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        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

        2021-12-01 11:19:16孫濤付啟新
        商品混凝土 2021年11期
        關(guān)鍵詞:磨細(xì)河砂細(xì)砂

        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(qiáng)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(wú)法再像十年前那樣給予穩(wěn)定的供應(yīng),目前機(jī)制砂制砂行業(yè)暫無(wú)法進(jìn)行規(guī)范管理,混凝土中用砂的來(lái)源變得十分復(fù)雜,同時(shí)價(jià)格也大幅度上漲,這些因素對(duì)混凝土攪拌站的生產(chǎn)質(zhì)量及成本的控制都帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。因此對(duì)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(lái)源已經(jīng)成為核心的競(jìng)爭(zhēng)力。

        筆者從事混凝土技術(shù)相關(guān)工作十余年,對(duì)于上述問(wèn)題深有感觸?;窗惨虻乩砦恢玫奶厥庑裕械纳?、石原材料均需從外地采購(gòu)。短短十年多時(shí)間,筆者接觸并使用過(guò)許多種類(lèi)的砂,如駱馬湖的湖砂、長(zhǎng)江的江砂、洪澤湖的特細(xì)砂、湖北贛江砂及各種各樣的機(jī)制砂等。如今因?yàn)橄嚓P(guān)禁采制度的出臺(tái),以上所列天然砂越來(lái)越少,已經(jīng)無(wú)法穩(wěn)定地供應(yīng),同時(shí)采購(gòu)價(jià)格非常昂貴。因此目前市場(chǎng) 90% 以上混凝土企業(yè)以機(jī)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(jī)制砂的價(jià)格日益上漲。

        偶然機(jī)會(huì)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(lái)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?yàn)殒囋^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(zhǎng)江開(kāi)采的特細(xì)砂(細(xì)度模數(shù) 0.6~1.0)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)工作,對(duì)比同等試驗(yàn)條件下河砂、機(jī)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?xún)煞矫鎭?lái)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(yàn)

        1.1 試驗(yàn)用原料

        (1)水泥:采用淮安海螺 P·O42.5 級(jí)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(jí)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(jí)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(jī)制砂:采用當(dāng)?shù)刂粕皬S生產(chǎn)出的機(jī)制砂進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),主要性能如表 4 所示。

        表4 機(jī)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(jí)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(zhǎng)江流域開(kāi)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(qiáng)度比 108%。

        (10)水:市政自來(lái)水。

        1.2 磨細(xì)鎳渣和機(jī)制砂性能對(duì)比

        將本試驗(yàn)使用的磨細(xì)鎳渣和市場(chǎng)常用的機(jī)制砂進(jìn)行對(duì)比,表 8 為磨細(xì)鎳渣和機(jī)制砂顆粒級(jí)配的對(duì)比。

        表8 磨細(xì)鎳渣和機(jī)制砂顆粒級(jí)配對(duì)比

        從表 8 可以看出,試驗(yàn)所用的機(jī)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(jí)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(duì)于機(jī)制砂較多,機(jī)制砂在 0.6mm 以下較磨細(xì)鎳渣多。同時(shí)觀察兩種砂的形貌,機(jī)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(duì)較圓潤(rùn)。磨細(xì)鎳渣的這些特征會(huì)對(duì)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(duì)比

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

        表9 磨細(xì)鎳渣和河砂顆粒級(jí)配對(duì)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(jí)配符合 GB/T 14684—2011《建設(shè)用砂》規(guī)定的Ⅱ區(qū)砂,同時(shí)通過(guò)觀察河砂的形貌,河砂顆粒的形態(tài)相對(duì)圓潤(rùn),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(duì)砂級(jí)配的要求,無(wú)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(lái)調(diào)整其顆粒級(jí)配,以滿(mǎn)足泵送混凝土的相關(guān)要求。

        綜合對(duì)磨細(xì)鎳渣所檢測(cè)的其他相關(guān)性能,僅從砂的性能來(lái)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(jī)制砂、河砂用于預(yù)拌混凝土的生產(chǎn)。但因?yàn)槟ゼ?xì)鎳渣和機(jī)制砂的顆粒級(jí)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(yàn)進(jìn)行分析。

        2 試驗(yàn)配合比

        2.1 混凝土配合比設(shè)計(jì)

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

        因機(jī)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(dú)使用不能滿(mǎn)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(yàn)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(duì)比試驗(yàn),同時(shí)對(duì)比一組單獨(dú)使用河砂的混凝土試驗(yàn)。具體配合比如表 10 和表 11 所示。

        表10 C30 試驗(yàn)預(yù)拌混凝土配合比 kg/m3

        表11 C40 試驗(yàn)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(cè)以上試配試驗(yàn)的部分工作性能及力學(xué)性能指標(biāo)。

