基于尾礦砂利用技術(shù)的綠色混凝土施工技術(shù)研究

張海霞 王龍志 崔 鑫 張 雪

(山東建澤混凝土有限公司，濟(jì)南 250101)

1 前言

混凝土是由膠結(jié)材料，骨料和水按一定比例配制，經(jīng)攪拌振搗成型，在一定條件下養(yǎng)護(hù)而成的人造石材?；炷辆哂性县S富，價(jià)格低廉，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，其用量越來(lái)越大;同時(shí)混凝土具有抗壓強(qiáng)度高，耐久性好，強(qiáng)度等級(jí)范圍寬，使其得到廣泛使用。目前混凝土原材料品種豐富，混凝土質(zhì)量良莠不齊，而現(xiàn)代混凝土設(shè)計(jì)除滿足強(qiáng)度外，環(huán)保性、安全性、耐久性和經(jīng)濟(jì)性成了必須考慮的因素。在這種情況下，各種活性摻合料、人工集料、混凝土外加劑已經(jīng)成為現(xiàn)代混凝土中不可缺少的組份，如何保證混凝土中各組分能夠?yàn)榛炷磷鲐暙I(xiàn)，是目前預(yù)拌混凝土企業(yè)面臨的問題。在多年的混凝土生產(chǎn)施工過程中，致力于綠色混凝土施工方法的研究，通過不斷探索、創(chuàng)新、發(fā)展、完善，總結(jié)出了一整套成熟的施工方法，并形成了基于尾礦砂利用技術(shù)的綠色混凝土施工技術(shù)。

2 技術(shù)原理

目前使用機(jī)制砂全部取代河砂制成的混凝土，由于其機(jī)制砂級(jí)配斷層從而導(dǎo)致其工作性能存在一定的缺陷，采用鐵尾礦砂取代部分機(jī)制砂，可有效彌補(bǔ)其級(jí)配缺陷。使用機(jī)制砂和鐵尾礦砂制成的混合砂取代細(xì)骨料，其細(xì)骨料級(jí)配更合理，可以更好地調(diào)整混凝土的工作性能，且滿足《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的力學(xué)性能。同時(shí)鐵尾礦砂的使用不僅可解決廢棄物的堆放造成的環(huán)境污染，還可大大降低混凝土的材料成本。

以《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ55)為基礎(chǔ)，視工程實(shí)際應(yīng)用情況以及上周期混凝土強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)以傳統(tǒng)方式進(jìn)行基準(zhǔn)配合比設(shè)計(jì);其中各膠凝材料比例的確定采用膠砂強(qiáng)度法確定，細(xì)骨料各組分的確定采用級(jí)配法確定，回收水的利用采用濃度法確定;對(duì)基準(zhǔn)配合比進(jìn)行調(diào)整，最終通過試配驗(yàn)證并結(jié)合工程實(shí)際情況和具體要求給出最終配合比。

3 材料選擇

3.1 骨料

(1)細(xì)骨料采用機(jī)制砂和鐵尾礦砂制成的混合砂，其中機(jī)制砂選用濟(jì)南當(dāng)?shù)厣a(chǎn)，細(xì)度模數(shù)3.1～3.3，石粉含量低于10.0%，亞甲藍(lán)試驗(yàn)合格;鐵尾礦砂選用濟(jì)南長(zhǎng)清地區(qū)生產(chǎn)，細(xì)度模數(shù)1.4～1.7，亞甲藍(lán)試驗(yàn)合格，化學(xué)組成如表1 所示。

表1 濟(jì)南附近地區(qū)尾礦砂化學(xué)組成

由于沒有尾礦砂在水泥混凝土中應(yīng)用的相關(guān)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)為了確保尾礦砂的安定性滿足應(yīng)用于水泥混凝土中的標(biāo)準(zhǔn)，將尾礦砂磨成80μm 篩余小于5%的細(xì)粉，依據(jù)《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》GB/T 1346-2011 進(jìn)行尾礦砂粉安定性檢測(cè)，三種尾礦砂粉的安定性值均小于2mm，判定三種尾礦砂安定性合格。

(2)粗骨料選用濟(jì)南當(dāng)?shù)禺a(chǎn)的5～25mm 碎石。

3.2 摻合料

(1)粉煤灰宜采用Ⅱ級(jí)粉煤灰。對(duì)于低強(qiáng)度等級(jí)混凝土，也可以采用Ⅲ級(jí)粉煤灰。本技術(shù)中試驗(yàn)及生產(chǎn)中采用的粉煤灰為聊城茌平電廠生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰［1］。

