電爐鎳鐵渣在高性能混凝土中的應用

孫鑫義

（連云港中港混凝土有限公司，江蘇 連云港 222002）

0 前言

鎳渣是不銹鋼廠冶煉鎳鐵合金時產(chǎn)生的工業(yè)廢渣，也叫不銹鋼渣或鎳鐵渣，按生產(chǎn)工藝分為高爐鎳鐵渣和電爐鎳鐵渣。排渣時通常是采取水淬的方式急冷成為球狀顆粒物，粒徑一般在幾毫米至十幾毫米不等。

高爐鎳鐵渣具有鈣高、鐵化合物低的特點，晶體以硅酸二鈣、硅酸三鈣、尖晶石等礦物相為主，具有良好的膠凝活性和易磨性；電爐鎳鐵渣具有鈣低、鎂高、鐵化合物高等特點，晶體主要為鎂（鐵）橄欖石，其潛在活性低、易磨性差。[1]

近年來，隨著我國經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平的提高，鎳渣的年排放量已經(jīng)突破了 3000 萬噸[1]，若是不能被合理、有效地利用，將會占用大量土地，并對環(huán)境造成嚴重污染。因此，大力開展鎳渣的綜合利用就顯得尤為緊迫。目前鎳渣主要用在礦井充填、水泥、混凝土、微晶玻璃、無機聚合物等方面。

鎳渣最高效的利用方式應該是制成細骨料應用到混凝土中。據(jù)中國混凝土網(wǎng)的不完全統(tǒng)計，2019 年我國商品混凝土總產(chǎn)量為 27.38 億立方米。按普通混凝土的配合比用量計算，細骨料的需求量大約在 23 億噸。若是將大量堆棄的鎳渣制成機制砂，不僅能從根本上解決個別地區(qū)的環(huán)保難題，還能在很大程度上緩解天然砂的短缺局面，發(fā)揮出顯著的社會與經(jīng)濟效益。

當前，鎳渣在水泥混合材以及混凝土摻合料上的利用已經(jīng)有了一些進步，尤其是 JC/T 2503—2018《用于水泥和混凝土中的鎳鐵渣粉》實施之后，使得更多人對鎳渣有了進一步的了解。然而，在細骨料利用方面，許多混凝土企業(yè)對于鎳渣中較高的 MgO 含量仍有很大的戒備和疑慮，尤其是電爐鎳鐵渣（表 1[2]），擔心像鋼渣骨料一樣出現(xiàn)安定性問題。

表1 山東三個廠家的鎳渣化學成分分析 %

但由于鎳鐵渣中的 MgO 都是以鎂橄欖石或尖晶石的形式穩(wěn)定存在，而非以方鎂石的形式存在，難以產(chǎn)生類似的體積膨脹問題，因此其安定性風險也較小，相關(guān)研究人員的成果也確認了鎳鐵渣不存在安定性問題[1]。張勇[2]的研究表明：鎳渣的壓蒸存活率均在 94%以上，壓蒸粉化率均小于 10%，故鎳渣體積安定性良好。

針對山東的鎳渣，按機制砂型式檢驗的要求，相關(guān)企業(yè)組織了多次檢驗（表 2）。該材料符合 JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標準》以及GB 6566—2010《建筑材料放射性核素限量》中的相關(guān)標準和要求。

表2 鎳渣機制砂檢驗結(jié)果總匯

在解決了易磨性問題之后，鎳渣機制砂的發(fā)展得到了飛速提高。目前，江蘇、山東等地每年消耗的鎳渣超過 1000 萬噸，這些鎳渣全部被制成機制砂（其篩分分析結(jié)果見表 3）用于商品混凝土的生產(chǎn)，并且供不應求。鎳渣的來源主要是山東，少部分來自福建和廣東。

表3 鎳渣機制砂篩分析

自 2016 年開始，該機制砂便在蘇北、魯南地區(qū)大規(guī)模使用，并完全取代天然黃砂。

鎳渣機制砂用于預拌混凝土時有三個突出特點，使得這種材料非常適合配制高強、高性能混凝土：（1）外加劑吸附量小（MB 值=0.74g/kg）；（2）結(jié)實（壓碎值 7.4%，堅固性 3%）；（3）不存在安定性問題。

1 高性能混凝土試驗

高性能混凝土是以建設工程設計、施工和使用對混凝土性能特定要求為總體目標，選用優(yōu)質(zhì)常規(guī)原材料，合理摻加外加劑和礦物摻合料，采用較低水膠比并優(yōu)化配合比，通過預拌和綠色生產(chǎn)方式以及嚴格的施工措施，制成具有優(yōu)異的拌合物性能、力學性能、耐久性能和長期性能的混凝土。

