磨细镍渣与特细砂混合在混凝土中应用可行性探讨

孙涛，付启新

（淮安固和新型建材有限公司，江苏 淮安 223300）

0 引言

近些年，因环境治理力度的不断加强及相关政策的影响，搅拌站砂、石原材料的供应愈发紧张，天然砂已经无法再像十年前那样给予稳定的供应，目前机制砂制砂行业暂无法进行规范管理，混凝土中用砂的来源变得十分复杂，同时价格也大幅度上涨，这些因素对混凝土搅拌站的生产质量及成本的控制都带来了极大的挑战。因此对于搅拌站而言，如何拥有稳定、高质量、低成本的原材料来源已经成为核心的竞争力。

笔者从事混凝土技术相关工作十余年，对于上述问题深有感触。淮安因地理位置的特殊性，所有的砂、石原材料均需从外地采购。短短十年多时间，笔者接触并使用过许多种类的砂，如骆马湖的湖砂、长江的江砂、洪泽湖的特细砂、湖北赣江砂及各种各样的机制砂等。如今因为相关禁采制度的出台，以上所列天然砂越来越少，已经无法稳定地供应，同时采购价格非常昂贵。因此目前市场 90% 以上混凝土企业以机制砂为主要原材料进行混凝土的生产，这种供需关系的改变，也造成了机制砂的价格日益上涨。

偶然机会于三年前接触到一种名为“镍渣”的工业废料，经调查了解镍渣为冶炼镍铁合金产生的工业固体废弃物。镍渣的化学成分因镍矿的来源和冶炼工艺的不同存在较大的差异，但其主要的成份均为二氧化硅和三氧化二铁，通常为球形颗粒状。因为镍渣较粗，即使磨细后也不能达到中砂的要求，本文选取山东省莒南县某公司生产的磨细镍渣和长江开采的特细砂（细度模数 0.6～1.0）进行相关试验工作，对比同等试验条件下河砂、机制砂和特细砂搭配使用混凝土的性能差异，从技术可行性和经济可行性两方面来探讨磨细镍渣与特细砂的搭配使用在本公司应用的可行性。

1 试验

1.1 试验用原料

（1）水泥：采用淮安海螺 P·O42.5 级水泥，主要性能指标如表 1 所示。

表1 水泥主要性能指标

（2）矿粉：采用淮安行健 S95 级矿粉，主要性能指标如表 2 所示。

表2 矿粉主要性能指标

（3）粉煤灰：使用淮安当地华能电厂Ⅱ级粉煤灰，主要性能如表 3 所示。

表3 粉煤灰主要性能指标

（4）机制砂：采用当地制砂厂生产出的机制砂进行对比试验，主要性能如表 4 所示。

表4 机制砂主要性能指标

（5）磨细镍渣：采用山东省莒南县某公司生产的磨细镍渣，主要性能如表 5 所示。

表5 磨细镍渣主要性能指标

（6）碎石：采用山东 5～25mm 连续级配碎石，主要性能指标如表 6 所示。

表6 碎石主要性能指标

（7）河砂：采用宿迁骆马湖河砂，主要性能如表 7 所示。

表7 河砂主要性能指标

（8）特细砂：采用长江流域开采特细砂，细度模数 0.7，氯离子含量 0.01%。

（9）外加剂：采用南京建昌生产的 JC-1 型高效泵送型聚羧酸减水剂。减水率 22%，28d 抗压强度比 108%。

（10）水：市政自来水。

1.2 磨细镍渣和机制砂性能对比

将本试验使用的磨细镍渣和市场常用的机制砂进行对比，表 8 为磨细镍渣和机制砂颗粒级配的对比。

表8 磨细镍渣和机制砂颗粒级配对比

从表 8 可以看出，试验所用的机制砂和磨细镍渣的细度模数基本接近，属于粗砂范畴，在级配上二者均符合 GB/T 14684—2011《建筑用砂》中相关规定，但各粒度区间的筛余有一定差别。就粒径分布而言，磨细镍渣在 1.18～2.36mm 相对于机制砂较多，机制砂在 0.6mm 以下较磨细镍渣多。同时观察两种砂的形貌，机制砂的颗粒棱角较多，磨细镍渣本身为球形，磨细后颗粒相对较圆润。磨细镍渣的这些特征会对预拌混凝土的工作性能产生一定影响。

