镍铁渣安定性检验方法及评定依据

王光伟 张 桥 施引珍

(1.深圳市为海建材有限公司，广东 深圳 518114;2.南通华博建设工程有限公司，江苏 南通 226011)

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，将镍铁渣在混凝土中资源化再利用是解决这一矛盾的有效途径。在混凝土生产中，将镍铁渣用作混凝土集料，可以极大地节约了碎石、河砂等不可再生资源，降低生产成本，变废为宝，具有良好的经济效益与社会效益［1～2］。

然而，镍铁渣中MgO 含量较高，还存在不安定成分，若镍铁渣安定性不良会使混凝土结构产生膨胀、开裂，降低建筑物的外观质量和承载能力，甚至引起严重的事故，成为潜在的隐患［3～4］。因此，将镍铁渣替代砂石在混凝土中用作粗细集料，需要检测在混凝土中的体积安定性，检验合格后方能使用［5～7］。但是目前关于骨料的安定性检测和评价方法都处于研究阶段，尚无公认的标准检测方法［8～9］。本试验研究泰州地区镍铁渣，根据镍铁渣在混凝土中用作细集料和粗集料，分别采用压蒸法和80℃水养护法来判断使用镍铁渣混凝土体积安定性，达到快速检测其安定性的目的，为在混凝土中的推广应用提供理论依据。

2 试验原材料与方法

2.1 试验原材料

镍铁渣取自泰州地区，人工破碎后筛分为0～5mm、5～16mm、16～31.5mm 级配。镍铁渣的化学组成主要为SiO2和MgO，其次为CaO、Al2O3、Fe2O3，如表2.1 所示。

表2.1 镍铁渣化学组成分/%

水泥取自泰州杨湾海螺水泥有限责任公司，标号为P·Ⅱ52.5，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。

赣江天然砂，级配区Ⅱ区，细度模数为2.6。

湖北碎石，经筛分为5～16mm、16～31.5mm 级配，密度为2630kg/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JGJ63 -2006《混凝土用水标准》要求。

2.2 试验方法

2.2.1 镍铁渣替代砂

若镍铁渣代替砂，采用压蒸法检测水泥砂浆的方法测试安定性。水泥砂浆的配合比为水泥:镍铁渣:水=1:3:0.5。按照GB/T 17671 -1999《水泥胶砂强度检验方法》制备镍铁渣替代砂成型镍铁渣试样6 块。放入(20 ±1)℃、相对湿度95%以上的恒温恒湿养护箱中养护24h 后脱模，编号后，养护至28d。将其中3 个试样放置于压蒸釜内，按照GB750 -1992《水泥压蒸安定性试验方法》进行高温高压处理。

取出压蒸釜内3 个试样后先观察是否有膨胀弯曲或裂纹，然后按照GB/T 17671 -1999《水泥胶砂强度检验方法》进行抗折强度和抗压强度试验，得到抗折强度和抗压强度(R)。同时，测试未经压蒸的3 个试件的抗折强度和抗压强度(R0)。

2.2.2 镍铁渣替代碎石

若镍铁渣代替碎石，使用80℃水养护法检测混凝土试样的方法测试安定性。用0～5mm 镍铁渣(通过研磨制备细度模数为2.6)作为砂，采用5～16mm 和16～31.5mm 的镍铁渣作碎石，制备镍铁渣混凝土试样。选取细度模数为2.6 的天然河砂和5～31.5mm 天然碎石制备对比混凝土试样。按C30配制混凝土，混凝土配合比为水泥:粉煤灰:镍铁渣砂:镍铁渣石:水:外加剂=190:130:870:1050:150:6.4，使混凝土坍落度为70mm。

采用100mm ×100mm ×400mm 试样，试样成型后在(20 ±1)℃、相对湿度95%以上的养护室中养护24h 后脱模，拆模后在(20 ±2)℃环境下用比长仪测试试样初始长度。试件在(20 ±1)℃、相对湿度95%以上的养护室中养护7d 后在80℃水中养护。试样测试龄期为1d、3d、7d、28d、56d，直至变形稳定为止。试件养护结束后检测试样的微观结构，并按照GB50081 -2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行劈裂抗拉强度测定。

3 试验结果与分析讨论

3.1 镍铁渣用作细集料安定性检测

采用压蒸法在高温、高压条件下，使各组分的反应速率明显加快，镍铁渣中安定性不良的组分也能够在早期发生反应，从而使试样产生膨胀、开裂、变形，由此可以快速、定性地判断砂浆体积安定性。另外，计算经压蒸试样与未经压蒸试件的强度比:Pr=R/R0×100%，还可以定量判断安定性，当强度比大于95%时，认为体积安定性合格。

