鎳渣砂混凝土路用性能研究

王夢婷 顧連勝 陳松靖 梁炯豐

摘 要：為了緩解我國砂石短缺的壓力，實現鎳渣的資源化利用，將鎳渣砂替代部分機制砂作為細集料制備水泥路面混凝土，研究鎳渣砂的摻量對水泥路面混凝土工作性能、力學強度、耐磨性能以及孔隙結構的影響。試驗結果表明：復摻30%的鎳渣砂可以改善機制砂路面混凝土的和易性，優化孔隙結構，降低孔隙率，提高路面混凝土的抗壓強度、抗折強度以及耐磨性能；但是當鎳渣砂摻量超過30%時，混凝土的保水性能變差，逐漸出現泌水現象，使得混凝土內部的有害孔及多害孔的數量增多，最可幾孔徑變大，孔隙率增大，從而使得混凝土的抗壓強度與抗折強度降低，耐磨性能變差。因此，鎳渣砂的摻量不宜超過細集料總量的30%。

關鍵詞：鎳渣砂；路面混凝土；力學性能；耐磨性能；孔隙結構

中圖分類號：TU528 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2023.01.003

0 引言

隨著工程建設的快速發展，天然河砂資源匱乏的局面越來越嚴重，為了堅持可持續發展戰略，尋找可行的天然砂替代資源成為當務之急。鎳渣作為鎳冶煉廠和不銹鋼冶煉廠排放的一種工業廢渣，是我國繼鐵渣、鋼渣和赤泥之后的第四大冶煉工業廢渣[1]，每生產1 t鎳鐵約排出14 t鎳渣[2]。為了實現資源化利用，解決鎳渣隨意堆放造成的土地資源占用和環境污染等問題，因此，對鎳渣的綜合利用開展研究具有重要意義。由于鎳渣具有高密實度、低吸水率、高硬度的材料特性，將其作為細集料替代天然砂制備混凝土具有可行性。李一龍[3]研究了鎳渣取代部分天然砂對混凝土力學強度及耐久性能的影響，結果表明鎳渣取代30%的天然砂，混凝土的耐磨性能和強度最佳，還能顯著改善混凝土抗氯離子滲透性能和抗硫酸鹽侵蝕性能。羅乃將等[4]探討了鎳渣砂摻量對高強混凝土強度的影響，結果表明，隨著摻量的增大，混凝土的強度呈上升的趨勢，當鎳渣砂摻量為100%時，強度最高。丁天庭等[5]基于鎳渣的微集料效應研究了不同摻量的鎳渣對混凝土抗壓強度和孔隙結構的影響，結果表明，摻入20%的鎳渣砂時，混凝土的抗壓強度最大，有效地降低了混凝土的孔隙率，細化了孔徑。文獻[6]研究表明，高密實度的鎳渣作為細集料替代部分天然砂可以提高混凝土的抗壓強度，但是鎳渣完全替代天然砂會降低抗壓強度。Liu等[7]指出，可以將適量的鎳渣作為細骨料使用，這有利于提高混凝土的耐久性，尤其是耐磨性。Nuruzzaman等[8]在生產高強度、高耐久性的自密實混凝土時，使用鎳渣砂替代50%的天然砂可以提高混凝土的抗壓強度，改善混凝土的耐久性能。

綜上所述，目前國內外已有的研究成果表明，將鎳渣砂作為細集料應用于混凝土中具有潛在效益，但對鎳渣砂的最佳摻量范圍尚未形成統一定論，鎳渣砂與機制砂復摻對混凝土的路用性能與微觀孔隙結構的影響機制尚不明確，如何進行具體的應用還有待深入研究。本文將鎳渣與機制砂按照不同比例混合，完全替代天然砂作為細骨料制備路面混凝土，通過研究鎳渣砂摻量對路面混凝土的工作性能、力學強度、耐磨性能以及微觀孔隙分布的影響，得出鎳渣砂的最佳摻量。