(2)礦渣粉宜選用S95 級(jí)。對(duì)于低強(qiáng)度等級(jí)混凝土，也可以采用S75 級(jí)礦渣粉，對(duì)于高強(qiáng)混凝土或高性能混凝土，優(yōu)先選用S105 級(jí)礦渣粉。本技術(shù)中試驗(yàn)及生產(chǎn)中所用礦渣粉為濟(jì)南魯新建材有限公司生產(chǎn)的S95 級(jí)礦渣粉。

表2 粉煤灰性能指標(biāo)

表3 礦粉物化指標(biāo)

3.3 外加劑

選用當(dāng)?shù)禺a(chǎn)的脂肪族外加劑，降低水泥用量和用水量，增大混凝土穩(wěn)定性和流動(dòng)性。本技術(shù)中所用外加劑為濟(jì)南華建外加劑廠生產(chǎn)的BSM 系列外加劑。

3.4 飲用水

濟(jì)南地區(qū)飲用水。

4 試驗(yàn)及試生產(chǎn)

4.1 各材料比例的確定

依據(jù)相關(guān)國(guó)家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，通過試驗(yàn)確定機(jī)制砂與尾礦砂的比例。

機(jī)制砂與尾礦砂比例的確定:通過不同比例的混合，獲取最大堆積密度和最小孔隙率，以便盡可能減少膠凝材料漿體的用量，來(lái)達(dá)到降低砂率，減少用水量和膠凝材料用量的目的。對(duì)混合砂進(jìn)行篩分試驗(yàn)，確定混合砂的最佳級(jí)配區(qū)間，同時(shí)確保0.315mm篩混合砂的通過量不小于15%，從而確?；炷恋目杀眯阅堋?shí)驗(yàn)證明在機(jī)制砂與鐵尾礦砂的比例為8∶2 時(shí)較為合理。

表4 混合砂實(shí)例

上述數(shù)據(jù)根據(jù)一種利用尾礦砂進(jìn)行砂級(jí)配改良的方法得到，具體步驟為:

①對(duì)尾礦砂進(jìn)行篩分，各方孔篩上的累積篩余用Ax 表示，計(jì)算其細(xì)度模數(shù);

②對(duì)需改良砂進(jìn)行篩分，各方孔篩上的累積篩余用Bx 表示，計(jì)算其細(xì)度模數(shù);

③將尾礦砂與需改良砂按a∶b 混合進(jìn)行篩分，各方孔篩上的累積篩余用Cx 表示，Cx=a ×Ax +b ×Bx，x 取值1、2、3、4、5、6，計(jì)算其細(xì)度模數(shù)，其中a+b=1，且a 與b 取0.05 的正整數(shù)倍;

④當(dāng)混合砂的細(xì)度模數(shù)值在2.3～3.0 時(shí)，將a* 100%份尾礦砂和b* 100%份的需改良砂進(jìn)行充分混合后，得到混合砂;當(dāng)混合砂的細(xì)度模數(shù)值不在2.3～3.0 時(shí)，重復(fù)步驟①②③。

其中以尾礦砂為例，細(xì)度模數(shù)計(jì)算公式為:細(xì)度模數(shù)=【(A2 +A3 +A4 +A5 +A6)-5* A1】/(100-A1)，實(shí)例1 中a 取值0.35，b 取值0.65，a +b=1，混合砂的細(xì)度模數(shù)2.7，在2.3～3.0 之間，實(shí)例1的混合砂是按照質(zhì)量份數(shù)用上述35%的有色金屬礦尾礦砂與65%的機(jī)制砂充分混合得到。

實(shí)例2 中a 取值0.5，b 取值0.5，a +b=1，混合砂的細(xì)度模數(shù)2.7，在2.3～3.0 之間，實(shí)例2 的混合砂是按照質(zhì)量份數(shù)用上述50%的鐵尾礦砂與50%的河沙與機(jī)制砂組成的需改良砂充分混合得到。

實(shí)例3 中a 取值0.2，b 取值0.8，a+b=1，混合砂的細(xì)度模數(shù)2.8，在2.3～3.0 之間，實(shí)例3 的混合砂是按照質(zhì)量份數(shù)用上述20%的黃金礦尾礦砂與80%的河砂充分混合得到。

實(shí)例1～3 中的混合砂主要參數(shù)指標(biāo)，如表5 所示。其中混合砂的主要參數(shù)使用JGJ52-2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》檢驗(yàn)。

表5 混合砂主要參數(shù)指標(biāo)

