我國的水能資源理論蘊藏量達6.9億kw，居世界第一位。水能資源是可再生的清潔能源，國家對我國能源結(jié)構(gòu)中僅次于煤炭資源的水能開發(fā)極為重視，改革開放以來的三十多年時間里，在我國廣闊國土的大江大河上興建了一大批水電和水利工程，使我國的水電裝機容量和年發(fā)電量都躍居世界首位，成為名副其實的“水電王國”。與此同時，隨著這些工程的建成，其周圍地區(qū)的生態(tài)環(huán)境得到顯著改善，當(dāng)?shù)亟?jīng)濟獲得快速發(fā)展。

近二十年來，三峽工程和其后在我國西部地區(qū)的金沙江、雅礱江、瀾滄江、大渡河等大江大河上一批大型、特大型水電工程的興建，水工混凝土骨料技術(shù)遇到空前挑戰(zhàn)并獲得快速發(fā)展，在發(fā)展過程中形成了自身的特點。

水電工程混凝土量大而集中，一般在工程現(xiàn)場附近勘查選擇混凝土骨料料源并建立集中的大型骨料生產(chǎn)系統(tǒng)向用戶供應(yīng)骨料。一些巨型工程，如舉世矚目的三峽水利樞紐混凝土總量達到2800萬m3以上，近期在建的一些大型工程的混凝土量也都在千萬m3以上。混凝土的質(zhì)量對整個工程成敗起著決定性作用。

水工混凝土，特別是最關(guān)鍵的大壩混凝土的骨料，不論體積或重量都要占到混凝土的85%以上，而骨料是混凝土組成材料中唯一在現(xiàn)場生產(chǎn)的當(dāng)?shù)亟ㄖ牧希淞显催x擇、生產(chǎn)工藝、設(shè)備選型以至生產(chǎn)管理、質(zhì)量控制決定著砂石骨料的品質(zhì)。由于水電工程的特殊性（工程的重要性和處于深山峽谷），歷來對大壩混凝土骨料料源勘探選擇及骨料加工技術(shù)極其重視，在長期工程建設(shè)實踐中探索、積累了許多寶貴經(jīng)驗教訓(xùn)，主要有以下幾方面。

1 高度重視混凝土骨料料源選擇。

全面比較原巖質(zhì)量和骨料質(zhì)量、混凝土性能、開采運輸、移民征地、環(huán)保、工程投資等各個要素，最終確定技術(shù)可行、經(jīng)濟合理的料源。

1.1 重視骨料的綜合性能和對混凝土性能的綜合影響。

水電工程重視料源母巖的穩(wěn)定性和骨料的綜合性能要求（如骨料強度、有害物質(zhì)的影響、堅固性和吸水率、骨料級配、粒形等），同時更重視骨料對混凝土性能的影響（如混凝土工作性、強度、彈模、極限拉伸、干縮、自身體積變形、徐變、熱學(xué)性能等）。如金沙江白鶴灘水電站可研前期曾考慮采用玄武巖開挖料作為粗骨料，系統(tǒng)研究后發(fā)現(xiàn)開挖料玄武巖可細分為多種巖性，存在較大差異，部分巖性（角礫熔巖和凝灰?guī)r）必須剔除，后選用穩(wěn)定性好、混凝土綜合性能較優(yōu)的距壩址30余公里的旱股地灰?guī)r料場。

1.2 重視堿骨料反應(yīng)試驗分析。

所有大中型工程料源都經(jīng)過這一試驗分析，我國水電界從上世紀50年代開始即注意避免使用堿活性骨料并控制水泥含堿量，因此在已建成的大中型水電工程中，迄今尚未發(fā)現(xiàn)一例堿骨料反應(yīng)。如金沙江向家壩水電站雙河灰?guī)r料場具有潛在危害性碳酸鹽活性，后選為距壩址59km（直線距離30km）的太平灰?guī)r料場。有時工程受技術(shù)、經(jīng)濟條件限制，不得不采用活性骨料，如四川雅礱江錦屏一級和青海黃河拉西瓦水電站兩個高拱壩；《防止新建混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生堿硅反應(yīng)的指南》曾用于雅礱江錦屏二級水電站論證結(jié)構(gòu)混凝土能否采用砂巖活性骨料，取得了較好的效果。

