電爐鎳鐵渣在高性能混凝土中的應(yīng)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(shí)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(shí)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(diǎn)，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(diǎn)，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(jì)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(huì)占用大量土地，并對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)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(jī)聚合物等方面。

鎳渣最高效的利用方式應(yīng)該是制成細(xì)骨料應(yīng)用到混凝土中。據(jù)中國混凝土網(wǎng)的不完全統(tǒng)計(jì)，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(jì)算，細(xì)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(jī)制砂，不僅能從根本上解決個(gè)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(huì)與經(jīng)濟(jì)效益。

當(dāng)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(jìn)步，尤其是 JC/T 2503—2018《用于水泥和混凝土中的鎳鐵渣粉》實(shí)施之后，使得更多人對(duì)鎳渣有了進(jìn)一步的了解。然而，在細(xì)骨料利用方面，許多混凝土企業(yè)對(duì)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(dān)心像鋼渣骨料一樣出現(xiàn)安定性問題。

表1 山東三個(gè)廠家的鎳渣化學(xué)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(fēng)險(xiǎn)也較小，相關(guān)研究人員的成果也確認(rèn)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(duì)山東的鎳渣，按機(jī)制砂型式檢驗(yàn)的要求，相關(guān)企業(yè)組織了多次檢驗(yàn)（表 2）。該材料符合 JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》以及GB 6566—2010《建筑材料放射性核素限量》中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求。

表2 鎳渣機(jī)制砂檢驗(yàn)結(jié)果總匯

在解決了易磨性問題之后，鎳渣機(jī)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(jī)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(yīng)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(jī)制砂篩分析

自 2016 年開始，該機(jī)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(jī)制砂用于預(yù)拌混凝土?xí)r有三個(gè)突出特點(diǎn)，使得這種材料非常適合配制高強(qiáng)、高性能混凝土：（1）外加劑吸附量小（MB 值=0.74g/kg）；（2）結(jié)實(shí)（壓碎值 7.4%，堅(jiān)固性 3%）；（3）不存在安定性問題。

1 高性能混凝土試驗(yàn)

高性能混凝土是以建設(shè)工程設(shè)計(jì)、施工和使用對(duì)混凝土性能特定要求為總體目標(biāo)，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(yù)拌和綠色生產(chǎn)方式以及嚴(yán)格的施工措施，制成具有優(yōu)異的拌合物性能、力學(xué)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(gè)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(shí)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(biāo)和宗旨。

高性能混凝土不是一個(gè)新的材料品種，而是一個(gè)綜合的概念，是以建設(shè)工程設(shè)計(jì)、施工和使用對(duì)混凝土性能特定要求的總體目標(biāo)。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(jī)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(yīng)性是聚羧酸的顯著優(yōu)勢(shì)。

（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(xué)設(shè)計(jì)配合比，并將開發(fā)與設(shè)計(jì)工作延伸到產(chǎn)品實(shí)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(qiáng)度 3d 為 27MPa，28d 為 51MPa。

（2）礦粉：日照鋼廠 S95 級(jí)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(jí)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(xì)骨料：山東新創(chuàng)升鎳渣機(jī)制砂，細(xì)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(jí)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(shè)計(jì)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(xué)性能試驗(yàn)

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(biāo)養(yǎng)試件的抗壓強(qiáng)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(qiáng)度值提高約一個(gè)等級(jí)。試驗(yàn)結(jié)果詳見表 5。

表5 高性能混凝土工作性能及力學(xué)性能

5 耐久性檢測(cè)

在 JGJ/T 385—2015《高性能混凝土評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中，對(duì)高性能混凝土的相關(guān)耐久性指標(biāo)有明確的要求。上述兩組配比（HPC35 和 HPC40）的混凝土對(duì)照耐久性指標(biāo)，重點(diǎn)檢測(cè)了抗氯離子滲透（RCM 法）、抗碳化、抗水滲透等性能（表 6），檢測(cè)結(jié)果合格。

表6 耐久性檢測(cè)

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(gè)月的觀測(cè)，混凝土 90d 的干縮值低于0.04%，在 28d 時(shí)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(hù)的關(guān)鍵期。

表7 收縮率（×10-4）

7 結(jié)論

（1）鎳渣機(jī)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(dá)到了 1000 萬噸，不但解決了當(dāng)?shù)氐沫h(huán)保難題，還給冶金企業(yè)帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)極大地緩解了本地區(qū)的用砂壓力。

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

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