磨細(xì)鎳渣與特細(xì)砂混合在混凝土中應(yīng)用可行性探討

孫濤，付啟新

（淮安固和新型建材有限公司，江蘇 淮安 223300）

0 引言

近些年，因環(huán)境治理力度的不斷加強及相關(guān)政策的影響，攪拌站砂、石原材料的供應(yīng)愈發(fā)緊張，天然砂已經(jīng)無法再像十年前那樣給予穩(wěn)定的供應(yīng)，目前機制砂制砂行業(yè)暫無法進(jìn)行規(guī)范管理，混凝土中用砂的來源變得十分復(fù)雜，同時價格也大幅度上漲，這些因素對混凝土攪拌站的生產(chǎn)質(zhì)量及成本的控制都帶來了極大的挑戰(zhàn)。因此對于攪拌站而言，如何擁有穩(wěn)定、高質(zhì)量、低成本的原材料來源已經(jīng)成為核心的競爭力。

筆者從事混凝土技術(shù)相關(guān)工作十余年，對于上述問題深有感觸。淮安因地理位置的特殊性，所有的砂、石原材料均需從外地采購。短短十年多時間，筆者接觸并使用過許多種類的砂，如駱馬湖的湖砂、長江的江砂、洪澤湖的特細(xì)砂、湖北贛江砂及各種各樣的機制砂等。如今因為相關(guān)禁采制度的出臺，以上所列天然砂越來越少，已經(jīng)無法穩(wěn)定地供應(yīng)，同時采購價格非常昂貴。因此目前市場 90% 以上混凝土企業(yè)以機制砂為主要原材料進(jìn)行混凝土的生產(chǎn)，這種供需關(guān)系的改變，也造成了機制砂的價格日益上漲。

偶然機會于三年前接觸到一種名為“鎳渣”的工業(yè)廢料，經(jīng)調(diào)查了解鎳渣為冶煉鎳鐵合金產(chǎn)生的工業(yè)固體廢棄物。鎳渣的化學(xué)成分因鎳礦的來源和冶煉工藝的不同存在較大的差異，但其主要的成份均為二氧化硅和三氧化二鐵，通常為球形顆粒狀。因為鎳渣較粗，即使磨細(xì)后也不能達(dá)到中砂的要求，本文選取山東省莒南縣某公司生產(chǎn)的磨細(xì)鎳渣和長江開采的特細(xì)砂（細(xì)度模數(shù) 0.6～1.0）進(jìn)行相關(guān)試驗工作，對比同等試驗條件下河砂、機制砂和特細(xì)砂搭配使用混凝土的性能差異，從技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)可行性兩方面來探討磨細(xì)鎳渣與特細(xì)砂的搭配使用在本公司應(yīng)用的可行性。

1 試驗

1.1 試驗用原料

（1）水泥：采用淮安海螺 P·O42.5 級水泥，主要性能指標(biāo)如表 1 所示。

表1 水泥主要性能指標(biāo)

（2）礦粉：采用淮安行健 S95 級礦粉，主要性能指標(biāo)如表 2 所示。

表2 礦粉主要性能指標(biāo)

（3）粉煤灰：使用淮安當(dāng)?shù)厝A能電廠Ⅱ級粉煤灰，主要性能如表 3 所示。

表3 粉煤灰主要性能指標(biāo)

（4）機制砂：采用當(dāng)?shù)刂粕皬S生產(chǎn)出的機制砂進(jìn)行對比試驗，主要性能如表 4 所示。

表4 機制砂主要性能指標(biāo)

（5）磨細(xì)鎳渣：采用山東省莒南縣某公司生產(chǎn)的磨細(xì)鎳渣，主要性能如表 5 所示。

表5 磨細(xì)鎳渣主要性能指標(biāo)

（6）碎石：采用山東 5～25mm 連續(xù)級配碎石，主要性能指標(biāo)如表 6 所示。

表6 碎石主要性能指標(biāo)

（7）河砂：采用宿遷駱馬湖河砂，主要性能如表 7 所示。

表7 河砂主要性能指標(biāo)

