鎳鐵冶煉廢渣在混凝土中的應(yīng)用研究

施引珍 錢(qián)忠偉 周婷婷

(1 南通華博建設(shè)工程有限公司，江蘇 南通 226363;2 為海集團(tuán)，江蘇 泰州 225500)

1 引言

改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速增長(zhǎng)，各項(xiàng)建設(shè)取得了巨大成就。與此同時(shí)，也付出了資源和環(huán)境代價(jià)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展與資源環(huán)境的矛盾日益突出?；炷潦墙ㄖこ讨惺褂昧孔畲?、使用范圍最廣的工程材料，2013年、2014年混凝土年產(chǎn)量分別為21.96、15.5億立方米，同比增長(zhǎng)了18.77%、11.89%，因此需要消耗大量的原材料。鎳鐵冶煉廢渣是一種工業(yè)固體廢棄物，大量堆積，不易處理，還容易引起環(huán)境問(wèn)題，將鎳鐵冶煉廢渣在混凝土中資源化再利用是解決這一矛盾的有效途徑［1～5］。

在混凝土生產(chǎn)中，將鎳鐵渣用作混凝土集料，可以極大地節(jié)約了石子、砂子等不可再生資源，降低生產(chǎn)成本，變廢為寶，具有良好的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益［6～7］。Wang［8］實(shí)驗(yàn)測(cè)量了粗鎳鐵渣的膨脹力，建立了鐵鎳渣顆粒、單位體積鎳鐵渣與膨脹力的關(guān)系，可以通過(guò)鐵鎳渣的體積與粒徑得出其最大膨脹力，并以鎳鐵渣中水合氧化物(Cao/MgO)含量作為其使用標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范鎳鐵渣的使用范圍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，將該鐵鎳渣作為粗集料使用時(shí)，硅酸鹽水泥混凝土的體積穩(wěn)定性能和抗壓強(qiáng)度等性能指標(biāo)合格，適合在工業(yè)上推廣應(yīng)用。Shoya 等人［9］采用粉碎后的鎳鐵渣作細(xì)集料探討了自密實(shí)混凝土中的孔隙率與抗凍性能。結(jié)果表明，其相關(guān)性能指標(biāo)符合日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JIS)，當(dāng)混凝土間距系數(shù)小于300μm 時(shí)其耐久性因子大于80。Maragkos 等人［10］研究了如何使用鎳鐵渣作為集料制備地質(zhì)聚合物，并借助XRD 和SEM 技術(shù)手段分析其微觀(guān)組織結(jié)構(gòu)。研究表明，鎳鐵渣是一種合成無(wú)機(jī)聚合物的良好集料，在優(yōu)良的合成條件下甚至還可以制備出內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)、吸水率極低、抗壓強(qiáng)度高達(dá)118MPa 的膠凝材料，具有巨大的潛在經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。

本研究采用江蘇泰州地區(qū)鎳鐵冶煉廢渣，分析其替代天然砂用作混凝土細(xì)集料以及替代天然碎石用作混凝土粗集料對(duì)混凝土的和易性、力學(xué)性能等性能的影響，驗(yàn)證其可行性及在混凝土中的最佳摻入量。

2 試驗(yàn)原材料與試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)原材料

2.1.1 鎳鐵冶煉廢渣

鎳鐵冶煉廢渣取自泰州地區(qū)，人工破碎后篩分為0～5mm、5～16mm、16～31.5mm 級(jí)配，如圖2.1所示。鎳鐵冶煉廢渣的化學(xué)組成主要為SiO2和MgO，其次為CaO、Al2O3、Fe2O3，還含有Mn、P、Ti、Ni和Co 等微量元素，如表2.1 和表2.2 所示。經(jīng)過(guò)壓蒸法檢測(cè)安定性合格，按照GB 6566 -2010《建筑材料放射性核素限量》進(jìn)行放射性檢測(cè)合格。

表2.1 鎳鐵渣化學(xué)組成分/%

表2.2 鎳鐵渣微量組分/ppm

圖2.1 鎳鐵冶煉廢渣顆粒形貌

2.1.2 其他原材料

水泥取自泰州楊灣海螺水泥有限責(zé)任公司，標(biāo)號(hào)為P·Ⅱ52.5，水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度為27.6%，3d、28d抗壓強(qiáng)度為32.2 MPa、58.6 MPa，安定性合格。

