鎳鐵渣安定性檢驗(yàn)方法及評(píng)定依據(jù)

王光偉 張 橋 施引珍

(1.深圳市為海建材有限公司，廣東 深圳 518114;2.南通華博建設(shè)工程有限公司，江蘇 南通 226011)

1 引言

改革開放以來，我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速增長，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こ讨惺褂昧孔畲蟆⑹褂梅秶顝V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，同比增長了18.77%、11.89%，因此需要消耗大量的原材料。鎳鐵渣是一種工業(yè)固體廢棄物，大量堆積，不易處理，還容易引起環(huán)境問題，將鎳鐵渣在混凝土中資源化再利用是解決這一矛盾的有效途徑。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)約了碎石、河砂等不可再生資源，降低生產(chǎn)成本，變廢為寶，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益［1～2］。

然而，鎳鐵渣中MgO 含量較高，還存在不安定成分，若鎳鐵渣安定性不良會(huì)使混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生膨脹、開裂，降低建筑物的外觀質(zhì)量和承載能力，甚至引起嚴(yán)重的事故，成為潛在的隱患［3～4］。因此，將鎳鐵渣替代砂石在混凝土中用作粗細(xì)集料，需要檢測在混凝土中的體積安定性，檢驗(yàn)合格后方能使用［5～7］。但是目前關(guān)于骨料的安定性檢測和評(píng)價(jià)方法都處于研究階段，尚無公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)檢測方法［8～9］。本試驗(yàn)研究泰州地區(qū)鎳鐵渣，根據(jù)鎳鐵渣在混凝土中用作細(xì)集料和粗集料，分別采用壓蒸法和80℃水養(yǎng)護(hù)法來判斷使用鎳鐵渣混凝土體積安定性，達(dá)到快速檢測其安定性的目的，為在混凝土中的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

2 試驗(yàn)原材料與方法

2.1 試驗(yàn)原材料

鎳鐵渣取自泰州地區(qū)，人工破碎后篩分為0～5mm、5～16mm、16～31.5mm 級(jí)配。鎳鐵渣的化學(xué)組成主要為SiO2和MgO，其次為CaO、Al2O3、Fe2O3，如表2.1 所示。

表2.1 鎳鐵渣化學(xué)組成分/%

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，安定性合格。

粉煤灰取自國電泰州發(fā)電有限公司，為Ⅱ級(jí)粉煤灰。

贛江天然砂，級(jí)配區(qū)Ⅱ區(qū)，細(xì)度模數(shù)為2.6。

湖北碎石，經(jīng)篩分為5～16mm、16～31.5mm 級(jí)配，密度為2630kg/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)室自來水，符合JGJ63 -2006《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》要求。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 鎳鐵渣替代砂

若鎳鐵渣代替砂，采用壓蒸法檢測水泥砂漿的方法測試安定性。水泥砂漿的配合比為水泥:鎳鐵渣:水=1:3:0.5。按照GB/T 17671 -1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》制備鎳鐵渣替代砂成型鎳鐵渣試樣6 塊。放入(20 ±1)℃、相對(duì)濕度95%以上的恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)24h 后脫模，編號(hào)后，養(yǎng)護(hù)至28d。將其中3 個(gè)試樣放置于壓蒸釜內(nèi)，按照GB750 -1992《水泥壓蒸安定性試驗(yàn)方法》進(jìn)行高溫高壓處理。

取出壓蒸釜內(nèi)3 個(gè)試樣后先觀察是否有膨脹彎曲或裂紋，然后按照GB/T 17671 -1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》進(jìn)行抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得到抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度(R)。同時(shí)，測試未經(jīng)壓蒸的3 個(gè)試件的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度(R0)。

2.2.2 鎳鐵渣替代碎石

若鎳鐵渣代替碎石，使用80℃水養(yǎng)護(hù)法檢測混凝土試樣的方法測試安定性。用0～5mm 鎳鐵渣(通過研磨制備細(xì)度模數(shù)為2.6)作為砂，采用5～16mm 和16～31.5mm 的鎳鐵渣作碎石，制備鎳鐵渣混凝土試樣。選取細(xì)度模數(shù)為2.6 的天然河砂和5～31.5mm 天然碎石制備對(duì)比混凝土試樣。按C30配制混凝土，混凝土配合比為水泥:粉煤灰:鎳鐵渣砂:鎳鐵渣石:水:外加劑=190:130:870:1050:150:6.4，使混凝土坍落度為70mm。

采用100mm ×100mm ×400mm 試樣，試樣成型后在(20 ±1)℃、相對(duì)濕度95%以上的養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)24h 后脫模，拆模后在(20 ±2)℃環(huán)境下用比長儀測試試樣初始長度。試件在(20 ±1)℃、相對(duì)濕度95%以上的養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)7d 后在80℃水中養(yǎng)護(hù)。試樣測試齡期為1d、3d、7d、28d、56d，直至變形穩(wěn)定為止。試件養(yǎng)護(hù)結(jié)束后檢測試樣的微觀結(jié)構(gòu)，并按照GB50081 -2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行劈裂抗拉強(qiáng)度測定。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析討論

