鎳鐵冶煉廢渣在混凝土中的應用研究

施引珍 錢忠偉 周婷婷

(1 南通華博建設工程有限公司，江蘇 南通 226363;2 為海集團，江蘇 泰州 225500)

1 引言

改革開放以來，我國經濟持續快速增長，各項建設取得了巨大成就。與此同時，也付出了資源和環境代價，經濟發展與資源環境的矛盾日益突出。混凝土是建筑工程中使用量最大、使用范圍最廣的工程材料，2013年、2014年混凝土年產量分別為21.96、15.5億立方米，同比增長了18.77%、11.89%，因此需要消耗大量的原材料。鎳鐵冶煉廢渣是一種工業固體廢棄物，大量堆積，不易處理，還容易引起環境問題，將鎳鐵冶煉廢渣在混凝土中資源化再利用是解決這一矛盾的有效途徑［1～5］。

在混凝土生產中，將鎳鐵渣用作混凝土集料，可以極大地節約了石子、砂子等不可再生資源，降低生產成本，變廢為寶，具有良好的經濟與社會效益［6～7］。Wang［8］實驗測量了粗鎳鐵渣的膨脹力，建立了鐵鎳渣顆粒、單位體積鎳鐵渣與膨脹力的關系，可以通過鐵鎳渣的體積與粒徑得出其最大膨脹力，并以鎳鐵渣中水合氧化物(Cao/MgO)含量作為其使用標準，規范鎳鐵渣的使用范圍。實驗結果表明，將該鐵鎳渣作為粗集料使用時，硅酸鹽水泥混凝土的體積穩定性能和抗壓強度等性能指標合格，適合在工業上推廣應用。Shoya 等人［9］采用粉碎后的鎳鐵渣作細集料探討了自密實混凝土中的孔隙率與抗凍性能。結果表明，其相關性能指標符合日本工業標準(JIS)，當混凝土間距系數小于300μm 時其耐久性因子大于80。Maragkos 等人［10］研究了如何使用鎳鐵渣作為集料制備地質聚合物，并借助XRD 和SEM 技術手段分析其微觀組織結構。研究表明，鎳鐵渣是一種合成無機聚合物的良好集料，在優良的合成條件下甚至還可以制備出內部結構密實、吸水率極低、抗壓強度高達118MPa 的膠凝材料，具有巨大的潛在經濟效益與社會效益。

本研究采用江蘇泰州地區鎳鐵冶煉廢渣，分析其替代天然砂用作混凝土細集料以及替代天然碎石用作混凝土粗集料對混凝土的和易性、力學性能等性能的影響，驗證其可行性及在混凝土中的最佳摻入量。

2 試驗原材料與試驗方法

2.1 試驗原材料

2.1.1 鎳鐵冶煉廢渣

鎳鐵冶煉廢渣取自泰州地區，人工破碎后篩分為0～5mm、5～16mm、16～31.5mm 級配，如圖2.1所示。鎳鐵冶煉廢渣的化學組成主要為SiO2和MgO，其次為CaO、Al2O3、Fe2O3，還含有Mn、P、Ti、Ni和Co 等微量元素，如表2.1 和表2.2 所示。經過壓蒸法檢測安定性合格，按照GB 6566 -2010《建筑材料放射性核素限量》進行放射性檢測合格。

表2.1 鎳鐵渣化學組成分/%

表2.2 鎳鐵渣微量組分/ppm

圖2.1 鎳鐵冶煉廢渣顆粒形貌

2.1.2 其他原材料

水泥取自泰州楊灣海螺水泥有限責任公司，標號為P·Ⅱ52.5，水泥的標準稠度為27.6%，3d、28d抗壓強度為32.2 MPa、58.6 MPa，安定性合格。

粉煤灰取自國電泰州發電有限公司，為Ⅱ級粉煤灰，28d 活性指數為75%。

細骨料為贛江天然砂，級配區Ⅱ區，細度模數2.4。

粗骨料是湖北人工碎石，經篩分洗凈為5～16mm、16～31.5mm 級配，密度為2630 kg/m3。

外加劑是常州武進禮寶脂肪族高效減水劑，固含量是33%。

使用試驗室自來水，符合JGJ 63 -2006《混凝土用水標準》要求。

2.2 試驗方法

依據《普通混凝土配合比設計規程》(JGJ55 -2011)標準進行混凝土配合比設計，設計強度分別為C30，配合比見表2.3。采用人工成型法，成型試樣規格為100mm ×100mm ×100mm 立方體，成型后靜置24 h 脫模并置于標準養護室中分別養護3d、7d、28d，依據《普通混凝土拌合物性能試驗方法》(GB/T50080 -2002)、《普通混凝土力學性能試驗方法》(GB/T50081 -2002)測試混凝土的拌和物性能和力學性能。

表2.3 C35 強度等級混凝土基準配合比

3 試驗結果與分析

3.1 鎳鐵渣在混凝土中用作細集料

鎳鐵渣在混凝土中用作細集料替代天然砂，摻入量分別為0、15%、30%、50%，制備C30 強度等級混凝土，檢測混凝土的拌合物性能和力學性能等。

0～5mm 鎳鐵渣取代天然砂對混凝土和易性及抗壓強度的影響見表3.1 和圖3.1，由混凝土拌合物和易性和表3.1 可以看出:鎳鐵渣替代量小于30%時，和易性良好。但是，鎳鐵渣的取代量不宜過大，超過30%以后明顯影響和易性。當摻入量為50%時，混凝土拌合物粘聚性不足，嚴重影響和易性。另外，摻入鎳鐵渣后混凝土的坍落度損失基本無影響，在混凝土中相容性較好。