1.3 對機制砂石粉含量的研究不斷深入，并取得成果。

有的工程機制砂產(chǎn)品中石粉含量已接近30%。例如四川雅礱江錦屏二級水電站大理巖石粉高達30~40%，甚至50%，采取工藝措施分離后仍達28.9%。大理巖是一種碳酸鹽變質(zhì)巖，化學(xué)組成與石灰?guī)r石粉相近，需水量比96%，接近1級粉煤灰，經(jīng)試驗<45μm含量>80%，微細顆粒可當(dāng)摻合料用，改善以水泥為主的膠凝材料的顆粒級配，降低混凝土單位用水量，改善混凝土性能。又如廣西右江百色工程人工砂石粉含量達到26~28%，但其中有相當(dāng)數(shù)量石粉顆粒粒徑僅2~3μm，經(jīng)試驗將部分石粉等量替代水泥，作為摻合料對待，混凝土質(zhì)量良好。

1.4 對機制骨料有特殊要求的工程，在工程區(qū)內(nèi)無法選擇單一骨料時，亦可用組合骨料。

如金沙江溪落渡工程粗骨料用玄武巖開挖料，細骨料用灰?guī)r。錦屏一級粗骨料用變質(zhì)砂巖，細骨料用大理巖。

1.5 逐漸重視巖石加工性能研究。

湖南沅水五強溪水電站的石英砂巖、浙江西溪、周公宅兩水庫的熔結(jié)凝灰?guī)r、四川雅礱江錦屏一級的變質(zhì)砂巖在加工性能上都有很大教訓(xùn)，引起對巖石加工性能的重視，逐漸認識到前期料源選擇中進行巖石小型試驗（巖石功指數(shù)和磨蝕性指數(shù)）的重要性，傳統(tǒng)大型試驗的局限性，在新編制的水電砂石系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范中已明確料源必需做小型試驗。

1.6 重視料場巖石表層風(fēng)化、灰?guī)r料場溶蝕夾泥的研究。

如金沙江觀音巖水電站龍洞料場在開采進程中溶蝕夾泥不斷增加，系統(tǒng)運行困難，廢水處理負擔(dān)加大，促使今后對這類料源在前期勘探階段和設(shè)計階段要重視溶蝕夾泥問題。

1.7 重視料源選擇中的移民和環(huán)保問題。

2 針對不同母巖巖性，不斷發(fā)展骨料加工技術(shù)。

2.1 我國水電工程砂石骨料遇到巖石的多樣性和復(fù)雜性是罕見的。近幾年西部一些大型水電工程的建設(shè)促進了砂石加工技術(shù)的新發(fā)展，加工技術(shù)適應(yīng)了料源的多樣性。已遇到過的巖石種類有灰?guī)r、花崗巖、玄武巖、砂巖、流紋巖、凝灰?guī)r、片麻巖、正長巖、輝綠巖、砂板巖、大理巖、白云巖等。

2.2 西部一些大型水電工程（例如瀾滄江小灣水電站、雅礱江錦屏一級水電站）料場特別困難的地形、地質(zhì)條件下成功采用了豎井、斜井開采運輸（最大高差達513m），為今后更加困難的工程建設(shè)創(chuàng)造了新經(jīng)驗。