（8）特細(xì)砂：采用長江流域開采特細(xì)砂，細(xì)度模數(shù) 0.7，氯離子含量 0.01%。

（9）外加劑：采用南京建昌生產(chǎn)的 JC-1 型高效泵送型聚羧酸減水劑。減水率 22%，28d 抗壓強度比 108%。

（10）水：市政自來水。

1.2 磨細(xì)鎳渣和機制砂性能對比

將本試驗使用的磨細(xì)鎳渣和市場常用的機制砂進(jìn)行對比，表 8 為磨細(xì)鎳渣和機制砂顆粒級配的對比。

表8 磨細(xì)鎳渣和機制砂顆粒級配對比

從表 8 可以看出，試驗所用的機制砂和磨細(xì)鎳渣的細(xì)度模數(shù)基本接近，屬于粗砂范疇，在級配上二者均符合 GB/T 14684—2011《建筑用砂》中相關(guān)規(guī)定，但各粒度區(qū)間的篩余有一定差別。就粒徑分布而言，磨細(xì)鎳渣在 1.18～2.36mm 相對于機制砂較多，機制砂在 0.6mm 以下較磨細(xì)鎳渣多。同時觀察兩種砂的形貌，機制砂的顆粒棱角較多，磨細(xì)鎳渣本身為球形，磨細(xì)后顆粒相對較圓潤。磨細(xì)鎳渣的這些特征會對預(yù)拌混凝土的工作性能產(chǎn)生一定影響。

1.3 磨細(xì)鎳渣和河砂性能對比

將本試驗使用的磨細(xì)鎳渣和當(dāng)?shù)刂苓叧Ｓ煤由斑M(jìn)行對比，表 9 為磨細(xì)鎳渣和河砂顆粒級配的對比。

表9 磨細(xì)鎳渣和河砂顆粒級配對比

從表 9 可以看出，河砂的細(xì)度模數(shù)為中砂范疇，在顆粒級配符合 GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》規(guī)定的Ⅱ區(qū)砂，同時通過觀察河砂的形貌，河砂顆粒的形態(tài)相對圓潤，而磨細(xì)鎳渣顆粒有部分棱角。因此河砂完全符合泵送混凝土對砂級配的要求，無需復(fù)合其他細(xì)砂，而磨細(xì)鎳渣較粗，如全部替代河砂必須復(fù)配細(xì)砂來調(diào)整其顆粒級配，以滿足泵送混凝土的相關(guān)要求。

綜合對磨細(xì)鎳渣所檢測的其他相關(guān)性能，僅從砂的性能來看，磨細(xì)鎳渣的性能符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，可以替代機制砂、河砂用于預(yù)拌混凝土的生產(chǎn)。但因為磨細(xì)鎳渣和機制砂的顆粒級配中，細(xì)顆粒較少，因此在混凝土生產(chǎn)中必須添加細(xì)砂與其搭配使用，具體的用量需要結(jié)合試配試驗進(jìn)行分析。

2 試驗配合比

2.1 混凝土配合比設(shè)計

結(jié)合日常預(yù)拌混凝土生產(chǎn)中主要以中、低強度等級為主，為此試驗預(yù)拌混凝土的強度等級選擇具有代表性的強度等級 C30 和高強度等級 C40 進(jìn)行對比試驗。對比預(yù)拌混凝土的狀態(tài)、混凝土的強度及在生產(chǎn)中的應(yīng)用情況。

因機制砂和磨細(xì)鎳渣的細(xì)度模數(shù)相近，均較粗，屬粗砂，單獨使用不能滿足混凝土的泵送要求，故需摻一定比例的特細(xì)砂進(jìn)行搭配使用。試驗選定特細(xì)砂代替比例為 20%、30%、40% 和 50% 進(jìn)行試配。其他材料摻量相同的前提下進(jìn)行對比試驗，同時對比一組單獨使用河砂的混凝土試驗。具體配合比如表 10 和表 11 所示。

表10 C30 試驗預(yù)拌混凝土配合比 kg/m3

表11 C40 試驗預(yù)拌混凝土配合比 kg/m3

依據(jù) GB/T 14902—2012《預(yù)拌混凝土》的相關(guān)規(guī)定檢測以上試配試驗的部分工作性能及力學(xué)性能指標(biāo)。