1 試驗概況

1.1 試驗原材料

細集料：玄武巖機制砂選自石家莊德澤礦產品有限公司，其表面粗糙、多棱角，細度模數為2.6，屬于顆粒級配良好的Ⅱ區中砂；取代機制砂所用的鎳渣砂產自山東省臨沂市鑫海科技有限公司，鎳渣砂細度模數為3.2，符合《建設用砂》（GB/T 14684—2011）[9]要求。鎳渣砂的XRD物相分析見圖1，主要礦物組成為鎂橄欖石、鎂鐵橄欖石。鎳渣砂粒徑分布見圖2，細集料粒徑分布見表1。從圖2和表1可以看出，鎳渣砂顆粒主要集中分布在2.36 ～ 0.60 mm，級配不良。表2為鎳渣的化學成分分析表，主要成分為SiO2、MgO。細集料微觀形貌圖見圖3，基本性能見表3。

水泥：選用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其主要物理性能見表4，化學成分含量見表5。

粗集料：選用5 ～ 25 mm連續級配的碎石。

減水劑：選用德國巴斯夫聚羧酸高效減水劑，推薦摻量為0.05% ～ 1.00%。

水：普通自來水。

1.2 混合砂顆粒級配分析

砂的質量直接影響著混凝土的質量，在同樣條件下，良好的顆粒級配能夠降低孔隙率，骨料之間可形成更好的骨架結構，直接影響著混凝土強度[10]。如圖2所示，本試驗中鎳渣砂的顆粒偏粗，粒徑主要集中在2.36 ～ 0.60 mm，細顆粒少，屬于級配不良的粗砂。為了更好地將鎳渣砂應用于公路路面混凝土中，本試驗根據《建設用砂》（GB/T 14684—2011）[9]中規定的方法對摻有0、20%、30%、40%、50%、70%、100%鎳渣砂的混合砂進行顆粒級配分析，分別記為MS、NS-20、NS-30、NS-40、NS-50、NS-70、NS-100，最終選擇符合Ⅱ區中砂范圍的混合砂作為細集料制備路面混凝土并進行后續的路用性能試驗研究。

圖4為混合砂顆粒級配曲線圖。從圖4可以看出，機制砂細度模數為2.6，且級配曲線完全落在了Ⅱ區機制砂級配曲線范圍內，符合施工要求；在鎳渣砂摻量超過50%時，混合砂級配曲線逐漸偏離Ⅱ區機制砂級配曲線范圍。從混合砂細度模數（表6）來看，隨著鎳渣砂摻量的提高，混合砂的細度模數逐漸增大，在摻量不超過50%時均能達到中砂范圍（2.3 ～ 3.0 mm），當鎳渣砂摻量超過50%時，混合砂的細度模數超出Ⅱ區中砂范圍，與混凝土用砂標準相差甚遠，若使用這種比例將鎳渣砂和機制砂混合作為混凝土細集料，會導致混凝土的孔隙率高、密實度低，從而影響其力學強度和耐久性能。因此，本文將選擇摻量為0、20%、30%、40%、50%的鎳渣取代機制砂作為細集料制備路面混凝土。

1.3 試驗方法及配合比設計

本試驗道路項目假定為無抗冰凍要求的二級公路，交通荷載等級為中級，根據《公路水泥混凝土路面設計規范》（JTG D40—2011）[11]規定：路面設計安全標準為二級，28 d設計抗彎拉強度標準值4.5 MPa；同時，根據公路等級和施工條件，假定水泥混凝土路面采用三輥軸機組鋪筑，設計坍落度標準為30 ～ 50 mm。根據混合砂顆粒級配分析結果（圖4和表6）可知，當鎳渣砂摻量超過50%，混合砂屬于級配不良的粗砂，用其制備混凝土將會嚴重影響混凝土的整體性能；另外，有學者通過大量試驗研究得出：鎳渣砂的最佳取代率范圍在0 ～ 30% [3，12]。綜合考慮以上兩點，故本文選用0、20%、30%、40%、50%摻量的鎳渣砂逐步取代機制砂作為細集料，并根據《公路水泥混凝土路面施工技術細則》（JTG/T F30—2014）[13]對鎳渣砂路面混凝土進行配合比設計，其配合比見表7。