2.3 長距離帶式輸送機在大型水電工程陸續(xù)成功使用，使得工程運量最大的運輸方式有了新的擴展。

帶式輸送機（以下簡稱帶機）是輸送量大、能耗低又環(huán)保的運輸機械，在各行業(yè)和水電工程有廣泛應(yīng)用。長距離帶式輸送機（以下簡稱長帶機）在國內(nèi)其他行業(yè)早已使用（1997年南京金陽水泥廠單條帶機長15.8km），水電工程從龍灘工程開始使用長帶機（2003年，長4km），其后向家壩水電站于2007年投入31.1km的長帶機線，為世界之最。其耗電量僅為0.1kwh/t.km，單位運輸成本僅為0.32元/t.km，低碳環(huán)保，無移民問題，創(chuàng)造了巨大的技術(shù)、經(jīng)濟、社會效益。2009年錦屏二級工程引進國外5.9km的空間曲線返程帶料長帶機投入運行，同年龍開口工程6km長的國產(chǎn)空間曲線長帶機投入運行，經(jīng)三年多運行，兩工程的應(yīng)用都非常成功，具有里程碑意義。突出顯示了長帶機在運輸能力、能耗、經(jīng)濟指標(biāo)、環(huán)保等方面的優(yōu)越性，今后必將成為砂石運輸?shù)氖走x設(shè)備。同時，長帶機的成功應(yīng)用，還為優(yōu)選混凝土骨料料源擴展了更大的范圍。

2.4 制砂工藝是砂石生產(chǎn)技術(shù)的核心。

早期水電工程骨料多用天然骨料，上世紀六十年代以來經(jīng)歷了棒磨機制砂、圓錐機制砂、立軸破與棒磨機聯(lián)合制砂、單級立軸破制砂、兩級立軸破制砂等方式，從國內(nèi)水電工程的實踐來看，一般都能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，但這些方式還存在一些不足之處，特別是要進一步提高砂石產(chǎn)品品質(zhì)，突破現(xiàn)行規(guī)范指標(biāo)，達到優(yōu)質(zhì)砂石水平還有很大困難。最近有國內(nèi)企業(yè)在引進國外制砂設(shè)備技術(shù)基礎(chǔ)上，可以提供環(huán)保型干法生產(chǎn)的全套制砂設(shè)備，砂的成品指標(biāo)遠優(yōu)于國內(nèi)規(guī)范的規(guī)定，且整條生產(chǎn)線可做到低塵、低噪音生產(chǎn)。優(yōu)質(zhì)砂石產(chǎn)品為生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)混凝土打下了堅實基礎(chǔ)。

本世紀初，日本根據(jù)天然砂資源短缺、禁采和混凝土需要更高指標(biāo)細骨料的市場需求，開發(fā)出V7制砂系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由專門設(shè)計的整形立軸破和空氣篩以及鼓風(fēng)機、收塵器、加濕機等部分組成。整形立軸破的進料來自上一級立軸破小粒徑排料（小于13mm），破碎后的成品砂排至空氣篩，利用鼓風(fēng)機風(fēng)量變化、控制調(diào)節(jié)門的開度以及收塵器抽風(fēng)機風(fēng)量變化等原理來調(diào)節(jié)砂的細度模數(shù)和石粉含量。干法生產(chǎn)出的成品砂通過加濕機后，保持含水率穩(wěn)定。

V7系統(tǒng)的成品砂細度模數(shù)可在2.4~3.0范圍內(nèi)調(diào)節(jié)、波動值在±0.1內(nèi)，砂的粒形接近球形，石粉含量和粒度亦可調(diào)整，砂含水率可穩(wěn)定在2%內(nèi)，同時均按事先設(shè)定的模式程序化自動生產(chǎn)運行，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。

國內(nèi)企業(yè)已在2012年引進該項技術(shù)，并在國內(nèi)生產(chǎn)制造。

2.5 此外，近期水電工程還解決了干法石粉分離技術(shù)、粗骨料整形技術(shù)、細顆粒分離技術(shù)等難題，為進一步提高砂石品質(zhì)積累了豐富經(jīng)驗。

