童 慧，代晓妮，钟聚光，袁 涛

（1.湖南平江抽水蓄能有限公司，湖南省平江县 414500；2.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南省长沙市 410014）

0 引言

目前，砂石骨料是水电工程混凝土施工的主要原材料，其产品质量及供应条件好坏直接影响工程建设质量与造价。云母是常见的岩石矿物成分之一，混凝土用砂中所含云母为有害物质，规范规定混凝土用砂中游离云母含量不得大于2%。我国在云母含量较高岩石地区（如花岗岩地区）进行水电、水利、建筑、交通等工程建设常遇到机制砂中云母含量超标问题，目前仍未有成熟的处理技术，通常采用外购天然砂或其他料源代替，增加了工程造价。

平江抽水蓄能电站工程洞挖料以花岗岩为主，并分布有少量比例的花岗伟晶岩和片麻岩。以花岗岩为主的混合料加工的机制砂游离云母含量为5.1%。本文依托平江抽水蓄能电站采用云母分选工艺降低机制砂的游离云母含量，以期生产出质量合格的成品砂。

为控制云母含量以保证混凝土质量，同时对分选前机制砂（云母含量超过2%）配制的混凝土与分选后机制砂（云母含量满足要求）配制的混凝土性能进行了对比试验研究，以了解及掌握分选机制砂对混凝土性能的影响。

1 分选工艺

云母的选矿方法主要由矿石中矿物的组成、嵌布特征和赋存状态决定，目前一般采用手选、重选[1]、磁选[2]、浮选[3]或多种方法的联合工艺进行分选[4]。水电行业云母分选技术主要有手选、形状选、磁选法、螺旋选矿法、摇床选矿法、跳汰选矿法、风选法等[5]。本工程机制砂中的云母最大粒径为3mm，属于碎云母，云母矿分选方法中的手选、摩擦选、形状选不适用于本工程。综合经济性、环境保护等方面存在的问题，浮选法、磁选法去除机制砂中云母方案实用性不强，故不予采用。重选法相对合理可行，其分选原理相对简单，生产成本适中，可作为本工程云母分选方法的探索方向。以水为分选介质的水洗法适用于湿法生产的砂石加工系统，以空气为介质的风选法适用于干法生产的砂石加工系统。

风选法中，所需要的主要设备为制砂设备、风选机和筛分设备。

1.1 制砂设备

立轴冲击式破碎机为制砂设备，具有结构合理、拆卸方便、破碎效率高等特点。破碎机出料粒度在3～8mm之间，出料粒度细小而均匀，且零件耐用性强，易损件少，其维护保养方便。德国BHS公司RSMX系列转子离心式破碎制砂机就属于立轴冲击式破碎机一种类型，工艺流程如图1所示。

图1 砂石加工系统工艺流程简图Figure 1 Process flow diagram of sand and stone processing system

BHS RSMX转子离心式制砂机是一款配有立轴的高性能破碎机，主要用于物料破碎/制砂和立方体整形，集破碎、整形、制砂、分级于一体，一台即可实现石料破碎整形和制砂的效果；生产能力根据型号从30t/h至400t/h而各异。制砂时最大处理量约300t/h，成砂率高达50%（石灰石）以上，破碎工艺采用“石打石”或“石打铁”的破碎原理，可获得高破碎比和出色的骨料粒形。且级配稳定，粒形圆润，咬合性好，可有效提高混凝土强度，适用于各类高速铁路、港口、桥梁工程及城市建筑工程。

BHS公司RSMX系列制砂机采用的石打石/石打铁破碎原理将磨损降至最小程度。在运行过程中，物料中的每个颗粒在已获专利的双腔式转子中高速旋转，然后甩向固定的反击板。反击板可由环形衬板或由砂床组成。通过转子和壳体的宽大尺寸设计在很大程度上避免了堵塞。选择合适的转速可在很大程度上影响并优化破碎效果。