按照表7的配合比，制成150 mm×150 mm×150 mm的標準立方體抗壓試塊和150 mm×150 mm×550 mm的標準抗折試塊，待混凝土試塊分別養護至3 d、14 d、28 d齡期后，按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》（JTG 3420—2020）[14]進行抗壓和抗折試驗；并且在養護28 d后，按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》（JTG 3420—2020）[14]對混凝土進行耐磨性能的測定。參考標準ASTM D4404[15]，選取混凝土經過28 d齡期抗壓試驗后對中間10 mm×10 mm×10 mm的水泥砂漿塊進行壓汞試驗，試驗過程中將汞壓入試件的孔隙中，根據進汞量和退汞量，測定出試樣內部孔徑的范圍分布。

2 試驗結果與分析

2.1 鎳渣砂對路面混凝土工作性能的影響

鎳渣砂混凝土工作性能如表8所示。由表8可知，全機制砂混凝土坍落度低、狀態黏稠，這主要與機制砂表面粗糙、多棱角的材料特性有關（圖1），機制砂與水泥漿體的接觸面積大、摩擦力大，因此造成混凝土的流動性變差。隨著鎳渣砂的摻入，機制砂混凝土的坍落度顯著增大，這是因為鎳渣砂是一種表面光滑具有“滾珠效應”的圓球狀玻璃體，具有良好的形態效應，在混凝土的拌合物中可以起到潤滑作用，它的摻入大幅度改善了機制砂混凝土的流動性[16]；但由于其表面光滑、低吸水率的特性，導致在摻入過量的鎳渣砂時會增大水泥漿體的泌水性，使得骨料外漏，從而也對混凝土的力學強度和耐久性能產生了不利的影響。0 ～ 30%鎳渣砂摻量既能改善混凝土流動性，又能保證混凝土具有良好的保水性。

2.2 鎳渣砂對路面混凝土力學性能的影響

經試驗得到鎳渣砂混凝土的力學強度如表9所示。從表9可以看到，隨著齡期的增長，混凝土的力學性能逐漸提高，所有混凝土的28 d抗折強度均能達到設計抗折強度4.5 MPa的要求，混凝土的抗壓強度也能達到路面混凝土要求的C35標準。在相同齡期內，混凝土的抗壓強度隨著鎳渣摻量的增加而先增大后減小，抗折強度變化規律與抗壓結果一致。摻量在30%以內的鎳渣砂混凝土的力學性能優于機制砂混凝土對照組；當鎳渣砂的摻量為50%時，混凝土28 d的抗折強度和抗壓強度較機制砂對照組分別下降了6.3%和5.5%。

由表9可知，混凝土的抗折強度、抗壓強度先增大后減小，這主要有兩方面的原因。其一，因為摻量小于30%的鎳渣砂混凝土拌合物的性能良好，使得混凝土整體的密實度變好，孔隙率降低，從而提高了混凝土的力學強度；但是又因為鎳渣砂是一種表面光滑的玻璃體，與水泥漿體的咬合度不如表面粗糙的機制砂，易在其與水泥漿體界面形成積水區，隨著其摻量增加至40%時，混凝土出現泌水現象，導致保水性能下降，從而使得試件內部的孔隙率增大，密實度降低，這也是影響混凝土強度變差的主要原因[12]。其二，由表3可知，鎳渣砂的壓碎指標值（4.3%）明顯低于機制砂（5.2%），說明鎳渣砂比機制砂具有更強抵抗壓碎的能力，復摻一定比例的鎳渣砂可以降低混合砂的壓碎指標值，提高混合砂抵抗因外力作用而產生變形的能力。因此摻入適量的鎳渣能夠優化機制砂混凝土的力學性能，但當鎳渣砂摻入量繼續增大時（≥ 30%），混合砂整體粒徑逐漸偏粗，粒徑分布不均的細集料會嚴重影響試樣的密實度，使得內部疏松多孔，從而對抗壓強度和抗折強度造成不利的影響。