結(jié)論：組成混凝土的諸多材料中，除砂石外的其他材料均由工廠生產(chǎn)供應(yīng)，品質(zhì)較有保證，只有用量最大的砂石由現(xiàn)場加工，其質(zhì)量指標(biāo)會因各種因素產(chǎn)生波動，進而影響混凝土性能。現(xiàn)在砂石加工工藝和設(shè)備的發(fā)展具備制出質(zhì)量指標(biāo)更優(yōu)的優(yōu)質(zhì)骨料條件，從而為長壽命優(yōu)質(zhì)混凝土提供了原料保證。

3 關(guān)于優(yōu)質(zhì)高性能混凝土及優(yōu)質(zhì)骨料。

在總結(jié)近20年大型水電工程骨料技術(shù)的基礎(chǔ)上，中國水力發(fā)電工程學(xué)會施工專業(yè)委員會于2013年8月和11月分別在杭州和成都舉辦了兩次“優(yōu)質(zhì)混凝土與骨料技術(shù)研討會”。按照高性能混凝土的要求，對骨料技術(shù)明確了今后努力方向和實施步驟。

3.1 首先要慎重選好混凝土骨料料源。除了開采運輸、移民征地、環(huán)保、工程投資等各個要素外，要特別注意原巖質(zhì)量和骨料質(zhì)量、混凝土性能，最終確定技術(shù)可行、經(jīng)濟合理的料源。要注意以下幾點：

 (1)有關(guān)優(yōu)質(zhì)混凝土和優(yōu)質(zhì)骨料。不同工程原材料存在較大差異，建議根據(jù)具體工程實際情況和相關(guān)試驗成果，確定優(yōu)質(zhì)混凝土的具體指標(biāo)；同時建議核算不同壽命混凝土工程的工程成本，以鼓勵建設(shè)單位建造長壽命混凝土，保持混凝土工業(yè)和國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。

 (2)人工砂石粉中的云母含量如超標(biāo)，可通過混凝土試驗論證，確定是否允許超標(biāo)使用。

 (3)對規(guī)范中未規(guī)定的有害物質(zhì)限值，如黃鐵礦，由于其對混凝土的有害作用，建議通過骨料和混凝土試驗規(guī)定限值，并建議今后修改規(guī)范時明確其試驗方法及其限值。

 (4)人工砂中石粉含量超標(biāo)問題。考慮到不同巖性巖石的石粉對混凝土性能影響規(guī)律存在差異，如灰?guī)r石粉在含量適度的情況下對混凝土是有利的，建議根據(jù)具體工程實際情況通過混凝土試驗確定合理限值。

 (5)對骨料技術(shù)要求是否全部滿足規(guī)范才能使用問題。要根據(jù)具體情況而定，如骨料個別指標(biāo)不合格，或超標(biāo)不多，不應(yīng)立即否定，建議相關(guān)規(guī)范中規(guī)定通過混凝土試驗論證存在不合格項指標(biāo)的骨料可用性。

 (6)關(guān)于人工骨料小型試驗問題（巖石的功指數(shù)和磨蝕性指數(shù)）。小型巖石試驗簡單易行，是國外通行的做法，其試驗結(jié)果對確定巖石加工性能有重要參考作用，《水電工程砂石加工系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》（DL/T5098-2010）已規(guī)定大型、特大型砂石加工系統(tǒng)，宜對所選料源石料做小型試驗，但不少工程仍未執(zhí)行，建議今后水電工程料源選擇應(yīng)按新規(guī)范執(zhí)行。大型生產(chǎn)性試驗在料源選擇階段是否進行，建議視具體工程情況而定，一般可不進行，只在對所加工巖石完全缺乏經(jīng)驗時再確定是否進行試驗。

 (7) 對料源選擇階段時工程投資計算比較問題。建議除計算料源的直接費用外，還應(yīng)考慮膠材用量、溫控、后續(xù)工程修補維護等費用作比較，同時進一步探討全生命周期總投資比較的可行性。

