分選機(jī)制砂對(duì)混凝土性能影響試驗(yàn)研究

童 慧，代曉妮，鐘聚光，袁 濤

（1.湖南平江抽水蓄能有限公司，湖南省平江縣 414500；2.中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南省長(zhǎng)沙市 410014）

0 引言

目前，砂石骨料是水電工程混凝土施工的主要原材料，其產(chǎn)品質(zhì)量及供應(yīng)條件好壞直接影響工程建設(shè)質(zhì)量與造價(jià)。云母是常見的巖石礦物成分之一，混凝土用砂中所含云母為有害物質(zhì)，規(guī)范規(guī)定混凝土用砂中游離云母含量不得大于2%。我國(guó)在云母含量較高巖石地區(qū)（如花崗巖地區(qū)）進(jìn)行水電、水利、建筑、交通等工程建設(shè)常遇到機(jī)制砂中云母含量超標(biāo)問(wèn)題，目前仍未有成熟的處理技術(shù)，通常采用外購(gòu)天然砂或其他料源代替，增加了工程造價(jià)。

平江抽水蓄能電站工程洞挖料以花崗巖為主，并分布有少量比例的花崗偉晶巖和片麻巖。以花崗巖為主的混合料加工的機(jī)制砂游離云母含量為5.1%。本文依托平江抽水蓄能電站采用云母分選工藝降低機(jī)制砂的游離云母含量，以期生產(chǎn)出質(zhì)量合格的成品砂。

為控制云母含量以保證混凝土質(zhì)量，同時(shí)對(duì)分選前機(jī)制砂（云母含量超過(guò)2%）配制的混凝土與分選后機(jī)制砂（云母含量滿足要求）配制的混凝土性能進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)研究，以了解及掌握分選機(jī)制砂對(duì)混凝土性能的影響。

1 分選工藝

云母的選礦方法主要由礦石中礦物的組成、嵌布特征和賦存狀態(tài)決定，目前一般采用手選、重選[1]、磁選[2]、浮選[3]或多種方法的聯(lián)合工藝進(jìn)行分選[4]。水電行業(yè)云母分選技術(shù)主要有手選、形狀選、磁選法、螺旋選礦法、搖床選礦法、跳汰選礦法、風(fēng)選法等[5]。本工程機(jī)制砂中的云母最大粒徑為3mm，屬于碎云母，云母礦分選方法中的手選、摩擦選、形狀選不適用于本工程。綜合經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境保護(hù)等方面存在的問(wèn)題，浮選法、磁選法去除機(jī)制砂中云母方案實(shí)用性不強(qiáng)，故不予采用。重選法相對(duì)合理可行，其分選原理相對(duì)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本適中，可作為本工程云母分選方法的探索方向。以水為分選介質(zhì)的水洗法適用于濕法生產(chǎn)的砂石加工系統(tǒng)，以空氣為介質(zhì)的風(fēng)選法適用于干法生產(chǎn)的砂石加工系統(tǒng)。

風(fēng)選法中，所需要的主要設(shè)備為制砂設(shè)備、風(fēng)選機(jī)和篩分設(shè)備。

1.1 制砂設(shè)備

立軸沖擊式破碎機(jī)為制砂設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)合理、拆卸方便、破碎效率高等特點(diǎn)。破碎機(jī)出料粒度在3～8mm之間，出料粒度細(xì)小而均勻，且零件耐用性強(qiáng)，易損件少，其維護(hù)保養(yǎng)方便。德國(guó)BHS公司RSMX系列轉(zhuǎn)子離心式破碎制砂機(jī)就屬于立軸沖擊式破碎機(jī)一種類型，工藝流程如圖1所示。

圖1 砂石加工系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)圖Figure 1 Process flow diagram of sand and stone processing system