綜上所述，摻入30%以內的鎳渣砂可以提高混凝土的力學性能，但當鎳渣砂過量時，將會導致混凝土拌合物的保水性降低，泌水性增強，黏聚性變差，試樣內部有害孔增多，從而大幅度降低了力學性能。

2.3 鎳渣砂對路面混凝土耐磨性能的影響

為了更好地將鎳渣砂運用到路面混凝土中，本試驗對鎳渣砂混凝土進行了耐磨性能測定，見圖5。由圖5可知，隨著鎳渣砂摻量的增大，混凝土的磨損量先減少后增加，即混凝土的耐磨性能先提高后降低。根據長安大學對路面混凝土推薦的耐磨性指標，混凝土的磨損量應小于2.500 kg/m2 [17]，本試驗中所有的混凝土磨損量均符合要求。當摻入30%的鎳渣砂時，混凝土的磨損量為0.901 kg/m2，磨損量最低，相較于機制砂對照組降低了18.8%，耐磨性能最強；而摻量為50%的鎳渣砂混凝土的磨損量為1.274 kg/m2，磨損量最高，相較于機制砂對照組提高了14.9%，耐磨性能最差。

隨著鎳渣砂摻量的增大，混凝土的耐磨性能先提高后降低。分析原因：首先，集料自身的耐磨損能力對混凝土耐磨性能有較大影響[18]。由于經過高溫煅燒后產生的鎳渣結構致密，物相中含有一定量的鎂鐵橄欖石，使得鎳渣的硬度高，耐磨能力強，因此鎳渣砂的適量摻入提高了混凝土抗壓強度和耐磨性能。其次，影響路面混凝土耐磨性能的原因還有水泥砂漿的耐磨損能力以及集料與水泥砂漿的界面區間黏結力[19]。由于鎳渣砂顆粒表面光滑，加入過量的鎳渣，會使其顆粒與水泥石界面黏結力降低，顆粒之間的機械咬合力減弱，因此摻量大于30%的鎳渣砂混凝土的耐磨性能差于機制砂混凝土。綜合鎳渣砂摻量對路面混凝土力學強度和耐磨性能的影響，鎳渣砂的最優摻量為30%。

2.4 鎳渣砂對路面混凝土孔隙結構的影響

孔隙是水泥石與界面過渡區的重要組成部分，孔徑大小及其分布可反映水泥石的宏觀力學性能[20]。當基體界面處的孔隙增多時，漿體與骨料的黏結性能下降，最終導致混凝土力學性能劣化[21]。本試驗通過分析各組混凝土的孔隙分布來進一步驗證鎳渣砂摻量對機制砂混凝土力學及耐久性能的影響結果，選用28 d齡期時混凝土試塊破碎后不含粗骨料的砂漿試塊進行試驗，試驗結果見表10。隨著鎳渣砂復摻比例的增大，混凝土的總孔隙率先減小后增大（NS-30＜NS-20＜MS＜NS-40＜NS-50）。孔徑分布積分曲線反映了不同混凝土試塊的累計進汞體積量，最終累計進汞量代表了不同試樣中有效孔隙量的變化規律，積分曲線圖如圖6所示。可以明顯看出累計進汞體積的大小排列為NS-30＜NS-20＜MS＜NS-40＜NS-50，與總孔隙率的變化一致。

