磨細鎳渣與特細砂混合在混凝土中應用可行性探討

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，目前機制砂制砂行業(yè)暫無法進行規(guī)范管理，混凝土中用砂的來源變得十分復雜，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，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，即使磨細后也不能達到中砂的要求，本文選取山東省莒南縣某公司生產(chǎn)的磨細鎳渣和長江開采的特細砂（細度模數(shù) 0.6～1.0）進行相關(guān)試驗工作，對比同等試驗條件下河砂、機制砂和特細砂搭配使用混凝土的性能差異，從技術(shù)可行性和經(jīng)濟可行性兩方面來探討磨細鎳渣與特細砂的搭配使用在本公司應用的可行性。

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，主要性能指標如表 1 所示。

表1 水泥主要性能指標

（2）礦粉：采用淮安行健 S95 級礦粉，主要性能指標如表 2 所示。

表2 礦粉主要性能指標

（3）粉煤灰：使用淮安當?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

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

表4 機制砂主要性能指標

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

表5 磨細鎳渣主要性能指標

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

表6 碎石主要性能指標

（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

（8）特細砂：采用長江流域開采特細砂，細度模數(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 磨細鎳渣和機制砂性能對比

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

表8 磨細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鎳渣的細度模數(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，磨細鎳渣本身為球形，磨細后顆粒相對較圓潤。磨細鎳渣的這些特征會對預拌混凝土的工作性能產(chǎn)生一定影響。

1.3 磨細鎳渣和河砂性能對比

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

表9 磨細鎳渣和河砂顆粒級配對比

從表 9 可以看出，河砂的細度模數(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，無需復合其他細砂，而磨細鎳渣較粗，如全部替代河砂必須復配細砂來調(diào)整其顆粒級配，以滿足泵送混凝土的相關(guān)要求。

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

2 試驗配合比

2.1 混凝土配合比設(shè)計

結(jié)合日常預拌混凝土生產(chǎn)中主要以中、低強度等級為主，為此試驗預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 進行對比試驗。對比預拌混凝土的狀態(tài)、混凝土的強度及在生產(chǎn)中的應用情況。

因機制砂和磨細鎳渣的細度模數(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砂進行搭配使用。試驗選定特細砂代替比例為 20%、30%、40% 和 50% 進行試配。其他材料摻量相同的前提下進行對比試驗，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 試驗預拌混凝土配合比 kg/m3

表11 C40 試驗預拌混凝土配合比 kg/m3

依據(jù) GB/T 14902—2012《預拌混凝土》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性能指標。

2.2 磨細鎳渣、機制砂預及河砂拌混凝土性能試驗對比

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

表12 C30 試驗預拌混凝土性能

表13 C40 試驗預拌混凝土性能

從表 12 和表 13 可以看出，當特細砂摻量在30%～ 40% 時，使用磨細鎳渣與特細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均優(yōu)于使用機制砂與特細砂搭配的混凝土，這是因為磨細鎳渣的含泥量和含粉量大幅度低于機制砂，同時磨細鎳渣的顆粒形貌優(yōu)于機制砂。當特細砂的摻量 30%～40% 時，使用磨細鎳渣與特細砂搭配的混凝土與純河砂試拌的混凝土狀態(tài)相近，因為復配了特細砂，改變了磨細鎳渣混合砂的整體顆粒級配，增加了細顆粒提升混凝土的性能。

磨細鎳渣與特細砂拌合混凝土的力學性能明顯優(yōu)于機制砂與特細砂拌合混凝土，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。這是因為磨細鎳渣的壓碎值和含泥量指標優(yōu)于機制砂。當特細砂摻量為 30%～40% 時，與純河砂的力學性能相近，可以替代河砂使用。

當特細砂的摻量在 20% 以下時，因為混凝土中細顆粒含量較小，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。隨著特細砂摻量的增加，當特細砂的摻量大于 40% 時，混凝土中細粉較多，混凝土變粘而嚴重影響混凝土的流動性，混凝土的損失變大，同時預拌混凝土的力學性能也下降。所以依試驗來看，特細砂的最優(yōu)摻量應在 30%～40% 之間，依據(jù)砂的具體顆粒級配進行適當調(diào)整可以滿足生產(chǎn)、質(zhì)量的需求。

從上述分析可知，磨細鎳渣與特細砂的搭配有著較好的實用性，當特細砂的摻量在 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 磨細鎳渣與特細砂在生產(chǎn)中的實際使用情況

為了更進一步研究磨細鎳渣與特細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行試澆筑，該板墻混凝土標號為 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)護后，于 40d 后對該墻板進行鉆芯取樣，進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，說明磨細鎳渣和特細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 磨細鎳渣的經(jīng)濟性分析及應用前景

4.1 磨細鎳渣應用于混凝土生產(chǎn)的經(jīng)濟可行性

從技術(shù)角度而言，磨細鎳渣用于預拌混凝土具有相當?shù)目尚行浴Ｒ员竟緸槔ゼ氭囋鼜纳綎|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 磨細鎳渣計算，混凝土將節(jié)約 3.5 元/方。因磨細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行適當優(yōu)化，同時外加劑的用量可適當降低。綜上所述，使用磨細鎳渣與特細砂搭配的混凝土，較機制砂搭配特細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鎳渣與特細砂搭配情況下高 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，因此使用磨細鎳渣和特細砂搭配，能大大降低混凝土的生產(chǎn)成本，因此經(jīng)濟上具有很明顯的優(yōu)勢。

4.2 磨細鎳渣混凝土的生產(chǎn)應用

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?shù)丨h(huán)境，而且嚴重危害了人們的身體健康，令鎳鐵企業(yè)很頭疼。磨細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了環(huán)境。

2016 年實施的中國建筑學會標準 T/ASC 01—2016《水泥和預拌混凝土用鎳鐵渣粉》，2019 升級為國家建材行業(yè)標準 JC/T 2503—2018《用于水泥和預拌混凝土中的鎳鐵渣粉》并實施。這一系列標準可以說明從技術(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準依據(jù)。

5 結(jié)論

（1）磨細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）特細砂與磨細鎳渣搭配使用時，特細砂的摻量在 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。因此磨細鎳渣應用于預拌混凝土生產(chǎn)技術(shù)上具有可行性。

（3）在經(jīng)濟上，磨細鎳渣因為性能優(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。磨細鎳渣作為一種工業(yè)廢料在利用，其單價遠低于天然砂，因此所生產(chǎn)出的混凝土成本遠遠低于天然砂生產(chǎn)的混凝土，因此其在經(jīng)濟上具有可行性。