BHS RSMX轉(zhuǎn)子離心式制砂機(jī)是一款配有立軸的高性能破碎機(jī)，主要用于物料破碎/制砂和立方體整形，集破碎、整形、制砂、分級(jí)于一體，一臺(tái)即可實(shí)現(xiàn)石料破碎整形和制砂的效果；生產(chǎn)能力根據(jù)型號(hào)從30t/h至400t/h而各異。制砂時(shí)最大處理量約300t/h，成砂率高達(dá)50%（石灰石）以上，破碎工藝采用“石打石”或“石打鐵”的破碎原理，可獲得高破碎比和出色的骨料粒形。且級(jí)配穩(wěn)定，粒形圓潤(rùn)，咬合性好，可有效提高混凝土強(qiáng)度，適用于各類高速鐵路、港口、橋梁工程及城市建筑工程。

BHS公司RSMX系列制砂機(jī)采用的石打石/石打鐵破碎原理將磨損降至最小程度。在運(yùn)行過(guò)程中，物料中的每個(gè)顆粒在已獲專利的雙腔式轉(zhuǎn)子中高速旋轉(zhuǎn)，然后甩向固定的反擊板。反擊板可由環(huán)形襯板或由砂床組成。通過(guò)轉(zhuǎn)子和殼體的寬大尺寸設(shè)計(jì)在很大程度上避免了堵塞。選擇合適的轉(zhuǎn)速可在很大程度上影響并優(yōu)化破碎效果。

圖3 超細(xì)碎德國(guó)BHS制砂機(jī)Figure 3 Superfine crushing BHS sand making machine in Germany

機(jī)制砂加工廠配置直徑為4m的輪式洗砂機(jī)2臺(tái)，輪式洗砂機(jī)篩網(wǎng)孔徑為3mm。兩臺(tái)輪式洗砂機(jī)采用串聯(lián)方式安裝，即進(jìn)行兩次洗砂。水洗后的砂進(jìn)入直線振動(dòng)篩脫水，洗砂設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)情況如圖4所示。

圖4 斗輪式洗砂機(jī)Figure 4 Bucket wheel sand washer

加工廠整體采取封閉措施，各車間內(nèi)粉塵彌漫，車間外環(huán)境基本無(wú)粉塵污染。毛料暫存堆場(chǎng)設(shè)置防雨棚。加工廠除塵設(shè)備配置：布袋除塵設(shè)備2套，2200t儲(chǔ)粉罐1座，500 t儲(chǔ)粉罐1座。

機(jī)制砂加工廠設(shè)置廢水儲(chǔ)罐2座，絮凝攪拌罐1座，沉淀罐1座，廂式壓濾機(jī)4臺(tái)。廢水處理工藝：洗砂機(jī)廢水→廢水儲(chǔ)罐→絮凝攪拌罐→沉淀罐→廂式壓濾機(jī)→泥渣運(yùn)往棄渣場(chǎng)（處理后的廢水循環(huán)利用）。

1.2 風(fēng)選設(shè)備

本次風(fēng)選設(shè)備采用PL型瀑流式選粉機(jī)，它是真正意義上的靜態(tài)選粉機(jī)，內(nèi)部無(wú)傳動(dòng)部件，主要是由一組呈梯級(jí)形狀平行排列的柵板所構(gòu)成。待分選的物料成梯形瀉落在梯級(jí)上，梯級(jí)上有分選氣流通過(guò)，氣流將細(xì)粉（含云母）從物料中分離出來(lái)，并將其輸送到細(xì)粉出口。通過(guò)調(diào)節(jié)分選氣流可以調(diào)節(jié)排出粗料和細(xì)粉的粒度分布和流速。此外，在分級(jí)過(guò)程中，結(jié)團(tuán)物料在梯級(jí)上碰撞時(shí)，也能得以很好地打散，從而可以提高分選效率。風(fēng)選工藝詳細(xì)流程圖如圖5所示。

