治理等。

2.1 棄渣回采甄選

礦山開采的石材巖性單一，性能穩定，質量差異小，有利于保證其制備砂石骨料的質量，利用工程棄渣與開采礦山制備砂石骨料不同，工程棄渣具有以下不同特點：

（1）工程棄渣大都來自不同部位或單位，巖石特性會存在一定差異，其巖性、抗壓強度、風化程度等的波動性加大了母材的差異性和復雜性，難以保證母材的質量及其穩定性。

（2）工程棄渣夾土等雜質較多。相比于礦山開采的石料，工程棄渣潔凈度較低，棄渣的利用需采取適當的除雜去土措施。

（3）工程棄渣來源廣，有明挖料、洞挖料或明挖與洞挖混合料。工程開挖主要采用爆破法，其中隧道開挖時因受橫截面設計尺寸影響，爆破面小且爆破點集中，從而導致爆破后的洞渣平均尺寸相對于礦山開采石料要小，且粉料較多，石料裹粉較厚。據調查統計，礦山開采的石料尺寸主要集中在400～1 000 mm，而隧道洞渣石料尺寸主要集中在200～650 mm。

針對工程棄渣特點，若將工程棄渣全部混合堆放于渣場，勢必造成母材的不均一和不穩定，性能波動更加顯著，最終降低其制備砂石骨料的質量，因此需對棄渣進行初步甄別和分類，從源頭上最大限度降低母材的質量波動。首先，工程開挖前，將現場施工測量數據與地勘資料進行對照，判斷不同開挖部位所對應的巖性、強度及風化程度等，以及是否可作為制備砂石骨料的原料，從源頭上優選工程棄渣。然后，在開挖過程中，再有根據地對洞渣進行大致甄別，如優選整體性好、強度高、性能滿足要求的巖石用于制備砂石骨料，當開挖進入破碎帶、含泥地層、軟弱地層等時，開挖的渣料不用于制備砂石骨料。最后，將運至渣場的棄渣按不同品質分類分開堆放，回采時對其進行挑選，分別生產[5]。這樣對于同一料堆而言，棄渣質量差異小、性能穩定、利于分類利用，從而保證制備砂石骨料的質量。

2.2 砂石骨料加工工藝

砂石骨料生產分為破碎、篩分、制砂等主要環節，其加工工藝設計理念為“多碎少磨、以破代磨、破磨結合”，加工料源巖石的特性直接影響砂石骨料加工工藝設計。根據加工料源的巖石性質、加工工藝重點進一步研究生產方法、破碎、篩分及制砂方式等。

2.2.1 生產方法

砂石骨料生產方法包括干法、濕法和干濕法結合3種[6]。粗骨料生產宜采用濕法生產，但濕法生產帶來廢水處理等冗余工序，目前通常采用干法生產；細骨料通常采用干濕法結合或干法生產。

（1）濕法生產：指在骨料篩分過程中，用水對骨料進行沖洗。適用于原料中含泥或軟弱顆粒多、細骨料石粉含量偏高等情況，可采用濕法生產去除部分石粉。優點是篩分效率高，骨料表面潔凈，生產過程無揚塵；缺點是用水量大，廢水處理難度大，細骨料石粉流失嚴重，脫水困難。

（2）干法生產：指在骨料生產過程中不進行沖洗或洗泥作業，而僅在粗骨料進入成品料倉前采用沖洗篩對其進行沖洗或不沖洗。主要適用于原料清潔和細骨料成砂率低、石粉含量低的砂石加工系統。優點是用水量少，石粉流失量少，廢水處理量少或無廢水處理；缺點是揚塵一般較大，需封閉揚塵大的部位，并配置除塵設備，原料含水時細骨料不易篩透。

（3）干濕結合生產：一般指采用濕法生產粗骨料與干法生產細骨料相結合的生產工藝。主要適用于原料含泥量偏高且細骨料石粉含量偏低的砂石加工系統。優點是兼有干法生產和濕法生產的優點，耗水量較少，廢水處理量不大，粗骨料表面清潔，細骨料石粉流失少，揚塵少；缺點是制砂原料經水洗再進入制砂設備立軸式破碎機前需進行脫水（原料含水率一般不大于3%，否則嚴重影響制砂效果）。