按照2.2.1 试验方法制备镍铁渣砂浆试样两组，然后进行压蒸试验，观察试样外观形貌，并进行抗压强度、抗折强度检测。试样抗压强度比和抗折强度比见

表3.1 镍铁渣压蒸安定性试验结果

压蒸试验结果显示，压蒸后镍铁渣砂浆试件完好，未发生开裂，没有膨胀或弯曲。在压蒸试验中，虽然f-CaO、方镁石等安定性不良组分在较短的时间内绝大部分水化，水化生成Ca(OH)2、Mg(OH)2等体积膨胀产物，但是破坏作用相对较弱，不足以使结构造成破坏。从表3.1 可以看出，由镍铁渣制备的砂浆的抗折强度比分别为104%和105%，抗压强度比分别为102%和103%，均大于95%。在压蒸过程中，未水化矿物继续水化密实，镍铁渣对强度无不利影响，强度比都大于95%。所以，镍铁渣的安定性合格。

3.2 镍铁渣用作粗集料安定性检测

当镍铁渣替代碎石在混凝土中用作粗集料，采用80℃水养护法测试混凝土试样膨胀率、劈裂抗拉强度保持率判定安定性。按照膨胀率小于等于0.040%、劈裂抗拉强度保持率(与对比混凝土比)不小于90%、混凝土中无微裂纹作为混凝土体积安定性评定标准。

按照2.2.2 试样方法将镍铁渣掺入混凝土中制备两组试样，并制备对比天然砂石混凝土试样。镍铁渣混凝土试样、天然砂石混凝土试样养护至混凝土膨胀率稳定结束后进行劈裂抗拉强度测定，并检测试件的微观结构。结果如表3.2 所示。

表3.2 镍铁渣混凝土的安定性检测

混凝土试件在80℃水中养护56d 后膨胀趋于稳定，混凝土表面没有显现微裂纹。由镍铁渣配制的混凝土膨胀率分别为0.009%和0.008%，均小于0.040%。混凝土劈裂抗拉强度保持率分别为102%和103%，均大于90%。分析原因为镍铁渣中安定性不良组分造成的膨胀应力小于混凝土的劈裂抗拉强度，不足以使混凝土微观结构产生破坏。因此，镍铁渣混凝土的安定性判定合格。

4 结论

(1)镍铁渣代替砂用作混凝土细集料，采用压蒸法检测镍铁渣砂浆的形变、抗压强度比及抗折强度比可以判定安定性是否合格。镍铁渣替代碎石用作混凝土粗集料，通过80℃水养护法检测镍铁渣混凝土的膨胀率、混凝土劈裂抗拉强度保持率以及是否产生微裂纹作为评定安定性合格的依据。

(2)镍铁渣替代砂制备的镍铁渣砂浆经过压蒸法试验，砂浆没有开裂及变形，抗折强度比和抗压强度比达到104%和102%，均大于95%，镍铁渣的安定性合格。

(3)镍铁渣替代碎石制备镍铁渣混凝土，通过80℃水中养护法检测镍铁渣混凝土无微裂纹产生，膨胀率为0.009%，小于0.040%;劈裂抗拉强度保持率达到102%，大于90%，镍铁渣的安定性合格。

［1］单昌锋，王键，郑金福等.镍渣在混凝土中的应用研究［J］.硅酸盐通报，2012，31(5):1264 -1268.

［2］唐天佼.镍渣在混凝土中的应用研究［J］.2014(4):49 -50.

［3］Maragkos I，Giannopoulou I P，Panias D.Synthesis of ferronickel slag -based geopolymers［J］.Minerals Engineering，2009，22(2):196 -203.

［4］Dourdounis E，Stivanakis V，Angelopoulos G N，et al.High-alumina cement production from FeNi-ERF slag，limestone and dias-poricbauxite［J］.Cement and concrete research，2004，34(6):941 -947.

［5］Komnitsas K，Zaharaki D，Perdikatsis V.Effect of synthesis parameters on the compressive strength of low-calcium ferronickel slag inorganic polymers［J］.Journal of Hazardous Materials，2009，161(2):760 -768.

［6］Cimdins R，Rozenstrauha I，Berzina L，et al.Glassceramics obtained from industrial waste［J］.Resources，Conservation and Recycling，2000，29(4):285 -290.

［7］Fidancevska E，Vassilev V，Milosevski M，et al.Composites based on industrial wastes III.production of composites of Fe -Ni slag and waste glass［J］.Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy，2007，42(3):285 -290.

［8］孟渊，田斌守，邵继新等.利用冶炼工业废弃物镍渣研制混凝土储热材料［J］.混凝土与水泥制品，2015(2):93 -95.

［9］宗浩，吴波玲，谢小元.镍渣粉在混凝土中矿物掺和料的应用研究［J］.混凝土世界，2015(2):76 -79.