鎳鐵礦渣代替細(xì)骨料應(yīng)用于混凝土生產(chǎn)的可行性研究

曹明峰，張海彬

（勝利油田營海實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司，山東 東營 257000）

鎳鐵礦渣代替細(xì)骨料應(yīng)用于混凝土生產(chǎn)的可行性研究

曹明峰，張海彬

（勝利油田營海實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司，山東 東營 257000）

本文根據(jù)鎳鐵礦渣的特性，通過對鎳鐵礦渣進(jìn)行進(jìn)一步處理，達(dá)到符合混凝土的細(xì)骨料使用標(biāo)準(zhǔn)，驗(yàn)證細(xì)骨料替代量對混凝土強(qiáng)度的影響，同時(shí)根據(jù)其化學(xué)組分設(shè)計(jì)試驗(yàn)進(jìn)行安定性驗(yàn)證，確保作為細(xì)骨料使用的安定性合格，保證混凝土不因鎳鐵礦渣的安定性問題使耐久性下降。

鎳鐵礦渣；細(xì)骨料替代；強(qiáng)度；安定性；耐久性；膨脹率；收縮率

0 引言

針對目前混凝土原材料貨源緊缺以及價(jià)格持續(xù)上漲的現(xiàn)狀，開發(fā)應(yīng)用新型的骨料替代品是實(shí)現(xiàn)混凝土企業(yè)降本增效的有效途徑。同時(shí)，廢棄礦渣的重新利用有十分顯著的經(jīng)濟(jì)效益，可有效改善環(huán)境，是混凝土綠色發(fā)展的需求，社會價(jià)值顯著。

1 試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

前期在考察礦粉的過程中，發(fā)現(xiàn)濱州市國博公司存有鎳鐵礦渣原渣將近十萬噸，在討論鎳鐵礦渣應(yīng)用于水泥粉磨的過程中，產(chǎn)生了將鎳鐵礦渣原礦用于混凝土生產(chǎn)的想法。討論后初步共識為，目前存儲的鎳鐵礦渣通過簡易破碎篩選，粒徑可以達(dá)到1.0～2.5mm 細(xì)骨料要求，可以有效調(diào)整現(xiàn)有機(jī)制砂顆粒級配，預(yù)計(jì)對混凝土生產(chǎn)狀態(tài)會有較大的改善。

2 鎳鐵礦渣材料性質(zhì)探討

鎳鐵礦渣是鎳鐵合金生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的熔融態(tài)廢棄物，冶煉溫度高達(dá) 1600℃ 左右。通過有關(guān)報(bào)告中化學(xué)分析顯示，其中 SiO2含量為 42.40%，CaO 含量為8.79%，MgO 含量為 26.11%。由于 MgO 含量較高，會存在游離態(tài)時(shí)與水反應(yīng)生成 Mg(OH)2的危險(xiǎn)，體積膨脹系數(shù)達(dá)到2.48（反應(yīng)條件為熱水環(huán)境）。如果 MgO存在的游離態(tài)過多，將會大大的加劇反應(yīng)幾率，同時(shí)應(yīng)用于混凝土生產(chǎn)中，由于混凝土水化熱可以提供溫度環(huán)境，所以需要對安定性、體積膨脹率進(jìn)行試驗(yàn)確認(rèn)。之前，有關(guān)研究機(jī)構(gòu)為證實(shí)鎳鐵礦渣中是否有游離態(tài)氧化鎂存在，進(jìn)行了 SEM 衍射分析，證實(shí)鎳鐵礦渣中的氧化鎂是固溶于礦物晶格中存在的，以鈣鎂鐵橄欖石[(Mg1.64Fe0.35Ca0.1)·(Si0.99Al0.1)]形式出現(xiàn)，伴有少量的鈣鎂鐵碳酸鹽形式。基于上述結(jié)論，在進(jìn)行鎳鐵礦渣代替細(xì)骨料使用時(shí)，需要驗(yàn)證作為細(xì)骨料時(shí)的強(qiáng)度影響，同時(shí)氧化鎂體積膨脹率的影響也需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

3 試驗(yàn)用材料

（1）水泥：勝利水泥 P·O42.5，3d 抗壓強(qiáng)度為27.5MPa，28d 抗壓強(qiáng)度為 54.0MPa。

（2）礦粉：中鐵礦粉 S95 級，28 天活性指數(shù)113%。

（3）粉煤灰：勝利發(fā)電廠粉煤灰，45μm 篩余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）兩種不同粒徑。