各組混凝土的孔徑分布微分曲線圖見圖7。總體上，混凝土試樣的孔徑分布近似呈正態分布，曲線的峰值點所對應的孔徑大小，也叫最可幾孔徑[22]，最可幾孔徑表示混凝土中可能出現的最大孔徑。復摻20%、復摻30%的鎳渣砂混凝土NS-20、NS-30組相較于機制砂混凝土MS組的微分曲線向左移動，即峰值點對應的最可幾孔徑減小，表明摻入30%以內的鎳渣砂可以減小機制砂混凝土內部的最大孔徑。而NS-40、NS-50組的峰值點向右移動，混凝土的最可幾孔徑增大。

影響混凝土力學性能的因素不僅僅是內部孔隙率，還有孔徑及其分布[23]。根據吳中偉等[24]提出的孔徑分布劃分標準，可以將孔分為：無害孔（＜20 nm）、少害孔（20 ～ ＜50 nm）、有害孔（50 ～ 200 nm）以及多害孔（＞200 nm）4大類。而多害孔和有害孔的總數量越少，則混凝土力學性能和耐久性能更強[25]。從各組混凝土孔徑分布情況（表10）可知，摻量為0、20%、30%、40%、50%的鎳渣砂混凝土的多害孔和有害孔比例之和分別為43.02%、39.53%、36.80%、43.49%、46.39%。說明復摻30%以內的鎳渣砂可以細化機制砂混凝土內部的大孔隙，降低有害孔及多害孔的數量；而當復摻比例達到40%時，混凝土出現泌水現象，水泥漿體與骨料之間的包裹性變差，試樣中多害孔和有害孔的比例顯著增加。從力學強度及耐磨性能來看，NS-20組和NS-30組優于MS組，MS組優于NS-40和NS-50組，其中NS-30組最優，這與孔徑分布試驗結果一致。

3 結論

1）鎳渣砂摻量不超過50%的混合砂細度模數仍能位于中砂范圍內，且混合砂的級配曲線更接近混凝土用砂Ⅱ區要求，提高了混合砂的質量。

2）鎳渣砂的摻入可以明顯提高混凝土的流動性，但摻入過量的鎳渣砂會降低拌合物的保水性能，使得混凝土出現泌水現象。

3）混凝土的力學強度隨鎳渣砂摻量的增大而先增大后減小，并且在摻量為30%時達到最大值。

4）摻入適量的鎳渣能夠顯著改善機制砂混凝土的耐磨性能。

5）混凝土的孔隙率、最可幾孔徑大小以及有害孔與多害孔的數量之和均隨著鎳渣摻量的增大而先減小后增大，鎳渣砂摻量為30%時，混凝土的孔隙結構分布最優。

6）綜合考慮鎳渣路面混凝土的工作性能、力學強度、耐磨性能以及孔隙結構分析試驗結果，初步得出鎳渣最佳摻量為30%。

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Study on road performance of nickel slag sand concrete

WANG Mengting， GU Liansheng， CHEN Songjing*， LIANG Jiongfeng

（School of Civil Engineering and Architecture， East China University of Technology， Nanchang 330013， China）

Abstract： As China is short of sand and gravel， the resource of nickel slag sand should be utilized by replacing some manufactured sand with nickel slag sand as fine aggregate to prepare cement pavement concrete. In this paper， the effects of nickel slag sand content on working performance， mechanical strength， abrasion resistance and pore structure of cement pavement concrete were studied. The results showed that the addition of 30% nickel slag sand could improve the workability， optimize pore structure， reduce porosity， and improve the compressive strength， flexural strength， and abrasion resistance of pavement concrete. However， when the content of nickel slag sand was more than 30%， the water-holding performance of concrete became worse and the bleeding phenomenon appeared gradually， which made the number of harmful holes and multi-harmful holes in concrete increase， and the most probable pore size became larger and the porosity increased， therefore， the compressive strength and flexural strength of concrete were reduced， and the abrasion resistance was worse. Therefore， the content of nickel slag sand can not exceed 30% of the total fine aggregate.

Key words： nickel slag sand; pavement concrete; mechanical properties; abrasion resistance; pore structure

（責任編輯：羅小芬）