圖5 深湘風(fēng)選工藝流程圖Figure 5 Air separation process flow chart of Shenxiang

砂石加工系統(tǒng)與云母風(fēng)選工藝有效的結(jié)合，采用云母風(fēng)選+細(xì)粒篩分的加工工藝，可生成合格機(jī)制砂。考慮到平江雨季時(shí)間較長(zhǎng)，雨水充沛，環(huán)保要求高，砂石加工系統(tǒng)需采取干法生產(chǎn)工藝和全封閉措施，以有效控制機(jī)制砂含水率小于1%及環(huán)保達(dá)標(biāo)。

1.3 篩分設(shè)備

根據(jù)本工程特點(diǎn)及機(jī)制砂去云母方案，擬采用德瑞克2SG3/48-120D-2STK型疊層高頻細(xì)篩進(jìn)行風(fēng)選后粉細(xì)砂篩分，篩孔尺寸為0.3mm。高頻細(xì)篩圖片見圖6，主要技術(shù)參數(shù)見表1。德瑞克公司生產(chǎn)的高頻細(xì)篩主要適用于各種礦物分級(jí)（硅砂、石墨、長(zhǎng)石、云母、石英等），用于超輕、超細(xì)難篩物料效果較好，最小篩網(wǎng)孔徑可達(dá)0.04mm。

圖6 德瑞克公司制造的2SG3/48-120D-2STK型疊層高頻細(xì)篩Figure 6 2SG3/48-120D-2STK laminated high frequency fine screen manufactured by derrick company

表1 2SG3/48-120D-2STK型疊層高頻細(xì)篩主要技術(shù)指標(biāo)表Table 1 Main technical indexes of 2SG3/48-120D-2STK laminated high frequency fine screen

本工程機(jī)制砂去除云母方案推薦的2SG3/48-120D-2STK型疊層高頻細(xì)篩，采用孔徑0.3mm的聚氨酯篩網(wǎng)，篩網(wǎng)圖片如圖7所示。

圖7 聚氨酯篩網(wǎng)Figure 7 Polyurethane screen

該篩網(wǎng)開孔率高，孔口處加強(qiáng)筋均采用倒三角形式，防堵性強(qiáng)。如圖8所示為高頻細(xì)篩透篩過(guò)程。高頻細(xì)篩可以根據(jù)篩分物料的不同設(shè)置與篩分物料自然堆積角相近的角度，減少篩機(jī)的運(yùn)行功率，增大篩分效率。

圖8 高頻細(xì)篩透視過(guò)程圖Figure 8 Perspective process of high frequency fine screen

2 原材料及配合比

2.1 細(xì)骨料

本次試驗(yàn)的機(jī)制砂由PD4平洞的花崗巖為主、少量花崗偉晶巖、花崗片麻巖進(jìn)行室內(nèi)軋制加工而成，通過(guò)PL型瀑流式選粉機(jī)去除機(jī)制砂中的云母，然后利用高頻篩反摻制成滿足要求的機(jī)制砂，分選前和分選后的機(jī)制砂品質(zhì)試驗(yàn)成果見表2。

表2 機(jī)制砂品質(zhì)性能檢驗(yàn)成果表Table 2 Quality and performance test results of manufactured sand

2.2 其他原材料

采用的其他試驗(yàn)原材料包括：強(qiáng)度等級(jí)為42.5的普通硅酸鹽水泥；需水比為98%Ⅱ級(jí)粉煤灰；PCA-Ⅰ聚羧酸高性能減水劑（緩凝型）；GYQ-Ⅰ混凝土高效引氣劑。

經(jīng)檢驗(yàn)，以上原材料均符合國(guó)家有關(guān)規(guī)程規(guī)范和技術(shù)要求。

2.3 混凝土配合比

巖錨梁、板、梁、柱、墻、襯砌設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C30W6F100（二級(jí)配）混凝土試驗(yàn)配合比見表3。

表3 混凝土初選配合比表Table 3 Mix proportion of concrete primary selection

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 云母含量對(duì)混凝土拌和物性能的影響

表4為配制相同等級(jí)的混凝土和同試驗(yàn)環(huán)境的情況下、分選前后機(jī)制砂配制的混凝土拌和物性能試驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果顯示，滿足和易性要求的同時(shí)，分選后機(jī)制砂配制混凝土用水量比分選前的機(jī)制砂減少了5～6kg/m3。