2.2 磨細(xì)鎳渣、機制砂預(yù)及河砂拌混凝土性能試驗對比

C30 和 C40 試配試驗預(yù)拌混凝土工作性能及力學(xué)性能分別如表 12 和表 13 所示。

表12 C30 試驗預(yù)拌混凝土性能

表13 C40 試驗預(yù)拌混凝土性能

從表 12 和表 13 可以看出，當(dāng)特細(xì)砂摻量在30%～ 40% 時，使用磨細(xì)鎳渣與特細(xì)砂搭配混凝土的初始坍落度和一小時后坍落度損失兩指標(biāo)均優(yōu)于使用機制砂與特細(xì)砂搭配的混凝土，這是因為磨細(xì)鎳渣的含泥量和含粉量大幅度低于機制砂，同時磨細(xì)鎳渣的顆粒形貌優(yōu)于機制砂。當(dāng)特細(xì)砂的摻量 30%～40% 時，使用磨細(xì)鎳渣與特細(xì)砂搭配的混凝土與純河砂試拌的混凝土狀態(tài)相近，因為復(fù)配了特細(xì)砂，改變了磨細(xì)鎳渣混合砂的整體顆粒級配，增加了細(xì)顆粒提升混凝土的性能。

磨細(xì)鎳渣與特細(xì)砂拌合混凝土的力學(xué)性能明顯優(yōu)于機制砂與特細(xì)砂拌合混凝土，特別對于高強度等級 C40 混凝土，這種優(yōu)勢越發(fā)明顯。對于 C40 高強混凝土，同試驗條件下磨細(xì)鎳渣混凝土的強度要高于機制砂混凝土 5MPa 左右。這是因為磨細(xì)鎳渣的壓碎值和含泥量指標(biāo)優(yōu)于機制砂。當(dāng)特細(xì)砂摻量為 30%～40% 時，與純河砂的力學(xué)性能相近，可以替代河砂使用。

當(dāng)特細(xì)砂的摻量在 20% 以下時，因為混凝土中細(xì)顆粒含量較小，對骨料的包裹性較差，混凝土粘聚性較差易出現(xiàn)離析、泌水情況。隨著特細(xì)砂摻量的增加，當(dāng)特細(xì)砂的摻量大于 40% 時，混凝土中細(xì)粉較多，混凝土變粘而嚴(yán)重影響混凝土的流動性，混凝土的損失變大，同時預(yù)拌混凝土的力學(xué)性能也下降。所以依試驗來看，特細(xì)砂的最優(yōu)摻量應(yīng)在 30%～40% 之間，依據(jù)砂的具體顆粒級配進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整可以滿足生產(chǎn)、質(zhì)量的需求。

從上述分析可知，磨細(xì)鎳渣與特細(xì)砂的搭配有著較好的實用性，當(dāng)特細(xì)砂的摻量在 30%～40% 之間，通過合理的調(diào)配會提高混凝土的性能，完全可以取代機制砂、河砂用于混凝土的生產(chǎn)，具備技術(shù)上的可行性。

3 磨細(xì)鎳渣與特細(xì)砂在生產(chǎn)中的實際使用情況

為了更進(jìn)一步研究磨細(xì)鎳渣與特細(xì)砂的搭配是否能適用于實際生產(chǎn)，特選擇城區(qū)某工地地下室板墻進(jìn)行試澆筑，該板墻混凝土標(biāo)號為 C40P6。在生產(chǎn)過程中，未發(fā)現(xiàn)異常。混凝土到現(xiàn)場后施工狀態(tài)良好，流動性較好，混凝土易泵送、易施工。具體狀態(tài)見圖 1。混凝土拆模后表面光滑，無蜂窩麻面等缺陷，成型非常好（圖 2）。

圖1 混凝土澆筑現(xiàn)場狀態(tài)