图3 超细碎德国BHS制砂机Figure 3 Superfine crushing BHS sand making machine in Germany

机制砂加工厂配置直径为4m的轮式洗砂机2台，轮式洗砂机筛网孔径为3mm。两台轮式洗砂机采用串联方式安装，即进行两次洗砂。水洗后的砂进入直线振动筛脱水，洗砂设备现场情况如图4所示。

图4 斗轮式洗砂机Figure 4 Bucket wheel sand washer

加工厂整体采取封闭措施，各车间内粉尘弥漫，车间外环境基本无粉尘污染。毛料暂存堆场设置防雨棚。加工厂除尘设备配置：布袋除尘设备2套，2200t储粉罐1座，500 t储粉罐1座。

机制砂加工厂设置废水储罐2座，絮凝搅拌罐1座，沉淀罐1座，厢式压滤机4台。废水处理工艺：洗砂机废水→废水储罐→絮凝搅拌罐→沉淀罐→厢式压滤机→泥渣运往弃渣场（处理后的废水循环利用）。

1.2 风选设备

本次风选设备采用PL型瀑流式选粉机，它是真正意义上的静态选粉机，内部无传动部件，主要是由一组呈梯级形状平行排列的栅板所构成。待分选的物料成梯形泻落在梯级上，梯级上有分选气流通过，气流将细粉（含云母）从物料中分离出来，并将其输送到细粉出口。通过调节分选气流可以调节排出粗料和细粉的粒度分布和流速。此外，在分级过程中，结团物料在梯级上碰撞时，也能得以很好地打散，从而可以提高分选效率。风选工艺详细流程图如图5所示。

图5 深湘风选工艺流程图Figure 5 Air separation process flow chart of Shenxiang

砂石加工系统与云母风选工艺有效的结合，采用云母风选+细粒筛分的加工工艺，可生成合格机制砂。考虑到平江雨季时间较长，雨水充沛，环保要求高，砂石加工系统需采取干法生产工艺和全封闭措施，以有效控制机制砂含水率小于1%及环保达标。

1.3 筛分设备

根据本工程特点及机制砂去云母方案，拟采用德瑞克2SG3/48-120D-2STK型叠层高频细筛进行风选后粉细砂筛分，筛孔尺寸为0.3mm。高频细筛图片见图6，主要技术参数见表1。德瑞克公司生产的高频细筛主要适用于各种矿物分级（硅砂、石墨、长石、云母、石英等），用于超轻、超细难筛物料效果较好，最小筛网孔径可达0.04mm。

图6 德瑞克公司制造的2SG3/48-120D-2STK型叠层高频细筛Figure 6 2SG3/48-120D-2STK laminated high frequency fine screen manufactured by derrick company

表1 2SG3/48-120D-2STK型叠层高频细筛主要技术指标表Table 1 Main technical indexes of 2SG3/48-120D-2STK laminated high frequency fine screen

本工程机制砂去除云母方案推荐的2SG3/48-120D-2STK型叠层高频细筛，采用孔径0.3mm的聚氨酯筛网，筛网图片如图7所示。

图7 聚氨酯筛网Figure 7 Polyurethane screen

该筛网开孔率高，孔口处加强筋均采用倒三角形式，防堵性强。如图8所示为高频细筛透筛过程。高频细筛可以根据筛分物料的不同设置与筛分物料自然堆积角相近的角度，减少筛机的运行功率，增大筛分效率。

图8 高频细筛透视过程图Figure 8 Perspective process of high frequency fine screen

2 原材料及配合比

2.1 细骨料

本次试验的机制砂由PD4平洞的花岗岩为主、少量花岗伟晶岩、花岗片麻岩进行室内轧制加工而成，通过PL型瀑流式选粉机去除机制砂中的云母，然后利用高频筛反掺制成满足要求的机制砂，分选前和分选后的机制砂品质试验成果见表2。