（5）砂：宇城水洗砂，Mx=3.4，亞甲藍(lán)1.2，表觀密度 2740kg/m3；勝利水泥公司干機(jī)制砂，Mx=3.1，亞甲藍(lán)1.6，表觀密度 2740kg/m3；ISO 標(biāo)準(zhǔn)砂。

（6）外加劑：大連西卡公司聚羧酸外加劑。

（7）鎳鐵礦渣顆粒：鎳鐵礦渣破碎后，篩選1.0～2.5mm 部分，表觀密度 2750kg/m3。鎳鐵礦渣粉：鎳鐵礦渣破碎后通過小型磨機(jī)粉磨至水泥細(xì)度水平。

4 試驗(yàn)內(nèi)容與步驟

4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

（1）對鎳鐵礦渣進(jìn)行化學(xué)全分析檢驗(yàn)；

（2）鎳鐵礦渣代替細(xì)骨料與機(jī)制砂的強(qiáng)度對比驗(yàn)證；

（3）鎳鐵礦渣各種顆粒狀態(tài)在結(jié)構(gòu)試件中通過沸煮蒸壓等手段，進(jìn)行混凝土安定性、膨脹率的檢測。

4.2 試驗(yàn)內(nèi)容與步驟

4.2.1 混凝土力學(xué)性能檢測

逐步提高細(xì)骨料代替量，進(jìn)行強(qiáng)度對比檢測。試驗(yàn)采用 C30 生產(chǎn)用配合比作為標(biāo)準(zhǔn)配比，以機(jī)制砂作為細(xì)骨料為空白試樣，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 試驗(yàn)用配合比與狀態(tài)記錄

4.2.2 安定性、體積膨脹率檢測

安定性、體積膨脹率檢測是為了擴(kuò)大鎳鐵礦渣中氧化鎂的化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的體積變化影響，及早發(fā)現(xiàn)氧化鎂副作用。試驗(yàn)中通過將鎳鐵礦渣顆粒進(jìn)行粉磨，粉化至82μm，篩余2% 顆粒程度，作為膠材進(jìn)行檢測；另外顆粒狀態(tài)鎳鐵礦渣部分或全部代替標(biāo)準(zhǔn)砂，制作標(biāo)準(zhǔn)膠砂試件。試驗(yàn)條件是每個(gè)配比標(biāo)準(zhǔn)試件，按照國家標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過3.5小時(shí)沸煮后，觀察體積變化情況，測量體積變化數(shù)值；蒸煮后標(biāo)準(zhǔn)試件經(jīng)恒溫養(yǎng)護(hù)后在 185℃ 溫度、1MPa 壓力的條件下，進(jìn)行 7h 恒溫恒壓破壞，冷卻后檢測試件外觀、尺寸的變化，通過線性檢測數(shù)據(jù)分析，判定鎳鐵礦渣的各種狀態(tài)使用，結(jié)構(gòu)的安定性是否合格，體積膨脹率是否符合要求。具體試驗(yàn)配比見表2。

表2 安定性、膨脹率試驗(yàn)配比

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

5.1 化學(xué)全分析結(jié)果（表3 ）

表3 化學(xué)全分析結(jié)果 %

鎳鐵礦渣的化學(xué)全分析結(jié)果與檢測機(jī)構(gòu)所提供的報(bào)告成分含量接近。

5.2 混凝土強(qiáng)度損失試驗(yàn)結(jié)果（表4 ）

表4 混凝土強(qiáng)度損失試驗(yàn)結(jié)果 MPa

表5 安定性、體積膨脹檢測尺寸變化結(jié)果 mm

由表4 可知，隨著鎳鐵礦渣代替細(xì)骨料量超過50%，混凝土抗壓強(qiáng)度下降明顯，28d 抗壓強(qiáng)度下降達(dá)到4.0MPa 以上。

5.3 安定性、體積膨脹檢測尺寸變化測量結(jié)果

試驗(yàn)采用沸煮（100℃，3.5h）及蒸壓法（壓力1.0MPa，溫度 185℃）兩種方法，分別檢測試樣的長、寬、高變化。結(jié)果見表5。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)中，水泥試件的膨脹系數(shù)最大為3.75×10-4；鎳鐵礦渣粉狀試件出現(xiàn)收縮，收縮系數(shù)最大為5.56×10-4；鎳鐵礦渣顆粒作骨料試件收縮系數(shù)最大為6.86×10-4；鎳鐵礦渣粉、鎳鐵礦渣顆粒代替量與膨脹收縮系數(shù)無相關(guān)性；測量結(jié)果中高度的數(shù)據(jù)由于是試件上表面易損壞，所以此尺寸進(jìn)行測量，但不進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)際分析使用。通過沸煮與蒸壓試驗(yàn)后的線性尺寸測量結(jié)果可以看出，標(biāo)準(zhǔn)試件外觀均良好，未出現(xiàn)任何彎曲、變形、潰裂的安定性異常情況，同時(shí)所有試件的體積膨脹率均小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的.6%，而且都是負(fù)值。體積膨脹率出現(xiàn)負(fù)值情況，是由于試件高溫干縮造成的，同時(shí)這一現(xiàn)象進(jìn)一步驗(yàn)證了鎳鐵礦渣中無游離 MgO 的存在，其化學(xué)成分中的 MgO 符合穩(wěn)定型化合狀態(tài)的鈣鎂鐵橄欖石及鈣鎂鐵碳酸鹽形式，所以可以肯定的是鎳鐵礦渣代替細(xì)骨料用于混凝土生產(chǎn)，不會產(chǎn)生安定性不良體積膨脹造成耐久性的降低。