粉煤灰取自國(guó)電泰州發(fā)電有限公司，為Ⅱ級(jí)粉煤灰，28d 活性指數(shù)為75%。

細(xì)骨料為贛江天然砂，級(jí)配區(qū)Ⅱ區(qū)，細(xì)度模數(shù)2.4。

粗骨料是湖北人工碎石，經(jīng)篩分洗凈為5～16mm、16～31.5mm 級(jí)配，密度為2630 kg/m3。

外加劑是常州武進(jìn)禮寶脂肪族高效減水劑，固含量是33%。

使用試驗(yàn)室自來(lái)水，符合JGJ 63 -2006《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》要求。

2.2 試驗(yàn)方法

依據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ55 -2011)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)強(qiáng)度分別為C30，配合比見(jiàn)表2.3。采用人工成型法，成型試樣規(guī)格為100mm ×100mm ×100mm 立方體，成型后靜置24 h 脫模并置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中分別養(yǎng)護(hù)3d、7d、28d，依據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法》(GB/T50080 -2002)、《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》(GB/T50081 -2002)測(cè)試混凝土的拌和物性能和力學(xué)性能。

表2.3 C35 強(qiáng)度等級(jí)混凝土基準(zhǔn)配合比

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 鎳鐵渣在混凝土中用作細(xì)集料

鎳鐵渣在混凝土中用作細(xì)集料替代天然砂，摻入量分別為0、15%、30%、50%，制備C30 強(qiáng)度等級(jí)混凝土，檢測(cè)混凝土的拌合物性能和力學(xué)性能等。

0～5mm 鎳鐵渣取代天然砂對(duì)混凝土和易性及抗壓強(qiáng)度的影響見(jiàn)表3.1 和圖3.1，由混凝土拌合物和易性和表3.1 可以看出:鎳鐵渣替代量小于30%時(shí)，和易性良好。但是，鎳鐵渣的取代量不宜過(guò)大，超過(guò)30%以后明顯影響和易性。當(dāng)摻入量為50%時(shí)，混凝土拌合物粘聚性不足，嚴(yán)重影響和易性。另外，摻入鎳鐵渣后混凝土的坍落度損失基本無(wú)影響，在混凝土中相容性較好。

表3.1 鎳鐵渣取代天然砂的混凝土的性能檢測(cè)

分析原因?yàn)殒囪F渣顆粒表面粗糙，和天然砂相比比表面積大、吸水量小，當(dāng)摻入鎳鐵渣后，顆粒間接觸摩擦使得混凝土和易性良好。鎳鐵渣表面不規(guī)則，和天然砂相比流動(dòng)性差，保水性也比天然砂差，在混凝土中摻入量過(guò)高(50%)時(shí)導(dǎo)致混凝土和易性變差。因此，鎳鐵渣在混凝土中的適宜摻量為30%。

圖3.1 0～5mm 鎳鐵渣取代天然砂對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

從表3.1、圖3.1 可以看出，摻入鎳鐵渣后，混凝土的3d、7d、28d 抗壓強(qiáng)度隨著摻量的增大逐漸提高，0～5mm 鎳鐵渣取代量達(dá)到50%時(shí)，與基準(zhǔn)混凝土相比其實(shí)測(cè)表觀(guān)密度增加15 kg/m3，強(qiáng)度提高23%。鎳鐵渣顆粒和天然砂相比比表面積大、吸水量小，當(dāng)摻入鎳鐵渣后，細(xì)集料的顆粒級(jí)配變好，從而混凝土結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。而且，由表2.1 可知鎳鐵渣為高SiO2成分，可以促進(jìn)水化反應(yīng)，所以，混凝土中摻入鎳鐵渣有利于強(qiáng)度的提高。綜合考慮摻入鎳鐵渣后混凝土和易性和強(qiáng)度的影響，鎳鐵渣適宜的摻量為30%。

3.2 鎳鐵渣在混凝土中用作粗集料

鎳鐵渣在混凝土中用作粗集料，分別取代5～16mm、16～31.5mm 碎石，摻入量分別為0、20%、40%、70%、100%，制備C30 強(qiáng)度等級(jí)混凝土，檢測(cè)混凝土的拌合物性能和力學(xué)性能等。