表2 机制砂品质性能检验成果表Table 2 Quality and performance test results of manufactured sand

2.2 其他原材料

采用的其他试验原材料包括：强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥；需水比为98%Ⅱ级粉煤灰；PCA-Ⅰ聚羧酸高性能减水剂（缓凝型）；GYQ-Ⅰ混凝土高效引气剂。

经检验，以上原材料均符合国家有关规程规范和技术要求。

2.3 混凝土配合比

岩锚梁、板、梁、柱、墙、衬砌设计强度等级C30W6F100（二级配）混凝土试验配合比见表3。

表3 混凝土初选配合比表Table 3 Mix proportion of concrete primary selection

3 试验结果与分析

3.1 云母含量对混凝土拌和物性能的影响

表4为配制相同等级的混凝土和同试验环境的情况下、分选前后机制砂配制的混凝土拌和物性能试验结果。结果显示，满足和易性要求的同时，分选后机制砂配制混凝土用水量比分选前的机制砂减少了5～6kg/m3。

表4 泵送混凝土拌和物性能试验成果表Table 4 Qerformance test results of pumped concrete mixture

3.2 云母含量对混凝土硬化物性能的影响

混凝土硬化物抗压强度、轴拉强度、极限拉伸值等力学性能试验结果见表5。

表5 混凝土硬化物力学性能试验结果Table 5 Test results of mechanical properties of concrete

对于混凝土硬化外力学性能试验结果，28天的抗压强度比值、劈拉强度比值、轴拉强度比值、极限拉伸值比值均在95%以上，分选前、后的机制砂对泵送混凝土力学性能影响较小。这可能是由于本项目采用的云母分选工艺主要是分选出机制砂中的游离云母，机制砂中的微云母大部分仍在机制砂中的石粉中。这些微云母虽然粒径较小，但仍然在砂浆中会形成薄弱面，所以，对于混凝土的抗压强度、极限拉伸值、劈拉强度以及轴拉强度有影响。

混凝土抗冻性与抗渗性试验结果见表6。试验成果表明，当混凝土含气量为3%～4%，采用花岗岩为主的混合料棒磨机制砂配制的混凝土100次冻融循环后相对动弹性模量下降至初始值的35.4%（规范要求相对动弹性模量下降至不小于初始值的60%），只能达到F50的抗冻性能；采用分选后花岗岩为主的混合料棒磨机制砂配制的混凝土100次冻融循环后相对动弹性模量下降至初始值的76.2%，满足抗冻等级设计要求。这可能是由于云母本身呈片状，表面光滑且易沿节理错裂，与水泥浆的黏结能力很差，分选前花岗岩为主的混合料机制砂中云母含量较多，导致渗入云母片之间及云母与水泥浆之间的空隙中的水，在冻融交替下加速了破坏作用[6-7]。

表6 混凝土硬化物抗冻性和抗渗性试验结果Table 6 Test results of frost resistance and impermeability of concrete

采用分选前、后机制砂配制的混凝土28天抗渗性能均能满足相应的抗渗等级设计要求。

4 结论

分选后的机制砂所检指标满足《水工混凝土施工规范》（DL/T 5144—2015）对人工细骨料的相应技术要求。配制混凝土性能试验研究表明：满足和易性要求的同时，分选后机制砂配制混凝土用水量比分选前的机制砂减少了5～6kg/m3。分选前、后的机制砂的抗压强度比值、劈拉强度比值、轴拉强度比值、极限拉伸值变化较小[8]；当混凝土均采用3%～4%含气量控制、相同水胶比、相同粉煤灰掺量时，分选后的花岗岩为主的混合料棒磨机制砂配制的混凝土抗冻性能明显优于分选前花岗岩为主的混合料棒磨机制砂配制的混凝土。混凝土的抗冻性能随着机制砂中游离云母含量增加而降低[7-9]。

总之，通过云母风选工艺，分选后的机制砂配制的混凝土用水量减少，抗冻性能提高，但在实际工程中的运用还需要进一步的生产性试验研究。