表4 泵送混凝土拌和物性能試驗(yàn)成果表Table 4 Qerformance test results of pumped concrete mixture

3.2 云母含量對(duì)混凝土硬化物性能的影響

混凝土硬化物抗壓強(qiáng)度、軸拉強(qiáng)度、極限拉伸值等力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 混凝土硬化物力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Test results of mechanical properties of concrete

對(duì)于混凝土硬化外力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果，28天的抗壓強(qiáng)度比值、劈拉強(qiáng)度比值、軸拉強(qiáng)度比值、極限拉伸值比值均在95%以上，分選前、后的機(jī)制砂對(duì)泵送混凝土力學(xué)性能影響較小。這可能是由于本項(xiàng)目采用的云母分選工藝主要是分選出機(jī)制砂中的游離云母，機(jī)制砂中的微云母大部分仍在機(jī)制砂中的石粉中。這些微云母雖然粒徑較小，但仍然在砂漿中會(huì)形成薄弱面，所以，對(duì)于混凝土的抗壓強(qiáng)度、極限拉伸值、劈拉強(qiáng)度以及軸拉強(qiáng)度有影響。

混凝土抗凍性與抗?jié)B性試驗(yàn)結(jié)果見表6。試驗(yàn)成果表明，當(dāng)混凝土含氣量為3%～4%，采用花崗巖為主的混合料棒磨機(jī)制砂配制的混凝土100次凍融循環(huán)后相對(duì)動(dòng)彈性模量下降至初始值的35.4%（規(guī)范要求相對(duì)動(dòng)彈性模量下降至不小于初始值的60%），只能達(dá)到F50的抗凍性能；采用分選后花崗巖為主的混合料棒磨機(jī)制砂配制的混凝土100次凍融循環(huán)后相對(duì)動(dòng)彈性模量下降至初始值的76.2%，滿足抗凍等級(jí)設(shè)計(jì)要求。這可能是由于云母本身呈片狀，表面光滑且易沿節(jié)理錯(cuò)裂，與水泥漿的黏結(jié)能力很差，分選前花崗巖為主的混合料機(jī)制砂中云母含量較多，導(dǎo)致滲入云母片之間及云母與水泥漿之間的空隙中的水，在凍融交替下加速了破壞作用[6-7]。

表6 混凝土硬化物抗凍性和抗?jié)B性試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Test results of frost resistance and impermeability of concrete

采用分選前、后機(jī)制砂配制的混凝土28天抗?jié)B性能均能滿足相應(yīng)的抗?jié)B等級(jí)設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

分選后的機(jī)制砂所檢指標(biāo)滿足《水工混凝土施工規(guī)范》（DL/T 5144—2015）對(duì)人工細(xì)骨料的相應(yīng)技術(shù)要求。配制混凝土性能試驗(yàn)研究表明：滿足和易性要求的同時(shí)，分選后機(jī)制砂配制混凝土用水量比分選前的機(jī)制砂減少了5～6kg/m3。分選前、后的機(jī)制砂的抗壓強(qiáng)度比值、劈拉強(qiáng)度比值、軸拉強(qiáng)度比值、極限拉伸值變化較小[8]；當(dāng)混凝土均采用3%～4%含氣量控制、相同水膠比、相同粉煤灰摻量時(shí)，分選后的花崗巖為主的混合料棒磨機(jī)制砂配制的混凝土抗凍性能明顯優(yōu)于分選前花崗巖為主的混合料棒磨機(jī)制砂配制的混凝土。混凝土的抗凍性能隨著機(jī)制砂中游離云母含量增加而降低[7-9]。

總之，通過(guò)云母風(fēng)選工藝，分選后的機(jī)制砂配制的混凝土用水量減少，抗凍性能提高，但在實(shí)際工程中的運(yùn)用還需要進(jìn)一步的生產(chǎn)性試驗(yàn)研究。