2.2.2 破碎

破碎是砂石骨料制備的核心。破碎段數的選擇和破碎設備的配置是否合理直接影響砂石加工系統的生產能力、產品質量、生產成本等重要技術經濟指標，需根據破碎巖石的巖性、硬度、給料粒徑、需要的處理能力并結合其他因素綜合分析確定。

對于難破碎、磨蝕性強的巖石，如玄武巖、花崗巖、流紋巖等，通常選用3段破碎，粗碎常選用顎式或旋回破碎機，中碎選用破碎比相對較大的中型圓錐破碎機，細碎選用短頭型圓錐破碎機。對于中等可碎或易碎巖石，如石灰巖、大理巖等，可采用2段或3段破碎，粗碎常選用破碎比較大的反擊式或錘式破碎機，中、細碎選用反擊式或圓錐破碎機。選用反擊式破碎機作為粗碎設備時，應進行粗骨料生產級配與使用級配的平衡復核；選用反擊式破碎機作為中、細碎設備時，應進行破碎試驗并根據試驗成果核算各級粗骨料中的中徑篩余。

破碎加工有開路、閉路和分段閉路3種形式，典型工藝流程見圖1。采用開路生產時，流程簡單，無循環負荷量，車間布置較為簡單，但級配調整靈活性差，平衡后可能有部分棄料；采用閉路生產時，骨料級配易調整，車間布置相對集中，但流程復雜，循環負荷量大，處理效率低；采用分段閉路生產時，骨料級配調節靈活，循環負荷量相對較小，但車間數量相對較多，運行管理相對復雜。目前砂石加工系統通常采用分段閉路生產粗骨料，當采用立軸式破碎機（或制砂樓）制砂時，應與檢查篩分構成閉路生產。

2.2.3 篩分

篩分是控制砂石骨料粒徑的關鍵，原料經破碎后配置篩分設備進行篩分分級，目前常用的篩分設備有自定中心振動篩、重型振動篩、直線振動篩和高頻篩等。自定中心振動篩廣泛應用于給料均勻的中、細顆粒篩分；重型振動篩用于篩分粗粒物料，篩孔尺寸可達250～400 mm，常作預篩分，處理超徑石；直線振動篩用于粗、中、細物料的篩分，也可適用于脫水；高頻篩篩分效率高，適用于篩分粒徑小的物料。振動篩的配置應根據原料的含泥量、可洗性、所需處理能力、篩分原料的級配曲線等確定，在計算篩分處理能力時，應計入給料量的波動，多層篩應逐層計算，按最不利層選擇型號并校核出料端的料層厚度，要求篩網出料端的料層厚度不大于篩孔尺寸的3～6倍（用于脫水時取小值）。

圖1 破碎加工典型工藝流程

2.2.4 制砂

制砂是砂石骨料制備的關鍵。從20世紀60年代以來我國經歷的主要制砂方式包括：棒磨機制砂、立軸式沖擊破碎機制砂、棒磨機與立軸式沖擊破碎機聯合制砂、2級立軸式沖擊破碎機聯合制砂（常速立軸式沖擊破碎機單獨制砂，高速立軸式沖擊破碎機整形配合調節），以及最新使用的塔式制砂樓系統制砂等，典型工藝流程見圖2。棒磨機制砂適宜濕法生產，立軸破碎機和塔式制砂樓系統適宜干法生產。目前我國普遍采用的是棒磨機與立軸式沖擊破碎機聯合制砂、2級立軸式沖擊破碎機聯合制砂及最新使用的塔式制砂樓系統制砂等。對于硬度特別高、特別難破碎的巖石，通常采用棒磨機與立軸式沖擊破碎機聯合制砂；易碎巖石或中等可碎巖石通常采用2級立軸式沖擊破碎機或塔式制砂樓系統制砂。