5～16mm 鎳鐵渣取代5～16mm 碎石對(duì)混凝土和易性及抗壓強(qiáng)度的影響見(jiàn)表3.2 和圖3.2，由混凝土拌合物和易性、表3.2 和圖3.2 可以看出:混凝土中5～16mm 鎳鐵渣替代碎石，混凝土的和易性良好。新拌混凝土中有少量骨料上浮，清洗過(guò)后顆粒表面分布有大量氣孔，說(shuō)明5～16mm 鎳鐵渣中有部分輕骨料。因此，隨著5～16mm 鎳鐵渣取代量的提高，表觀(guān)密度呈降低趨勢(shì)?；炷林?～16mm 鎳鐵渣替代碎石，坍落度損失基本無(wú)影響，說(shuō)明鎳鐵渣不吸收水分，相容性良好?；炷恋?d、7d、28d 抗壓強(qiáng)度隨著鎳鐵渣摻量的增大逐漸提高，當(dāng)取代量為100%時(shí)，相對(duì)基準(zhǔn)混凝土實(shí)測(cè)表觀(guān)密度降低約15kg/m3，抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)11%。由此說(shuō)明，5～16mm 鎳鐵渣摻入混凝土中可以提高混凝土的早期和后期強(qiáng)度。

表3.2 鎳鐵渣碎石混凝土的性能檢測(cè)

16～31.5mm 鎳鐵渣取代16～31.5mm 碎石對(duì)混凝土和易性及抗壓強(qiáng)度的影響見(jiàn)表3.2 和圖3.3，由試驗(yàn)現(xiàn)象、表3.2 和圖3.3 可以看出:16～31.5mm鎳鐵渣顆粒級(jí)配、粒形偏好，所以混凝土的和易性很好，但部分集料上浮，清洗過(guò)后，集料表面均勻分布大量微小氣孔，質(zhì)地輕，導(dǎo)致混凝土的表觀(guān)密度隨著鎳鐵渣摻量的增加逐漸降低。鎳鐵渣對(duì)混凝土坍落度損失基本無(wú)影響，在混凝土中相容性好?；炷恋?d、7d、28d 抗壓強(qiáng)度隨著鎳鐵渣摻量的增大呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，當(dāng)16～31.5mm 鎳鐵渣取代量達(dá)到100%時(shí)，相對(duì)基準(zhǔn)混凝土實(shí)測(cè)密度減少約25kg/m3，抗壓強(qiáng)度增加19%。所以，16～31.5mm 鎳鐵渣對(duì)混凝土的早期和后期強(qiáng)度起到促進(jìn)作用。

圖3.2 5～16mm 鎳鐵渣對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

圖3.316～31.5mm 鎳鐵渣對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

綜上所述，鎳鐵渣顆粒較好，摻入混凝土中和易性符合要求。從表2.1 可見(jiàn)鎳鐵渣為高SiO2成分，在水泥水化過(guò)程中，可以和Ca(OH)2發(fā)生中和反應(yīng)，有利于促進(jìn)水化反應(yīng)的進(jìn)行，促進(jìn)混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)度提高。另外，表2.2 顯示鎳鐵渣含有少量微量元素，可以作為激發(fā)劑加速水化進(jìn)程和水化產(chǎn)物的生產(chǎn)。因此，鎳鐵渣摻入混凝土中可以提高混凝土的強(qiáng)度。所以，鎳鐵渣取代天然碎石在混凝土中用作粗集料是可行的，最大取代量可達(dá)100%。

4 結(jié)論

(1)0～5mm 鎳鐵渣替代0～5mm 天然砂在混凝土中用作細(xì)集料，混凝土和易性良好，強(qiáng)度值提高，最佳摻量為30%。

(2)5～16mm 鎳鐵渣替代5～16mm 天然碎石在混凝土中用作粗集料，混凝土和易性較好，強(qiáng)度值提高，摻量最大可達(dá)100%。

(3)16～31.5mm 鎳鐵渣替代16～31.5mm 天然碎石在混凝土中用作粗集料，混凝土和易性較好，強(qiáng)度值提高，摻量最大可達(dá)100%。

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