1.3 磨细镍渣和河砂性能对比

将本试验使用的磨细镍渣和当地周边常用河砂进行对比，表 9 为磨细镍渣和河砂颗粒级配的对比。

表9 磨细镍渣和河砂颗粒级配对比

从表 9 可以看出，河砂的细度模数为中砂范畴，在颗粒级配符合 GB/T 14684—2011《建设用砂》规定的Ⅱ区砂，同时通过观察河砂的形貌，河砂颗粒的形态相对圆润，而磨细镍渣颗粒有部分棱角。因此河砂完全符合泵送混凝土对砂级配的要求，无需复合其他细砂，而磨细镍渣较粗，如全部替代河砂必须复配细砂来调整其颗粒级配，以满足泵送混凝土的相关要求。

综合对磨细镍渣所检测的其他相关性能，仅从砂的性能来看，磨细镍渣的性能符合行业标准的要求，可以替代机制砂、河砂用于预拌混凝土的生产。但因为磨细镍渣和机制砂的颗粒级配中，细颗粒较少，因此在混凝土生产中必须添加细砂与其搭配使用，具体的用量需要结合试配试验进行分析。

2 试验配合比

2.1 混凝土配合比设计

结合日常预拌混凝土生产中主要以中、低强度等级为主，为此试验预拌混凝土的强度等级选择具有代表性的强度等级 C30 和高强度等级 C40 进行对比试验。对比预拌混凝土的状态、混凝土的强度及在生产中的应用情况。

因机制砂和磨细镍渣的细度模数相近，均较粗，属粗砂，单独使用不能满足混凝土的泵送要求，故需掺一定比例的特细砂进行搭配使用。试验选定特细砂代替比例为 20%、30%、40% 和 50% 进行试配。其他材料掺量相同的前提下进行对比试验，同时对比一组单独使用河砂的混凝土试验。具体配合比如表 10 和表 11 所示。

表10 C30 试验预拌混凝土配合比 kg/m3

表11 C40 试验预拌混凝土配合比 kg/m3

依据 GB/T 14902—2012《预拌混凝土》的相关规定检测以上试配试验的部分工作性能及力学性能指标。

2.2 磨细镍渣、机制砂预及河砂拌混凝土性能试验对比

C30 和 C40 试配试验预拌混凝土工作性能及力学性能分别如表 12 和表 13 所示。

表12 C30 试验预拌混凝土性能

表13 C40 试验预拌混凝土性能

从表 12 和表 13 可以看出，当特细砂掺量在30%～ 40% 时，使用磨细镍渣与特细砂搭配混凝土的初始坍落度和一小时后坍落度损失两指标均优于使用机制砂与特细砂搭配的混凝土，这是因为磨细镍渣的含泥量和含粉量大幅度低于机制砂，同时磨细镍渣的颗粒形貌优于机制砂。当特细砂的掺量 30%～40% 时，使用磨细镍渣与特细砂搭配的混凝土与纯河砂试拌的混凝土状态相近，因为复配了特细砂，改变了磨细镍渣混合砂的整体颗粒级配，增加了细颗粒提升混凝土的性能。

磨细镍渣与特细砂拌合混凝土的力学性能明显优于机制砂与特细砂拌合混凝土，特别对于高强度等级 C40 混凝土，这种优势越发明显。对于 C40 高强混凝土，同试验条件下磨细镍渣混凝土的强度要高于机制砂混凝土 5MPa 左右。这是因为磨细镍渣的压碎值和含泥量指标优于机制砂。当特细砂掺量为 30%～40% 时，与纯河砂的力学性能相近，可以替代河砂使用。

当特细砂的掺量在 20% 以下时，因为混凝土中细颗粒含量较小，对骨料的包裹性较差，混凝土粘聚性较差易出现离析、泌水情况。随着特细砂掺量的增加，当特细砂的掺量大于 40% 时，混凝土中细粉较多，混凝土变粘而严重影响混凝土的流动性，混凝土的损失变大，同时预拌混凝土的力学性能也下降。所以依试验来看，特细砂的最优掺量应在 30%～40% 之间，依据砂的具体颗粒级配进行适当调整可以满足生产、质量的需求。