表3.1 鎳鐵渣取代天然砂的混凝土的性能檢測

分析原因為鎳鐵渣顆粒表面粗糙，和天然砂相比比表面積大、吸水量小，當摻入鎳鐵渣后，顆粒間接觸摩擦使得混凝土和易性良好。鎳鐵渣表面不規則，和天然砂相比流動性差，保水性也比天然砂差，在混凝土中摻入量過高(50%)時導致混凝土和易性變差。因此，鎳鐵渣在混凝土中的適宜摻量為30%。

圖3.1 0～5mm 鎳鐵渣取代天然砂對混凝土抗壓強度的影響

從表3.1、圖3.1 可以看出，摻入鎳鐵渣后，混凝土的3d、7d、28d 抗壓強度隨著摻量的增大逐漸提高，0～5mm 鎳鐵渣取代量達到50%時，與基準混凝土相比其實測表觀密度增加15 kg/m3，強度提高23%。鎳鐵渣顆粒和天然砂相比比表面積大、吸水量小，當摻入鎳鐵渣后，細集料的顆粒級配變好，從而混凝土結構更加密實。而且，由表2.1 可知鎳鐵渣為高SiO2成分，可以促進水化反應，所以，混凝土中摻入鎳鐵渣有利于強度的提高。綜合考慮摻入鎳鐵渣后混凝土和易性和強度的影響，鎳鐵渣適宜的摻量為30%。

3.2 鎳鐵渣在混凝土中用作粗集料

鎳鐵渣在混凝土中用作粗集料，分別取代5～16mm、16～31.5mm 碎石，摻入量分別為0、20%、40%、70%、100%，制備C30 強度等級混凝土，檢測混凝土的拌合物性能和力學性能等。

5～16mm 鎳鐵渣取代5～16mm 碎石對混凝土和易性及抗壓強度的影響見表3.2 和圖3.2，由混凝土拌合物和易性、表3.2 和圖3.2 可以看出:混凝土中5～16mm 鎳鐵渣替代碎石，混凝土的和易性良好。新拌混凝土中有少量骨料上浮，清洗過后顆粒表面分布有大量氣孔，說明5～16mm 鎳鐵渣中有部分輕骨料。因此，隨著5～16mm 鎳鐵渣取代量的提高，表觀密度呈降低趨勢。混凝土中5～16mm 鎳鐵渣替代碎石，坍落度損失基本無影響，說明鎳鐵渣不吸收水分，相容性良好。混凝土的3d、7d、28d 抗壓強度隨著鎳鐵渣摻量的增大逐漸提高，當取代量為100%時，相對基準混凝土實測表觀密度降低約15kg/m3，抗壓強度增長11%。由此說明，5～16mm 鎳鐵渣摻入混凝土中可以提高混凝土的早期和后期強度。

表3.2 鎳鐵渣碎石混凝土的性能檢測

16～31.5mm 鎳鐵渣取代16～31.5mm 碎石對混凝土和易性及抗壓強度的影響見表3.2 和圖3.3，由試驗現象、表3.2 和圖3.3 可以看出:16～31.5mm鎳鐵渣顆粒級配、粒形偏好，所以混凝土的和易性很好，但部分集料上浮，清洗過后，集料表面均勻分布大量微小氣孔，質地輕，導致混凝土的表觀密度隨著鎳鐵渣摻量的增加逐漸降低。鎳鐵渣對混凝土坍落度損失基本無影響，在混凝土中相容性好。混凝土的3d、7d、28d 抗壓強度隨著鎳鐵渣摻量的增大呈增長趨勢，當16～31.5mm 鎳鐵渣取代量達到100%時，相對基準混凝土實測密度減少約25kg/m3，抗壓強度增加19%。所以，16～31.5mm 鎳鐵渣對混凝土的早期和后期強度起到促進作用。

圖3.2 5～16mm 鎳鐵渣對混凝土強度的影響

圖3.316～31.5mm 鎳鐵渣對混凝土強度的影響

綜上所述，鎳鐵渣顆粒較好，摻入混凝土中和易性符合要求。從表2.1 可見鎳鐵渣為高SiO2成分，在水泥水化過程中，可以和Ca(OH)2發生中和反應，有利于促進水化反應的進行，促進混凝土結構密實度提高。另外，表2.2 顯示鎳鐵渣含有少量微量元素，可以作為激發劑加速水化進程和水化產物的生產。因此，鎳鐵渣摻入混凝土中可以提高混凝土的強度。所以，鎳鐵渣取代天然碎石在混凝土中用作粗集料是可行的，最大取代量可達100%。

4 結論

(1)0～5mm 鎳鐵渣替代0～5mm 天然砂在混凝土中用作細集料，混凝土和易性良好，強度值提高，最佳摻量為30%。

(2)5～16mm 鎳鐵渣替代5～16mm 天然碎石在混凝土中用作粗集料，混凝土和易性較好，強度值提高，摻量最大可達100%。

(3)16～31.5mm 鎳鐵渣替代16～31.5mm 天然碎石在混凝土中用作粗集料，混凝土和易性較好，強度值提高，摻量最大可達100%。

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