圖2 混凝土墻板成型

混凝土按照規(guī)范要求養(yǎng)護(hù)后，于 40d 后對該墻板進(jìn)行鉆芯取樣，進(jìn)一步觀察其混凝土的密實性及強度。所取芯樣圖片見圖 3。由圖所見該混凝土芯樣表面光滑氣孔較少，說明磨細(xì)鎳渣和特細(xì)砂混合使用澆筑的混凝土密實度較好，完全可以代替天然河砂進(jìn)行使用。經(jīng)過試壓該混凝土在 40d 齡期強度為 44.2MPa，完全符合設(shè)計的要求。

圖3 混凝土鉆芯芯樣

4 磨細(xì)鎳渣的經(jīng)濟(jì)性分析及應(yīng)用前景

4.1 磨細(xì)鎳渣應(yīng)用于混凝土生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)可行性

從技術(shù)角度而言，磨細(xì)鎳渣用于預(yù)拌混凝土具有相當(dāng)?shù)目尚行浴Ｒ员竟緸槔ゼ?xì)鎳渣從山東經(jīng)水運輸至我公司，相較于目前大多數(shù)機制砂均采用陸運而言，運輸成本能大幅度降低。一噸約便宜 5 元左右，以混凝土中摻 700kg 磨細(xì)鎳渣計算，混凝土將節(jié)約 3.5 元/方。因磨細(xì)鎳渣含泥量很低且壓碎強度較高，相較于目前使用機制砂混凝土而言，混凝土配合比可以進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，同時外加劑的用量可適當(dāng)降低。綜上所述，使用磨細(xì)鎳渣與特細(xì)砂搭配的混凝土，較機制砂搭配特細(xì)砂混凝土成本將降低 7 元/方左右。而目前河砂的價格較高，經(jīng)測算一噸河砂的價格較磨細(xì)鎳渣與特細(xì)砂搭配情況下高 30 元左右，由此計算出用純河砂一方混凝土的成本要高 18 元左右，因此使用磨細(xì)鎳渣和特細(xì)砂搭配，能大大降低混凝土的生產(chǎn)成本，因此經(jīng)濟(jì)上具有很明顯的優(yōu)勢。

4.2 磨細(xì)鎳渣混凝土的生產(chǎn)應(yīng)用

鎳渣作為一種固體工業(yè)廢料，早年這些鎳渣的堆積不僅占用了大量的土地資源，污染了當(dāng)?shù)丨h(huán)境，而且嚴(yán)重危害了人們的身體健康，令鎳鐵企業(yè)很頭疼。磨細(xì)鎳渣能在混凝土中的成功使用解決了他們的燃眉之急同時保護(hù)了環(huán)境。

2016 年實施的中國建筑學(xué)會標(biāo)準(zhǔn) T/ASC 01—2016《水泥和預(yù)拌混凝土用鎳鐵渣粉》，2019 升級為國家建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) JC/T 2503—2018《用于水泥和預(yù)拌混凝土中的鎳鐵渣粉》并實施。這一系列標(biāo)準(zhǔn)可以說明從技術(shù)上對鎳渣用于建材生產(chǎn)的肯定，也為攪拌站使用鎳渣砂提供一個標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)。

5 結(jié)論

（1）磨細(xì)鎳渣的基本特性滿足 GB/T 14684—2011《建筑用砂》的規(guī)定，性能優(yōu)于機制砂，能完全替代機制砂使用于混凝土中。

（2）特細(xì)砂與磨細(xì)鎳渣搭配使用時，特細(xì)砂的摻量在 30%～40% 之間，混凝土的和易性和強度最佳。經(jīng)生產(chǎn)試用，澆筑的混凝土構(gòu)件成型較好，混凝土的密實度較好，強度符合要求。因此磨細(xì)鎳渣應(yīng)用于預(yù)拌混凝土生產(chǎn)技術(shù)上具有可行性。

（3）在經(jīng)濟(jì)上，磨細(xì)鎳渣因為性能優(yōu)于機制砂，可以降低膠凝材料及外加劑的用量，同時因運輸?shù)谋憷艽蠓冉档突炷恋纳a(chǎn)成本。磨細(xì)鎳渣作為一種工業(yè)廢料在利用，其單價遠(yuǎn)低于天然砂，因此所生產(chǎn)出的混凝土成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于天然砂生產(chǎn)的混凝土，因此其在經(jīng)濟(jì)上具有可行性。