高性能混凝土的概念由來已久，這個概念的提出主要是基于現(xiàn)代混凝土建筑劣化快而服役時間短，翻修及重建過于頻繁而提出的。提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性是高性能混凝土發(fā)展的目標和宗旨。

高性能混凝土不是一個新的材料品種，而是一個綜合的概念，是以建設工程設計、施工和使用對混凝土性能特定要求的總體目標。我們需要的是高性能的混凝土建筑結(jié)構(gòu)，或者使現(xiàn)有技術(shù)的混凝土高性能化。現(xiàn)階段，本地區(qū)的高性能混凝土配制的主體思路如下：

（1）立足現(xiàn)有優(yōu)質(zhì)原材料，優(yōu)先選用機制砂，避開河沙中泥土（主要是蒙脫土）的干擾。

（2）使用高性能減水劑。高保坍、高減水、低泌水、低收縮以及良好的水泥適應性是聚羧酸的顯著優(yōu)勢。

（3）在合理范圍內(nèi)優(yōu)化石子的品質(zhì)，降低空隙率。

（4）科學設計配合比，并將開發(fā)與設計工作延伸到產(chǎn)品實現(xiàn)的全流程。

2 原材料選取

（1）水泥：淮海中聯(lián) P·O42.5 水泥，表觀密度3100kg/m3，抗壓強度 3d 為 27MPa，28d 為 51MPa。

（2）礦粉：日照鋼廠 S95 級礦粉，表觀密度2800kg/m3，7d 活性 80%，28d 活性 98%。

（3）粉煤灰：新海電廠 Ⅱ級粉煤灰，表觀密度2600kg/m3，45μm 篩余 18%，需水量比 104%。

（4）減水劑：徐州巨龍聚羧酸減水劑 JL-1，密度1.1kg/L，減水率 25%。

（5）細骨料：山東新創(chuàng)升鎳渣機制砂，細度模數(shù)2.6，Ⅱ區(qū)中砂，表觀密度 2940kg/m3。

（6）粗骨料：山東地區(qū)片麻巖，5～25mm 連續(xù)級配，壓碎值 9%，針片狀含量 8%，松散堆積空隙率45%，表觀密度 2650kg/m3。

3 配合比

設計原則：漿骨比：35:65，水膠比不大于 0.45，用水量不大于 175kg/m3。具體配合比見表 4。

表4 高性能混凝土配合比 kg/m3

4 混凝土工作性能及力學性能試驗

經(jīng)過試拌，混凝土拌合物狀態(tài)優(yōu)良，展現(xiàn)出了優(yōu)異的施工性能。標養(yǎng)試件的抗壓強度富余值較高，相較于天然砂混凝土，在同水膠比情況下，抗壓強度值提高約一個等級。試驗結(jié)果詳見表 5。

表5 高性能混凝土工作性能及力學性能

5 耐久性檢測

在 JGJ/T 385—2015《高性能混凝土評價標準》中，對高性能混凝土的相關(guān)耐久性指標有明確的要求。上述兩組配比（HPC35 和 HPC40）的混凝土對照耐久性指標，重點檢測了抗氯離子滲透（RCM 法）、抗碳化、抗水滲透等性能（表 6），檢測結(jié)果合格。

表6 耐久性檢測

6 混凝土的體積穩(wěn)定性以及干縮規(guī)律

經(jīng)過為期 4 個月的觀測，混凝土 90d 的干縮值低于0.04%，在 28d 時完成了 80% 以上的收縮，7d 的收縮量約占總量的一半（表 7）。該數(shù)據(jù)也再次證明：混凝土成型后的 7 天是養(yǎng)護的關(guān)鍵期。

表7 收縮率（×10-4）

7 結(jié)論

（1）鎳渣機制砂的大量使用，使得電爐鎳鐵渣的利用率得到了很大的提高，江蘇和山東地區(qū)每年的消耗量達到了 1000 萬噸，不但解決了當?shù)氐沫h(huán)保難題，還給冶金企業(yè)帶來了可觀的經(jīng)濟效益，同時極大地緩解了本地區(qū)的用砂壓力。

（2）鎳渣機制砂的性能優(yōu)良，滿足機制砂的型式檢驗、放射性要求，沒有安定性問題。

（3）鎳渣機制砂配制的高性能混凝土在力學、耐久性以及體積穩(wěn)定性方面具有良好的性能。