镍铁矿渣代替细骨料应用于混凝土生产的可行性研究

曹明峰，张海彬

（胜利油田营海实业集团有限公司，山东 东营 257000）

镍铁矿渣代替细骨料应用于混凝土生产的可行性研究

曹明峰，张海彬

（胜利油田营海实业集团有限公司，山东 东营 257000）

本文根据镍铁矿渣的特性，通过对镍铁矿渣进行进一步处理，达到符合混凝土的细骨料使用标准，验证细骨料替代量对混凝土强度的影响，同时根据其化学组分设计试验进行安定性验证，确保作为细骨料使用的安定性合格，保证混凝土不因镍铁矿渣的安定性问题使耐久性下降。

镍铁矿渣；细骨料替代；强度；安定性；耐久性；膨胀率；收缩率

0 引言

针对目前混凝土原材料货源紧缺以及价格持续上涨的现状，开发应用新型的骨料替代品是实现混凝土企业降本增效的有效途径。同时，废弃矿渣的重新利用有十分显著的经济效益，可有效改善环境，是混凝土绿色发展的需求，社会价值显著。

1 试验目的

前期在考察矿粉的过程中，发现滨州市国博公司存有镍铁矿渣原渣将近十万吨，在讨论镍铁矿渣应用于水泥粉磨的过程中，产生了将镍铁矿渣原矿用于混凝土生产的想法。讨论后初步共识为，目前存储的镍铁矿渣通过简易破碎筛选，粒径可以达到1.0～2.5mm 细骨料要求，可以有效调整现有机制砂颗粒级配，预计对混凝土生产状态会有较大的改善。

2 镍铁矿渣材料性质探讨

镍铁矿渣是镍铁合金生产过程中产生的熔融态废弃物，冶炼温度高达 1600℃ 左右。通过有关报告中化学分析显示，其中 SiO2含量为 42.40%，CaO 含量为8.79%，MgO 含量为 26.11%。由于 MgO 含量较高，会存在游离态时与水反应生成 Mg(OH)2的危险，体积膨胀系数达到2.48（反应条件为热水环境）。如果 MgO存在的游离态过多，将会大大的加剧反应几率，同时应用于混凝土生产中，由于混凝土水化热可以提供温度环境，所以需要对安定性、体积膨胀率进行试验确认。之前，有关研究机构为证实镍铁矿渣中是否有游离态氧化镁存在，进行了 SEM 衍射分析，证实镍铁矿渣中的氧化镁是固溶于矿物晶格中存在的，以钙镁铁橄榄石[(Mg1.64Fe0.35Ca0.1)·(Si0.99Al0.1)]形式出现，伴有少量的钙镁铁碳酸盐形式。基于上述结论，在进行镍铁矿渣代替细骨料使用时，需要验证作为细骨料时的强度影响，同时氧化镁体积膨胀率的影响也需要进一步验证。

3 试验用材料

（1）水泥：胜利水泥 P·O42.5，3d 抗压强度为27.5MPa，28d 抗压强度为 54.0MPa。

（2）矿粉：中铁矿粉 S95 级，28 天活性指数113%。

（3）粉煤灰：胜利发电厂粉煤灰，45μm 筛余32%，需水量比 102%。

（4）石：青石石子，有 15～25mm（石子1）和25～31.5mm（石子2）两种不同粒径。

（5）砂：宇城水洗砂，Mx=3.4，亚甲蓝1.2，表观密度 2740kg/m³；胜利水泥公司干机制砂，Mx=3.1，亚甲蓝1.6，表观密度 2740kg/m³；ISO 标准砂。

（6）外加剂：大连西卡公司聚羧酸外加剂。

（7）镍铁矿渣颗粒：镍铁矿渣破碎后，筛选1.0～2.5mm 部分，表观密度 2750kg/m³。镍铁矿渣粉：镍铁矿渣破碎后通过小型磨机粉磨至水泥细度水平。

4 试验内容与步骤

4.1 试验设计

（1）对镍铁矿渣进行化学全分析检验；

（2）镍铁矿渣代替细骨料与机制砂的强度对比验证；

（3）镍铁矿渣各种颗粒状态在结构试件中通过沸煮蒸压等手段，进行混凝土安定性、膨胀率的检测。

4.2 试验内容与步骤

4.2.1 混凝土力学性能检测

逐步提高细骨料代替量，进行强度对比检测。试验采用 C30 生产用配合比作为标准配比，以机制砂作为细骨料为空白试样，试验结果见表1。

表1 试验用配合比与状态记录

4.2.2 安定性、体积膨胀率检测

安定性、体积膨胀率检测是为了扩大镍铁矿渣中氧化镁的化学反应导致的体积变化影响，及早发现氧化镁副作用。试验中通过将镍铁矿渣颗粒进行粉磨，粉化至82μm，筛余2% 颗粒程度，作为胶材进行检测；另外颗粒状态镍铁矿渣部分或全部代替标准砂，制作标准胶砂试件。试验条件是每个配比标准试件，按照国家标准经过3.5小时沸煮后，观察体积变化情况，测量体积变化数值；蒸煮后标准试件经恒温养护后在 185℃ 温度、1MPa 压力的条件下，进行 7h 恒温恒压破坏，冷却后检测试件外观、尺寸的变化，通过线性检测数据分析，判定镍铁矿渣的各种状态使用，结构的安定性是否合格，体积膨胀率是否符合要求。具体试验配比见表2。