3.2 關(guān)于骨料精細化、環(huán)保生產(chǎn)成套技術(shù)

我國砂石年生產(chǎn)量約100-110億噸，反推混凝土澆筑量約為50億m3，大型水電工程生產(chǎn)的砂石產(chǎn)品指標(biāo)基本能達到現(xiàn)行國家規(guī)范要求，澆筑的混凝土也是合格的。但是大量民用砂石廠生產(chǎn)的砂石產(chǎn)品不能保證都達到國家規(guī)范要求，有的甚至采挖海砂不經(jīng)處理直接拌制混凝土，存在嚴重的質(zhì)量隱患，混凝土結(jié)構(gòu)壽命難以保證。為使我國砂石生產(chǎn)能按國家規(guī)范生產(chǎn)供應(yīng)，特別是大型水電和重要基建工程（如高速鐵路、大型橋梁、核電等）更應(yīng)向精細化生產(chǎn)方向努力，力爭生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)砂石骨料，為優(yōu)質(zhì)長壽命混凝土打下堅實的原料基礎(chǔ)。

目前砂石生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，已能生產(chǎn)質(zhì)量較好的粗、細骨料，其中細骨料細度模數(shù)及其變化在2.4-3.0范圍內(nèi)任選，波動值可控制在±0.06以內(nèi)，機制砂的級配和粒形、石粉含量、含水率等能做到較精確控制，其性能可以保持較高的穩(wěn)定性。優(yōu)質(zhì)骨料對降低混凝土單位用水量和膠材用量，提高混凝土的工作性和密實度極為有利，從而可提高混凝土耐久性。建議大力推廣能夠生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)骨料的精細化、環(huán)保生產(chǎn)成套技術(shù)。

3.3 關(guān)于骨料級配。

美國ACI207.IR-05中規(guī)定小石(5-19mm)分為兩級，分級界限為9.5mm，我國雅礱江二灘、黃河小浪底工程的國外承包商均將機制砂分為兩級（0-1.2mm，1.2-4.8mm），國內(nèi)對小石和砂不分級。小石和砂的分級對混凝土性能是有利的，特別是在級配不良或波動時，分級更為有利。建議通過混凝土試驗論證分級的合理性，并建議將砂的分級納入今后規(guī)范修改內(nèi)容。

3.4 制砂工藝

制砂工藝應(yīng)根據(jù)不同的原巖狀況決定生產(chǎn)方式,有濕法和干法兩種基本生產(chǎn)方式，各有利弊。濕法生產(chǎn)需要一套污水處理系統(tǒng)，干法生產(chǎn)則存在粉塵污染，需要一套收塵系統(tǒng)。由于國內(nèi)一些單位過去采用干法生產(chǎn)時不注意粉塵收集，造成環(huán)境污染，許多人就此而反對用干法生產(chǎn)。實際上這兩種方式不應(yīng)對立，而是相輔相成，各有不同的適用條件。一般來說濕法適用于巖石中含泥量較高的條件，干法則相反。國外（如日本）對這兩種方式結(jié)合使用解決得比較好，把料源中含泥多的部分先篩出來用濕法生產(chǎn)，其余大部分用干法生產(chǎn)，其產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)非常好，砂的細度模數(shù)可在2.4-3.0范圍內(nèi)任意調(diào)整，且波動值做到在±0.06之內(nèi)，并可控制石粉的粒徑和含量。由于有嚴格的除塵系統(tǒng)，現(xiàn)場無粉塵污染。至于半干法生產(chǎn)是國內(nèi)過去曾發(fā)展出來的一種制砂工藝，在條件合適時采用這種工藝比較經(jīng)濟，但在原巖含泥量較大時則應(yīng)慎重采用。