圖2 制砂典型工藝流程

（1）棒磨機制砂軟硬巖石均適用，是早期砂石加工系統的主要制砂方式，目前一般用于調節砂的石粉含量和細度模數，不作為主要制砂設備。優點：結構簡單、操作方便、設備可靠、可全開路生產，無需配套檢查篩分，大大簡化工藝流程；產品粒形好，粒度分布均勻，細度模數可調，質量良好穩定。缺點：噪聲大、單位能耗高、鋼棒耗量與耗水量大，需配置污水處理設施，運行成本高，如三峽工程下岸溪砂石加工系統加工原料斑狀花崗巖，單臺MBZ2136棒磨機制砂量25～35 t/h，每生產1 t砂鋼棒消耗量0.5～0.9 kg，需水量1.0～1.5 t，細砂流失達30%～35%[6]；進料粒徑小，一般小于25 mm。

（2）立軸式沖擊破碎機制砂：一般當原料為難碎巖石、磨蝕性較強時，宜選用“石打石”立軸式沖擊破碎機；原料為中等可碎或易碎巖石、磨蝕中等或較弱時，宜選用“石打鐵”立軸式沖擊破碎機。優點：處理能力大，噪聲小，單位能耗低。缺點：砂細度模數和石粉含量等參數不易調節和控制，如采用干法生產，石粉含量普遍偏高，如原料易碎，砂石粉含量一般偏高，細度模數偏低，若原料中等可碎或難碎則正好相反；級配不合理，粗顆粒偏多，需與檢查篩分構成閉路循環生產。

（3）棒磨機與立軸式沖擊破碎機聯合制砂是目前普遍采用的制砂方式。優點：可根據原料變化靈活調節砂的細度模數和石粉含量，保證成品砂質量。缺點：工藝流程較復雜、設備品種多，保留了棒磨機及其不足之處[7]。

（4）2級立軸式沖擊破碎機聯合制砂也是目前普遍采用的制砂方式。優點：解決了棒磨機制砂運行成本高、產能低等問題。缺點：流程復雜。

（5）塔式制砂樓系統是最新使用的制砂方式，也是未來制砂方式發展趨勢。該制砂樓采用全封閉結構，完全與外界隔絕，噪聲低、無排放；采用了空氣篩，比一般制砂設備分級精度更細更準確，分離合格砂與石粉。

2.3 砂石加工系統選址與布置

砂石加工系統形式主要有固定式和移動式2種，目前大中型系統普遍采用固定式，對于線性工程（如鐵路、公路等）等的小型砂石加工系統宜采用移動式。移動式砂石加工系統采用模塊式組裝，將破碎、篩分和制砂等工藝環節由相關設備組合成一體，能夠隨料源工作面的推進而移動并進行現場破碎，且縮短了各流程間的運輸距離。

砂石加工系統布置應根據系統規模和形式、生產工藝、周邊環境等情況進行合理規劃，并滿足技術先進、施工方便、運行可靠、經濟良好、安全環保等要求。

2.4 廢水處理

砂石加工系統生產過程中排放的廢水不含化學成分，一般采取物理法進行處理，常用處理方式為沉淀和固液分離式。沉淀處理一般采用預沉和沉淀2級；固液分離式首先將排放的廢水進入濃縮池進行濃縮，濃縮達到一定濃度的廢渣進行機械脫水，濃縮池溢流水進入沉淀池澄清。

沉淀式廢水處理方式降低了水回收系統投資，操作運行較簡單，但占地面積大，水回收利用率受外界限制，特別是廢渣處理受氣候限制，如常年平均氣溫不高、雨季較長、雨量較大，對廢渣自然干化脫水十分不利，極大限制水回收系統正常運行。

固液分離式廢水處理方式占地面積小，機械脫水干化不受天氣和氣溫影響，有效保證水回收系統正常運行，回收利用率較高，一般可達到70%以上，但工程投資較高。

目前砂石加工系統廢水處理通常采用沉淀與固液分離相結合的方式，即先將一部分粗顆粒沉淀分離，細顆粒通過濃縮后再利用機械方式進行脫水。這樣既可保證廢水處理系統的正常運行，又控制了成本。