从上述分析可知，磨细镍渣与特细砂的搭配有着较好的实用性，当特细砂的掺量在 30%～40% 之间，通过合理的调配会提高混凝土的性能，完全可以取代机制砂、河砂用于混凝土的生产，具备技术上的可行性。

3 磨细镍渣与特细砂在生产中的实际使用情况

为了更进一步研究磨细镍渣与特细砂的搭配是否能适用于实际生产，特选择城区某工地地下室板墙进行试浇筑，该板墙混凝土标号为 C40P6。在生产过程中，未发现异常。混凝土到现场后施工状态良好，流动性较好，混凝土易泵送、易施工。具体状态见图 1。混凝土拆模后表面光滑，无蜂窝麻面等缺陷，成型非常好（图 2）。

图1 混凝土浇筑现场状态

图2 混凝土墙板成型

混凝土按照规范要求养护后，于 40d 后对该墙板进行钻芯取样，进一步观察其混凝土的密实性及强度。所取芯样图片见图 3。由图所见该混凝土芯样表面光滑气孔较少，说明磨细镍渣和特细砂混合使用浇筑的混凝土密实度较好，完全可以代替天然河砂进行使用。经过试压该混凝土在 40d 龄期强度为 44.2MPa，完全符合设计的要求。

图3 混凝土钻芯芯样

4 磨细镍渣的经济性分析及应用前景

4.1 磨细镍渣应用于混凝土生产的经济可行性

从技术角度而言，磨细镍渣用于预拌混凝土具有相当的可行性。以本公司为例，磨细镍渣从山东经水运输至我公司，相较于目前大多数机制砂均采用陆运而言，运输成本能大幅度降低。一吨约便宜 5 元左右，以混凝土中掺 700kg 磨细镍渣计算，混凝土将节约 3.5 元/方。因磨细镍渣含泥量很低且压碎强度较高，相较于目前使用机制砂混凝土而言，混凝土配合比可以进行适当优化，同时外加剂的用量可适当降低。综上所述，使用磨细镍渣与特细砂搭配的混凝土，较机制砂搭配特细砂混凝土成本将降低 7 元/方左右。而目前河砂的价格较高，经测算一吨河砂的价格较磨细镍渣与特细砂搭配情况下高 30 元左右，由此计算出用纯河砂一方混凝土的成本要高 18 元左右，因此使用磨细镍渣和特细砂搭配，能大大降低混凝土的生产成本，因此经济上具有很明显的优势。

4.2 磨细镍渣混凝土的生产应用

镍渣作为一种固体工业废料，早年这些镍渣的堆积不仅占用了大量的土地资源，污染了当地环境，而且严重危害了人们的身体健康，令镍铁企业很头疼。磨细镍渣能在混凝土中的成功使用解决了他们的燃眉之急同时保护了环境。

2016 年实施的中国建筑学会标准 T/ASC 01—2016《水泥和预拌混凝土用镍铁渣粉》，2019 升级为国家建材行业标准 JC/T 2503—2018《用于水泥和预拌混凝土中的镍铁渣粉》并实施。这一系列标准可以说明从技术上对镍渣用于建材生产的肯定，也为搅拌站使用镍渣砂提供一个标准依据。

5 结论

（1）磨细镍渣的基本特性满足 GB/T 14684—2011《建筑用砂》的规定，性能优于机制砂，能完全替代机制砂使用于混凝土中。

（2）特细砂与磨细镍渣搭配使用时，特细砂的掺量在 30%～40% 之间，混凝土的和易性和强度最佳。经生产试用，浇筑的混凝土构件成型较好，混凝土的密实度较好，强度符合要求。因此磨细镍渣应用于预拌混凝土生产技术上具有可行性。

（3）在经济上，磨细镍渣因为性能优于机制砂，可以降低胶凝材料及外加剂的用量，同时因运输的便利，能大幅度降低混凝土的生产成本。磨细镍渣作为一种工业废料在利用，其单价远低于天然砂，因此所生产出的混凝土成本远远低于天然砂生产的混凝土，因此其在经济上具有可行性。