利用上述實(shí)例1～3 的混合砂制備的預(yù)拌混凝土，主要數(shù)據(jù)如表6 所示。

表6 混合砂制備的預(yù)拌混凝土主要數(shù)據(jù) kg/m3

檢測(cè)預(yù)拌混凝土的工作性能、力學(xué)性能、耐久性能。工作性能的試驗(yàn)方法按照GB/T50080-2002《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行試驗(yàn)，檢測(cè)指標(biāo)要求滿足施工要求;力學(xué)性能試驗(yàn)方法按照GB/T50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行試驗(yàn)，檢測(cè)指標(biāo)要求滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求;耐久性能的試驗(yàn)方法按照GB/T50082-2002《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行試驗(yàn)，檢測(cè)指標(biāo)要求滿足設(shè)計(jì)耐久性要求。

預(yù)拌混凝土主要指標(biāo)如表7 所示，混凝土狀態(tài)如圖2 所示。

表7 預(yù)拌混凝土主要指標(biāo)

其中，上述預(yù)拌混凝土在制備過程中，投料順序都是石與混合砂攪拌10s～30s，再投入所述的膠凝材料、水、外加劑，攪拌10s～60s，出機(jī)。

4.2 混凝土試生產(chǎn)

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況、環(huán)境情況及其它影響對(duì)優(yōu)化后的配合比進(jìn)行試生產(chǎn)，同時(shí)進(jìn)行拌合物性能試驗(yàn)，符合要求即進(jìn)行生產(chǎn)，不符合要求進(jìn)行微調(diào)。

5 工程應(yīng)用

本技術(shù)自2013 年9 月份已大范圍應(yīng)用于中國(guó)建筑第八工程局有限公司承建的東城逸家建設(shè)項(xiàng)目工程2-2 地塊工程、中海華山北片區(qū)a 地塊地下車庫(kù)及配套設(shè)施工程、中海華山北片區(qū)A 地塊地下車庫(kù)及配套設(shè)施工程等建筑工程當(dāng)中，混凝土應(yīng)用量已超過100 萬(wàn)方，對(duì)確保混凝土的質(zhì)量、降低了混凝土成本、杜絕現(xiàn)場(chǎng)混凝土堵泵現(xiàn)象起到了重要作用，同時(shí)保護(hù)了環(huán)境。

圖1 東城逸家施工現(xiàn)場(chǎng)

圖2 中海華山北片區(qū)施工現(xiàn)場(chǎng)

圖3 中海華山北片區(qū)施工現(xiàn)場(chǎng)

6 效益分析

6.1 社會(huì)效益

本技術(shù)解決了目前原材料品種變化多樣、實(shí)際生產(chǎn)比例無(wú)法確定的現(xiàn)狀，尤其是混凝土中摻合料比例無(wú)明確的標(biāo)準(zhǔn)及試驗(yàn)方法，導(dǎo)致均為經(jīng)驗(yàn)比例，從而導(dǎo)致浪費(fèi)。本技術(shù)不僅為本公司的混凝土生產(chǎn)及質(zhì)量控制提供了可靠的依據(jù)，更為各預(yù)拌混凝土企業(yè)混凝土的質(zhì)量控制提供了借鑒，具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值，可有效的保護(hù)環(huán)境，避免資源的浪費(fèi)。

6.2 經(jīng)濟(jì)效益

采用本技術(shù)，可以大力推廣摻合料和回收水的使用，不僅改善了混凝土狀態(tài)，還大大降低了生產(chǎn)施工成本。山東建澤混凝土有限公司濟(jì)南分公司和青島分公司目前以生產(chǎn)混凝土，每方混凝土節(jié)約材料成本，降低排污費(fèi)，更為公司創(chuàng)造效益。

7 結(jié)語(yǔ)

本技術(shù)以事實(shí)為原則，數(shù)據(jù)充足且可靠，對(duì)機(jī)制砂與鐵尾礦砂的摻量確定，通過更科學(xué)的方法進(jìn)行確定，從而保證了混凝土的可泵性能。以雙摻粉煤灰和礦粉代替部分水泥，以大小粒徑組合、混摻等技術(shù)措施配置的具有良好的級(jí)配和低的空隙率的混合砂代替天然砂，使廢物得到利用，減少環(huán)境污染，節(jié)約資源，混凝土其工作性能優(yōu)于傳統(tǒng)預(yù)拌混凝土，成本降低，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益明顯。

［1］崔鑫，張海霞，李亞真，等.關(guān)于粉煤灰需水量比測(cè)試方法的幾點(diǎn)思考［J］.混凝土，2012(11):51-53.