        2.2 磨細(xì)鎳渣、機(jī)制砂預(yù)及河砂拌混凝土性能試驗(yàn)對(duì)比

        C30 和 C40 試配試驗(yàn)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(yàn)預(yù)拌混凝土性能

        表13 C40 試驗(yàn)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(shí),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(shí)后坍落度損失兩指標(biāo)均優(yōu)于使用機(jī)制砂與特細(xì)砂搭配的混凝土,這是因?yàn)槟ゼ?xì)鎳渣的含泥量和含粉量大幅度低于機(jī)制砂,同時(shí)磨細(xì)鎳渣的顆粒形貌優(yōu)于機(jī)制砂。當(dāng)特細(xì)砂的摻量 30%~40% 時(shí),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?yàn)閺?fù)配了特細(xì)砂,改變了磨細(xì)鎳渣混合砂的整體顆粒級(jí)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(jī)制砂與特細(xì)砂拌合混凝土,特別對(duì)于高強(qiáng)度等級(jí) C40 混凝土,這種優(yōu)勢(shì)越發(fā)明顯。對(duì)于 C40 高強(qiáng)混凝土,同試驗(yàn)條件下磨細(xì)鎳渣混凝土的強(qiáng)度要高于機(jī)制砂混凝土 5MPa 左右。這是因?yàn)槟ゼ?xì)鎳渣的壓碎值和含泥量指標(biāo)優(yōu)于機(jī)制砂。當(dāng)特細(xì)砂摻量為 30%~40% 時(shí),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(shí),因?yàn)榛炷林屑?xì)顆粒含量較小,對(duì)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(shí),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(dòng)性,混凝土的損失變大,同時(shí)預(yù)拌混凝土的力學(xué)性能也下降。所以依試驗(yàn)來(lái)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(jí)配進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整可以滿(mǎn)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(shí)用性,當(dāng)特細(xì)砂的摻量在 30%~40% 之間,通過(guò)合理的調(diào)配會(huì)提高混凝土的性能,完全可以取代機(jī)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(shí)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(shí)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(hào)為 C40P6。在生產(chǎn)過(guò)程中,未發(fā)現(xiàn)異常?;炷恋浆F(xiàn)場(chǎng)后施工狀態(tài)良好,流動(dòng)性較好,混凝土易泵送、易施工。具體狀態(tài)見(jiàn)圖 1?;炷敛鹉:蟊砻婀饣?,無(wú)蜂窩麻面等缺陷,成型非常好(圖 2)。

        圖1 混凝土澆筑現(xiàn)場(chǎng)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(duì)該墻板進(jìn)行鉆芯取樣,進(jìn)一步觀察其混凝土的密實(shí)性及強(qiáng)度。所取芯樣圖片見(jiàn)圖 3。由圖所見(jiàn)該混凝土芯樣表面光滑氣孔較少,說(shuō)明磨細(xì)鎳渣和特細(xì)砂混合使用澆筑的混凝土密實(shí)度較好,完全可以代替天然河砂進(jìn)行使用。經(jīng)過(guò)試壓該混凝土在 40d 齡期強(qiáng)度為 44.2MPa,完全符合設(shè)計(jì)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?。以本公司為例,磨?xì)鎳渣從山東經(jīng)水運(yùn)輸至我公司,相較于目前大多數(shù)機(jī)制砂均采用陸運(yùn)而言,運(yùn)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(jì)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(qiáng)度較高,相較于目前使用機(jī)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(shí)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(jī)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(jià)格較高,經(jīng)測(cè)算一噸河砂的價(jià)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(jì)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(shì)。

        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(shí)保護(hù)了環(huán)境。

        2016 年實(shí)施的中國(guó)建筑學(xué)會(huì)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(jí)為國(guó)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(shí)施。這一系列標(biāo)準(zhǔn)可以說(shuō)明從技術(shù)上對(duì)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)。

        5 結(jié)論

        (1)磨細(xì)鎳渣的基本特性滿(mǎn)足 GB/T 14684—2011《建筑用砂》的規(guī)定,性能優(yōu)于機(jī)制砂,能完全替代機(jī)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(shí),特細(xì)砂的摻量在 30%~40% 之間,混凝土的和易性和強(qiáng)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(shí)度較好,強(qiáng)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?yàn)樾阅軆?yōu)于機(jī)制砂,可以降低膠凝材料及外加劑的用量,同時(shí)因運(yùn)輸?shù)谋憷?,能大幅度降低混凝土的生產(chǎn)成本。磨細(xì)鎳渣作為一種工業(yè)廢料在利用,其單價(jià)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。

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