镍铁冶炼废渣在混凝土中的应用研究

施引珍 钱忠伟 周婷婷

(1 南通华博建设工程有限公司，江苏 南通 226363;2 为海集团，江苏 泰州 225500)

1 引言

改革开放以来，我国经济持续快速增长，各项建设取得了巨大成就。与此同时，也付出了资源和环境代价，经济发展与资源环境的矛盾日益突出。混凝土是建筑工程中使用量最大、使用范围最广的工程材料，2013年、2014年混凝土年产量分别为21.96、15.5亿立方米，同比增长了18.77%、11.89%，因此需要消耗大量的原材料。镍铁冶炼废渣是一种工业固体废弃物，大量堆积，不易处理，还容易引起环境问题，将镍铁冶炼废渣在混凝土中资源化再利用是解决这一矛盾的有效途径［1～5］。

在混凝土生产中，将镍铁渣用作混凝土集料，可以极大地节约了石子、砂子等不可再生资源，降低生产成本，变废为宝，具有良好的经济与社会效益［6～7］。Wang［8］实验测量了粗镍铁渣的膨胀力，建立了铁镍渣颗粒、单位体积镍铁渣与膨胀力的关系，可以通过铁镍渣的体积与粒径得出其最大膨胀力，并以镍铁渣中水合氧化物(Cao/MgO)含量作为其使用标准，规范镍铁渣的使用范围。实验结果表明，将该铁镍渣作为粗集料使用时，硅酸盐水泥混凝土的体积稳定性能和抗压强度等性能指标合格，适合在工业上推广应用。Shoya 等人［9］采用粉碎后的镍铁渣作细集料探讨了自密实混凝土中的孔隙率与抗冻性能。结果表明，其相关性能指标符合日本工业标准(JIS)，当混凝土间距系数小于300μm 时其耐久性因子大于80。Maragkos 等人［10］研究了如何使用镍铁渣作为集料制备地质聚合物，并借助XRD 和SEM 技术手段分析其微观组织结构。研究表明，镍铁渣是一种合成无机聚合物的良好集料，在优良的合成条件下甚至还可以制备出内部结构密实、吸水率极低、抗压强度高达118MPa 的胶凝材料，具有巨大的潜在经济效益与社会效益。

本研究采用江苏泰州地区镍铁冶炼废渣，分析其替代天然砂用作混凝土细集料以及替代天然碎石用作混凝土粗集料对混凝土的和易性、力学性能等性能的影响，验证其可行性及在混凝土中的最佳掺入量。

2 试验原材料与试验方法

2.1 试验原材料

2.1.1 镍铁冶炼废渣

镍铁冶炼废渣取自泰州地区，人工破碎后筛分为0～5mm、5～16mm、16～31.5mm 级配，如图2.1所示。镍铁冶炼废渣的化学组成主要为SiO2和MgO，其次为CaO、Al2O3、Fe2O3，还含有Mn、P、Ti、Ni和Co 等微量元素，如表2.1 和表2.2 所示。经过压蒸法检测安定性合格，按照GB 6566 -2010《建筑材料放射性核素限量》进行放射性检测合格。

表2.1 镍铁渣化学组成分/%

表2.2 镍铁渣微量组分/ppm

图2.1 镍铁冶炼废渣颗粒形貌

2.1.2 其他原材料

水泥取自泰州杨湾海螺水泥有限责任公司，标号为P·Ⅱ52.5，水泥的标准稠度为27.6%，3d、28d抗压强度为32.2 MPa、58.6 MPa，安定性合格。

粉煤灰取自国电泰州发电有限公司，为Ⅱ级粉煤灰，28d 活性指数为75%。

细骨料为赣江天然砂，级配区Ⅱ区，细度模数2.4。

粗骨料是湖北人工碎石，经筛分洗净为5～16mm、16～31.5mm 级配，密度为2630 kg/m3。

外加剂是常州武进礼宝脂肪族高效减水剂，固含量是33%。

使用试验室自来水，符合JGJ 63 -2006《混凝土用水标准》要求。

2.2 试验方法

依据《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55 -2011)标准进行混凝土配合比设计，设计强度分别为C30，配合比见表2.3。采用人工成型法，成型试样规格为100mm ×100mm ×100mm 立方体，成型后静置24 h 脱模并置于标准养护室中分别养护3d、7d、28d，依据《普通混凝土拌合物性能试验方法》(GB/T50080 -2002)、《普通混凝土力学性能试验方法》(GB/T50081 -2002)测试混凝土的拌和物性能和力学性能。

表2.3 C35 强度等级混凝土基准配合比

3 试验结果与分析

3.1 镍铁渣在混凝土中用作细集料

镍铁渣在混凝土中用作细集料替代天然砂，掺入量分别为0、15%、30%、50%，制备C30 强度等级混凝土，检测混凝土的拌合物性能和力学性能等。

0～5mm 镍铁渣取代天然砂对混凝土和易性及抗压强度的影响见表3.1 和图3.1，由混凝土拌合物和易性和表3.1 可以看出:镍铁渣替代量小于30%时，和易性良好。但是，镍铁渣的取代量不宜过大，超过30%以后明显影响和易性。当掺入量为50%时，混凝土拌合物粘聚性不足，严重影响和易性。另外，掺入镍铁渣后混凝土的坍落度损失基本无影响，在混凝土中相容性较好。