2.5 粉塵與噪聲治理

砂石骨料在破碎、篩分、輸送等過程中，產生粉塵和噪聲，不僅會對環境造成污染，而且嚴重影響操作人員及周圍居住人員的身體健康。需采取措施，達到國家衛生標準和排放標準要求。

砂石加工系統粉塵主要來源于破碎、篩分分級、物料轉送和輸料斜槽等環節。一般采取灑水噴霧降塵、生物納米技術抑塵和除塵設備收塵相結合的處理方式。

砂石加工系統產生噪聲的環節主要有：破碎機運轉、破碎巖石、篩分機運轉、篩分石料、卸料溜槽與漏斗等。控制噪聲的主要措施有降低聲源級和控制噪聲外泄強度，如選擇低噪設備，降低噪聲強度；選擇合適的降噪材料，減弱噪聲；使用隔音材料，阻斷傳播途徑或在傳播過程中減弱噪聲強度；使用噪聲個體防護器材。

3 質量控制

砂石骨料常見的質量問題有：砂石骨料分離、混雜、污染、軟弱顆粒含量超標等，粗骨料二次破碎、超遜徑、裹粉、針片狀等，細骨料含水率、細度模數和石粉含量等控制問題。為保證砂石骨料質量，主要從母材質量控制、生產過程控制和成品檢查驗收3個方面加強質量控制[8]。如母材方面，從源頭優選棄渣，對棄渣進行晾曬，并強化渣場排水系統等。

4 水電工程棄渣制備砂石骨料典型實例

云南大朝山、溪洛渡、白鶴灘，湖北三峽，西藏加查，河南天池抽水蓄能水電站全部或部分采用工程開挖棄渣料制備的砂石骨料。以大朝山水電站為例，位于云南瀾滄江中游河段上，樞紐建筑物主要由攔河壩和地下廠房系統、長尾隧洞組成。攔河壩為碾壓混凝土，主體工程混凝土約200萬m3，共需砂石骨料約325萬m3，所需砂石骨料全部由那戈河砂石加工系統提供，需原石料約190萬m3。原石料取自工程洞挖和部分明挖的可用玄武巖石渣，以洞挖石渣為主，明挖石渣為輔，洞挖石渣利用約180萬m3，明挖石渣約10萬m3。

那戈河砂石加工系統靠近棄渣場布置，采用固定式，系統規模按混凝土高峰時段月平均澆筑強度10萬m3設計，毛料處理能力800 t/h，砂石骨料生產能力684 t/h。生產方法采用濕法生產，閉路形式，生產工藝采用3段破碎，2級篩分，棒磨機與旋盤式破碎機聯合制砂工藝，其中粗碎為旋回式破碎機，中碎和細碎均為圓錐式破碎機，篩分為圓振動篩。

通過試驗研究和檢測，那戈河砂石加工系統充分利用工程棄渣，所生產的砂石骨料質量優良，滿足大朝山水電站工程建設的要求，節約了大量工程投資，同時又妥善解決了棄渣堆放問題，社會效益和經濟效益顯著[9]。

5 結論

通過利用工程棄渣制備砂石骨料的研究及其應用于工程建設的實踐分析，得出以下結論：

（1）工程建設開挖料常常作為廢渣丟棄，既占用土地資源又影響環境。正確處理好工程建設和生態保護的關系，實現工程棄渣的資源化利用是建設綠色工程的必然要求。

（2）針對工程建設棄渣量和砂石骨料需求量大的問題，利用工程棄渣制備砂石骨料，既消耗了工程棄渣，又解決了工程建設用砂石骨料的難題，實現工程棄渣資源化利用。

（3）砂石骨料制備技術快速發展，新型設備和關鍵技術不斷推陳出新，合理選擇砂石骨料加工工藝和設備等，并通過加強質量控制，為工程建設提供優質的砂石骨料。