6 試驗(yàn)結(jié)論

（1）鎳鐵礦渣顆粒經(jīng)過破碎篩分，選用2.5mm 以下顆粒代替細(xì)骨料用于混凝土生產(chǎn)完全可行，但是摻量需要經(jīng)過驗(yàn)證，使用部位要以非結(jié)構(gòu)部位為主。

（2）本試驗(yàn)驗(yàn)證2.5mm 篩分鎳鐵礦渣代替量不超過 400kg，混凝土強(qiáng)度基本無影響，同時(shí)混凝土和易性良好，可以有效改善機(jī)制砂顆粒級配差造成的和易性不良的影響，外加劑用量略有降低；50% 以上細(xì)骨料代替量，強(qiáng)度降低明顯。

（3）MgO 成分驗(yàn)證符合相關(guān)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的報(bào)告說明，MgO 確實(shí)穩(wěn)定成分形式存在，非游離態(tài)氧化鎂。

（4）通過鎳鐵礦渣粉安定性試件檢測，安定性良好，也無體積膨脹危害，無游離氧化鎂化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生體積膨脹導(dǎo)致的安定性不良。

（5）通過鎳鐵礦渣篩分顆粒安定性、體積膨脹試件檢測，安定性良好，無體積膨脹危險(xiǎn)，說明鎳鐵礦渣中無游離氧化鎂反應(yīng)產(chǎn)生體積膨脹導(dǎo)致的安定性不良。

7 實(shí)際應(yīng)用

（1）鎳鐵礦渣表觀密度 2750kg/m3、緊密密度1720kg/m3，細(xì)度模數(shù)3.2。鎳鐵礦渣顆粒分布比較集中，連續(xù)性差，單獨(dú)使用和易性差。按照一定的比例混合，配制成Ⅱ區(qū)混合砂，極大地改善了混凝土的和易性，可用于路面工程。

（2）經(jīng)濟(jì)效益的計(jì)算：在路面混凝土的實(shí)際生產(chǎn)中，鎳鐵礦渣取代河砂量平均在.3噸/方，鎳鐵礦渣比天然砂價(jià)格每噸便宜約 40 元左右，折算到單方混凝土中可大約節(jié)約 12元/方；另外由于鎳鐵礦渣含泥量低，與機(jī)制砂搭配時(shí)，相應(yīng)降低了外加劑摻量。截止到目前為止，利津某混凝土公司使用鎳鐵礦渣作為細(xì)骨料生產(chǎn)地面混凝土1萬多方，共計(jì)消耗鎳鐵礦渣 3000 多噸，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價(jià)值在 12萬元以上；照此推算全年可以節(jié)約骨料費(fèi)用近百萬。

（3）利津某混凝土公司前期施工地面工程主要為鹽窩鎮(zhèn)曹家片區(qū)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田項(xiàng)目（路面工程 C20），聯(lián)合二村道路改造（C30 路面），利津縣汀羅鎮(zhèn)陳村（C20 路面）等等，從施工情況看，由于配比的合理性，路面工程密實(shí)性好，無開裂、鼓包、粉化等情況出現(xiàn)。6月1日進(jìn)行 600℃·d 回彈，C20 混凝土顯示值為 33～34MPa 之間，推算值在 27MPa 以上，超過了23MPa 的標(biāo)養(yǎng)強(qiáng)度。

[1]陳小佳．開發(fā)應(yīng)用綠色建材 促進(jìn)建材工業(yè)技術(shù)進(jìn)步[J]．科技進(jìn)步與對策，1999(3): 56-66．

[2]吳中偉．綠色高性能混凝土——混凝土的發(fā)展方向[J]．混凝土與水泥制品，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—），中心試驗(yàn)室副主任，助理工程師。

［通訊地址］山東省東營市東營區(qū)西四路 958#（257000）