表3.1 镍铁渣取代天然砂的混凝土的性能检测

分析原因为镍铁渣颗粒表面粗糙，和天然砂相比比表面积大、吸水量小，当掺入镍铁渣后，颗粒间接触摩擦使得混凝土和易性良好。镍铁渣表面不规则，和天然砂相比流动性差，保水性也比天然砂差，在混凝土中掺入量过高(50%)时导致混凝土和易性变差。因此，镍铁渣在混凝土中的适宜掺量为30%。

图3.1 0～5mm 镍铁渣取代天然砂对混凝土抗压强度的影响

从表3.1、图3.1 可以看出，掺入镍铁渣后，混凝土的3d、7d、28d 抗压强度随着掺量的增大逐渐提高，0～5mm 镍铁渣取代量达到50%时，与基准混凝土相比其实测表观密度增加15 kg/m3，强度提高23%。镍铁渣颗粒和天然砂相比比表面积大、吸水量小，当掺入镍铁渣后，细集料的颗粒级配变好，从而混凝土结构更加密实。而且，由表2.1 可知镍铁渣为高SiO2成分，可以促进水化反应，所以，混凝土中掺入镍铁渣有利于强度的提高。综合考虑掺入镍铁渣后混凝土和易性和强度的影响，镍铁渣适宜的掺量为30%。

3.2 镍铁渣在混凝土中用作粗集料

镍铁渣在混凝土中用作粗集料，分别取代5～16mm、16～31.5mm 碎石，掺入量分别为0、20%、40%、70%、100%，制备C30 强度等级混凝土，检测混凝土的拌合物性能和力学性能等。

5～16mm 镍铁渣取代5～16mm 碎石对混凝土和易性及抗压强度的影响见表3.2 和图3.2，由混凝土拌合物和易性、表3.2 和图3.2 可以看出:混凝土中5～16mm 镍铁渣替代碎石，混凝土的和易性良好。新拌混凝土中有少量骨料上浮，清洗过后颗粒表面分布有大量气孔，说明5～16mm 镍铁渣中有部分轻骨料。因此，随着5～16mm 镍铁渣取代量的提高，表观密度呈降低趋势。混凝土中5～16mm 镍铁渣替代碎石，坍落度损失基本无影响，说明镍铁渣不吸收水分，相容性良好。混凝土的3d、7d、28d 抗压强度随着镍铁渣掺量的增大逐渐提高，当取代量为100%时，相对基准混凝土实测表观密度降低约15kg/m3，抗压强度增长11%。由此说明，5～16mm 镍铁渣掺入混凝土中可以提高混凝土的早期和后期强度。

表3.2 镍铁渣碎石混凝土的性能检测

16～31.5mm 镍铁渣取代16～31.5mm 碎石对混凝土和易性及抗压强度的影响见表3.2 和图3.3，由试验现象、表3.2 和图3.3 可以看出:16～31.5mm镍铁渣颗粒级配、粒形偏好，所以混凝土的和易性很好，但部分集料上浮，清洗过后，集料表面均匀分布大量微小气孔，质地轻，导致混凝土的表观密度随着镍铁渣掺量的增加逐渐降低。镍铁渣对混凝土坍落度损失基本无影响，在混凝土中相容性好。混凝土的3d、7d、28d 抗压强度随着镍铁渣掺量的增大呈增长趋势，当16～31.5mm 镍铁渣取代量达到100%时，相对基准混凝土实测密度减少约25kg/m3，抗压强度增加19%。所以，16～31.5mm 镍铁渣对混凝土的早期和后期强度起到促进作用。

图3.2 5～16mm 镍铁渣对混凝土强度的影响

图3.316～31.5mm 镍铁渣对混凝土强度的影响

综上所述，镍铁渣颗粒较好，掺入混凝土中和易性符合要求。从表2.1 可见镍铁渣为高SiO2成分，在水泥水化过程中，可以和Ca(OH)2发生中和反应，有利于促进水化反应的进行，促进混凝土结构密实度提高。另外，表2.2 显示镍铁渣含有少量微量元素，可以作为激发剂加速水化进程和水化产物的生产。因此，镍铁渣掺入混凝土中可以提高混凝土的强度。所以，镍铁渣取代天然碎石在混凝土中用作粗集料是可行的，最大取代量可达100%。

4 结论

(1)0～5mm 镍铁渣替代0～5mm 天然砂在混凝土中用作细集料，混凝土和易性良好，强度值提高，最佳掺量为30%。

(2)5～16mm 镍铁渣替代5～16mm 天然碎石在混凝土中用作粗集料，混凝土和易性较好，强度值提高，掺量最大可达100%。

(3)16～31.5mm 镍铁渣替代16～31.5mm 天然碎石在混凝土中用作粗集料，混凝土和易性较好，强度值提高，掺量最大可达100%。

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