3.5 石粉含量和粒徑控制

我國混凝土施工規(guī)范對碾壓混凝土和常態(tài)混凝土用砂提出了砂的石粉含量的不同要求，不少工程的實踐和研究（如百色、錦屏）表明砂中石粉（特別是碳酸鹽類巖石）在一定含量和粒徑條件下對混凝土是有益的，而且其中的細粉（小于75μm或45μm）含量還需有一定比例。現(xiàn)在發(fā)展起來的制砂工藝應(yīng)做到石粉含量和粒徑的控制。

3.6 砂的含水率控制

我國混凝土施工規(guī)范要求砂的含水率小于6%，不少工程沒有完全做到，特別是有的工程料源開采過程中出現(xiàn)難透水的夾層，即使長時間堆放成品砂，含水率還大大超標(biāo)。混凝土的研究表明，混凝土中含水量及其波動對混凝土耐久性極為不利，作為骨料加工工藝就要從制砂工藝上思考，采用環(huán)保型干法生產(chǎn)可以有效控制砂的含水率穩(wěn)定在2-3%之內(nèi)。

3.7 粗骨料粒形

對呈片狀分布的巖石，加工后易出現(xiàn)粗骨料針片狀超標(biāo)現(xiàn)象，由于沖擊破碎產(chǎn)品的粒形較好，對這類巖石建議今后工藝設(shè)計考慮利用反擊破和立軸破生產(chǎn)的方案，立軸破同時生產(chǎn)砂和中小石，可以顯著改善粗骨料的粒形。

目前對粗骨料粒形用針片狀含量來衡量是值得研究的，建議研究用圓度系數(shù)更為科學(xué)。國外的方法見下圖。

3.8 關(guān)于地下開采問題

目前料場開采都用露天開采方式，造成高邊坡穩(wěn)定和環(huán)保問題，特別是當(dāng)前大規(guī)模的民用石料場開挖，造成嚴重的環(huán)境破壞。國外有的國家石料采用地下開采，國內(nèi)有一個水電站料場出現(xiàn)料源不夠時，曾研究過地下開采方案，其成本比另選料場還低（包括林地賠償）。今后在環(huán)境條件較嚴時，應(yīng)積極研究地下開采方案。

3.9 環(huán)保技術(shù)

目前環(huán)保指標(biāo)都有明確要求，當(dāng)采用濕法生產(chǎn)時，污水處理是很大問題。水處理工藝主要由預(yù)處理、中間處理、末端處理三部分構(gòu)成。預(yù)處理要解決粗顆粒（細砂和石粉）回收，主要采用螺旋洗砂機、鏈條刮板機、砂水分離器等；中間處理用過高效旋流凈化器、輻流、平（豎）流沉淀池、斜板沉淀池等；末端處理污泥主要用壓濾機、真空過濾機、離心機等。

實際工程往往因投資大、運行費高裝而不用，環(huán)保設(shè)施成為擺設(shè)，DH高效旋流凈化器處理效率高、運行成本低，是值得研究推廣的方式。

結(jié)論：建議在國家規(guī)范一時尚未修訂的情況下，可以先提出優(yōu)質(zhì)骨料的企業(yè)標(biāo)準，分級定價。這樣先從規(guī)范標(biāo)準和政策上下手，鼓勵施工企業(yè)努力探索提高砂石加工工藝，鼓勵設(shè)備制造企業(yè)努力開發(fā)出新設(shè)備，制出優(yōu)質(zhì)砂石骨料，進而提高混凝土施工性能和長期性能，建成優(yōu)質(zhì)工程留給子孫后代。

作者簡介：

阮光華  男  教授級高工  長期從事水電工程施工技術(shù)（包括骨料技術(shù)）研究、設(shè)計和管理，曾任第五屆、第六屆中國水力發(fā)電工程學(xué)會施工專業(yè)委員會常務(wù)副主任兼秘書長，現(xiàn)任第七屆中國水力發(fā)電工程學(xué)會施工專業(yè)委員會副主任。