表2 安定性、膨胀率试验配比

5 试验结果与分析

5.1 化学全分析结果（表3 ）

表3 化学全分析结果 %

镍铁矿渣的化学全分析结果与检测机构所提供的报告成分含量接近。

5.2 混凝土强度损失试验结果（表4 ）

表4 混凝土强度损失试验结果 MPa

表5 安定性、体积膨胀检测尺寸变化结果 mm

由表4 可知，随着镍铁矿渣代替细骨料量超过50%，混凝土抗压强度下降明显，28d 抗压强度下降达到4.0MPa 以上。

5.3 安定性、体积膨胀检测尺寸变化测量结果

试验采用沸煮（100℃，3.5h）及蒸压法（压力1.0MPa，温度 185℃）两种方法，分别检测试样的长、宽、高变化。结果见表5。

数据统计中，水泥试件的膨胀系数最大为3.75×10-4；镍铁矿渣粉状试件出现收缩，收缩系数最大为5.56×10-4；镍铁矿渣颗粒作骨料试件收缩系数最大为6.86×10-4；镍铁矿渣粉、镍铁矿渣颗粒代替量与膨胀收缩系数无相关性；测量结果中高度的数据由于是试件上表面易损坏，所以此尺寸进行测量，但不进行数据实际分析使用。通过沸煮与蒸压试验后的线性尺寸测量结果可以看出，标准试件外观均良好，未出现任何弯曲、变形、溃裂的安定性异常情况，同时所有试件的体积膨胀率均小于标准规定的.6%，而且都是负值。体积膨胀率出现负值情况，是由于试件高温干缩造成的，同时这一现象进一步验证了镍铁矿渣中无游离 MgO 的存在，其化学成分中的 MgO 符合稳定型化合状态的钙镁铁橄榄石及钙镁铁碳酸盐形式，所以可以肯定的是镍铁矿渣代替细骨料用于混凝土生产，不会产生安定性不良体积膨胀造成耐久性的降低。

6 试验结论

（1）镍铁矿渣颗粒经过破碎筛分，选用2.5mm 以下颗粒代替细骨料用于混凝土生产完全可行，但是掺量需要经过验证，使用部位要以非结构部位为主。

（2）本试验验证2.5mm 筛分镍铁矿渣代替量不超过 400kg，混凝土强度基本无影响，同时混凝土和易性良好，可以有效改善机制砂颗粒级配差造成的和易性不良的影响，外加剂用量略有降低；50% 以上细骨料代替量，强度降低明显。

（3）MgO 成分验证符合相关检验机构的报告说明，MgO 确实稳定成分形式存在，非游离态氧化镁。

（4）通过镍铁矿渣粉安定性试件检测，安定性良好，也无体积膨胀危害，无游离氧化镁化学反应产生体积膨胀导致的安定性不良。

（5）通过镍铁矿渣筛分颗粒安定性、体积膨胀试件检测，安定性良好，无体积膨胀危险，说明镍铁矿渣中无游离氧化镁反应产生体积膨胀导致的安定性不良。

7 实际应用

（1）镍铁矿渣表观密度 2750kg/m³、紧密密度1720kg/m³，细度模数3.2。镍铁矿渣颗粒分布比较集中，连续性差，单独使用和易性差。按照一定的比例混合，配制成Ⅱ区混合砂，极大地改善了混凝土的和易性，可用于路面工程。

（2）经济效益的计算：在路面混凝土的实际生产中，镍铁矿渣取代河砂量平均在.3吨/方，镍铁矿渣比天然砂价格每吨便宜约 40 元左右，折算到单方混凝土中可大约节约 12元/方；另外由于镍铁矿渣含泥量低，与机制砂搭配时，相应降低了外加剂掺量。截止到目前为止，利津某混凝土公司使用镍铁矿渣作为细骨料生产地面混凝土1万多方，共计消耗镍铁矿渣 3000 多吨，创造经济价值在 12万元以上；照此推算全年可以节约骨料费用近百万。

（3）利津某混凝土公司前期施工地面工程主要为盐窝镇曹家片区高标准农田项目（路面工程 C20），联合二村道路改造（C30 路面），利津县汀罗镇陈村（C20 路面）等等，从施工情况看，由于配比的合理性，路面工程密实性好，无开裂、鼓包、粉化等情况出现。6月1日进行 600℃·d 回弹，C20 混凝土显示值为 33～34MPa 之间，推算值在 27MPa 以上，超过了23MPa 的标养强度。

[1]陈小佳．开发应用绿色建材 促进建材工业技术进步[J]．科技进步与对策，1999(3): 56-66．

[2]吴中伟．绿色高性能混凝土——混凝土的发展方向[J]．混凝土与水泥制品，1998(1):3-6．

The experimental study on the application of nickel iron slag instead of fne aggregate in concrete production

Cao Mingfeng, zhang Haibin
(Shengli Oilfeld Yinghai Industrial Group Co., Ltd., Shandong Dongying 257000)

According to the characteristics of the nickel iron slag, through the further processing of nickel iron slag, the nickel iron slag achieved the concrete fine aggregate standard. Then we verifide the effect of amount of fine aggregate substitute on concrete strength, at the same time, according to its chemical composition design experiment verified the stability, ensured that used as fne aggregate stability of qualifed, and durability of concrete is not declined because of the nickel iron slag stability problem.

nickel iron slag; replacement of fne aggregate; strength; stability; durability; infation rate; shrinkage rate

曹明峰（1986—），中心试验室副主任，助理工程师。

［通讯地址］山东省东营市东营区西四路 958#（257000）