3.1 鎳鐵渣用作細(xì)集料安定性檢測

采用壓蒸法在高溫、高壓條件下，使各組分的反應(yīng)速率明顯加快，鎳鐵渣中安定性不良的組分也能夠在早期發(fā)生反應(yīng)，從而使試樣產(chǎn)生膨脹、開裂、變形，由此可以快速、定性地判斷砂漿體積安定性。另外，計(jì)算經(jīng)壓蒸試樣與未經(jīng)壓蒸試件的強(qiáng)度比:Pr=R/R0×100%，還可以定量判斷安定性，當(dāng)強(qiáng)度比大于95%時(shí)，認(rèn)為體積安定性合格。

按照2.2.1 試驗(yàn)方法制備鎳鐵渣砂漿試樣兩組，然后進(jìn)行壓蒸試驗(yàn)，觀察試樣外觀形貌，并進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度檢測。試樣抗壓強(qiáng)度比和抗折強(qiáng)度比見

表3.1 鎳鐵渣壓蒸安定性試驗(yàn)結(jié)果

壓蒸試驗(yàn)結(jié)果顯示，壓蒸后鎳鐵渣砂漿試件完好，未發(fā)生開裂，沒有膨脹或彎曲。在壓蒸試驗(yàn)中，雖然f-CaO、方鎂石等安定性不良組分在較短的時(shí)間內(nèi)絕大部分水化，水化生成Ca(OH)2、Mg(OH)2等體積膨脹產(chǎn)物，但是破壞作用相對(duì)較弱，不足以使結(jié)構(gòu)造成破壞。從表3.1 可以看出，由鎳鐵渣制備的砂漿的抗折強(qiáng)度比分別為104%和105%，抗壓強(qiáng)度比分別為102%和103%，均大于95%。在壓蒸過程中，未水化礦物繼續(xù)水化密實(shí)，鎳鐵渣對(duì)強(qiáng)度無不利影響，強(qiáng)度比都大于95%。所以，鎳鐵渣的安定性合格。

3.2 鎳鐵渣用作粗集料安定性檢測

當(dāng)鎳鐵渣替代碎石在混凝土中用作粗集料，采用80℃水養(yǎng)護(hù)法測試混凝土試樣膨脹率、劈裂抗拉強(qiáng)度保持率判定安定性。按照膨脹率小于等于0.040%、劈裂抗拉強(qiáng)度保持率(與對(duì)比混凝土比)不小于90%、混凝土中無微裂紋作為混凝土體積安定性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。

按照2.2.2 試樣方法將鎳鐵渣摻入混凝土中制備兩組試樣，并制備對(duì)比天然砂石混凝土試樣。鎳鐵渣混凝土試樣、天然砂石混凝土試樣養(yǎng)護(hù)至混凝土膨脹率穩(wěn)定結(jié)束后進(jìn)行劈裂抗拉強(qiáng)度測定，并檢測試件的微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)果如表3.2 所示。

表3.2 鎳鐵渣混凝土的安定性檢測

混凝土試件在80℃水中養(yǎng)護(hù)56d 后膨脹趨于穩(wěn)定，混凝土表面沒有顯現(xiàn)微裂紋。由鎳鐵渣配制的混凝土膨脹率分別為0.009%和0.008%，均小于0.040%?；炷僚芽估瓘?qiáng)度保持率分別為102%和103%，均大于90%。分析原因?yàn)殒囪F渣中安定性不良組分造成的膨脹應(yīng)力小于混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度，不足以使混凝土微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。因此，鎳鐵渣混凝土的安定性判定合格。

4 結(jié)論

(1)鎳鐵渣代替砂用作混凝土細(xì)集料，采用壓蒸法檢測鎳鐵渣砂漿的形變、抗壓強(qiáng)度比及抗折強(qiáng)度比可以判定安定性是否合格。鎳鐵渣替代碎石用作混凝土粗集料，通過80℃水養(yǎng)護(hù)法檢測鎳鐵渣混凝土的膨脹率、混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度保持率以及是否產(chǎn)生微裂紋作為評(píng)定安定性合格的依據(jù)。

(2)鎳鐵渣替代砂制備的鎳鐵渣砂漿經(jīng)過壓蒸法試驗(yàn)，砂漿沒有開裂及變形，抗折強(qiáng)度比和抗壓強(qiáng)度比達(dá)到104%和102%，均大于95%，鎳鐵渣的安定性合格。

(3)鎳鐵渣替代碎石制備鎳鐵渣混凝土，通過80℃水中養(yǎng)護(hù)法檢測鎳鐵渣混凝土無微裂紋產(chǎn)生，膨脹率為0.009%，小于0.040%;劈裂抗拉強(qiáng)度保持率達(dá)到102%，大于90%，鎳鐵渣的安定性合格。

［1］單昌鋒，王鍵，鄭金福等.鎳渣在混凝土中的應(yīng)用研究［J］.硅酸鹽通報(bào)，2012，31(5):1264 -1268.

［2］唐天佼.鎳渣在混凝土中的應(yīng)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］孟淵，田斌守，邵繼新等.利用冶煉工業(yè)廢棄物鎳渣研制混凝土儲(chǔ)熱材料［J］.混凝土與水泥制品，2015(2):93 -95.

［9］宗浩，吳波玲，謝小元.鎳渣粉在混凝土中礦物摻和料的應(yīng)用研究［J］.混凝土世界，2015(2):76 -79.