高碳鉻鐵渣用作混凝土粗骨料的探索性研究

周永祥，賀陽(yáng)，劉晨，鄭旭，馬郁，謝小元

（1.中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013；2.建筑安全與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；3.中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院有限公司，北京 100024）

0 引言

鉻鐵渣是在鉻鐵合金冶煉生產(chǎn)過程中排出的一種含鉻冶煉廢渣。隨著我國(guó)鉻鐵產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，全國(guó)每年鉻鐵渣的排放量達(dá)約400萬t[1]，且大多數(shù)廢渣只能進(jìn)行堆存填埋處理，資源化利用率僅為30%[2]，已在環(huán)境污染與資源浪費(fèi)方面造成巨大的影響與損失。高碳鉻鐵渣質(zhì)地堅(jiān)硬，沒有不良體積安定性，具有作為骨料使用的可能性。如鉻鐵渣用作混凝土粗骨料獲得成功，將為低成本、規(guī)?；{鉻鐵渣提供重要的技術(shù)途徑。另一方面，2018年我國(guó)砂石用量已超過200億t，但由于可開采的天然砂石越來越少，加上環(huán)保政策對(duì)砂石開采的限制，我國(guó)部分地區(qū)的砂石資源已非常緊缺，直接影響到工程建設(shè)的進(jìn)度與成本。如鉻鐵渣等作為骨料使用，無疑將成為砂石資源的有益補(bǔ)充，具有顯著的工程價(jià)值。

近年來，國(guó)內(nèi)鉻鐵渣在水泥混凝土中的應(yīng)用研究主要集中在作為摻合料或混合材使用[3-4]，作為骨料應(yīng)用的研究報(bào)道主要集中在國(guó)外。Panda等[5]采用鉻鐵渣粗細(xì)骨料配制混凝土，發(fā)現(xiàn)其抗壓強(qiáng)度要優(yōu)于同條件下的天然骨料混凝土，并且鉻鐵渣中所殘留的鉻在水泥混凝土基質(zhì)中得到良好的固化，具有非常低的鉻浸出水平。Zeli J[6]將鉻鐵渣骨料用于路面混凝土，實(shí)驗(yàn)表明其抗壓強(qiáng)度、耐磨性和表觀密度均高于石灰?guī)r骨料混凝土。Prusty等[7]對(duì)比測(cè)試了鉻鐵渣骨料鋼筋混凝土梁的結(jié)構(gòu)性能，結(jié)果顯示其承載能力高于普通鋼筋混凝土梁，并且極限抗彎強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度等性能的影響因素與預(yù)測(cè)計(jì)算均與普通鋼筋混凝土梁相類似。我國(guó)在鉻鐵渣骨料的應(yīng)用方面研究較少，本文將高碳鉻鐵渣粗骨料以不同比例替代石灰?guī)r碎石，研究對(duì)混凝土性能的影響，探索其作為混凝土粗骨料的可行性。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：北京金隅P·O42.5水泥，粉煤灰：產(chǎn)自內(nèi)蒙古，Ⅱ級(jí)；河砂：Ⅱ區(qū)中砂；減水劑：天津悅明液狀聚羧酸高性能減水劑，減水率28%，含固量40%；天然粗骨料：5～20 mm連續(xù)級(jí)配石灰?guī)r碎石，表觀密度2700 kg/m3，顆粒級(jí)配通過篩分調(diào)整與高碳鉻鐵渣粗骨料一致，以盡量消除各組試驗(yàn)中骨料級(jí)配粒形變化的影響；高碳鉻鐵渣粗骨料：取自寧夏，主要化學(xué)成分見表1，XRD圖譜見圖1。高碳鉻鐵渣經(jīng)破碎篩分后，調(diào)整其顆粒級(jí)配滿足5～20 mm連續(xù)級(jí)配要求，根據(jù)GB/T 14685—2011《建設(shè)用卵石、碎石》測(cè)試其基本性能，如表2所示。

表1 高碳鉻鐵渣的主要化學(xué)成分%

圖1 碳素鉻鐵渣的XRD圖譜

表2 高碳鉻鐵渣粗骨料的基本性能

由表1和圖1可見，高碳鉻鐵渣中MgO含量較高，鎂相的組成形式主要是鎂橄欖石和鎂尖晶石等惰性礦物，游離的方鎂石極少，從存在形式來看，不會(huì)對(duì)安定性造成不良影響。由表2可見，鉻鐵渣粗骨料性能符合GB/T 14685—2011要求，無潛在堿-硅酸反應(yīng)危害。通過快速砂漿棒和堿-硅酸反應(yīng)試驗(yàn)表明，高碳鉻鐵渣用作粗骨料在80 ℃環(huán)境中14 d、在40 ℃環(huán)境中180 d均沒有體積膨脹的現(xiàn)象（180 d遠(yuǎn)低于堿骨料反應(yīng)判定閾值）。與石灰?guī)r碎石相比，高碳鉻鐵渣粗骨料的表觀密度較大。

1.2 配合比

混凝土配合比見表3，固定水膠比為0.48、砂率為0.44，通過調(diào)整用水量改變漿體量，將高碳鉻鐵渣粗骨料以不同比例等質(zhì)量替代石灰?guī)r碎石配制混凝土，研究高碳鉻鐵渣粗骨料替代率對(duì)混凝土性能的影響。

表3 混凝土配合比 kg/m3

1.3 試驗(yàn)方法

混凝土拌合物坍落度按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試；混凝土抗壓強(qiáng)度、受壓彈性模量按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試；混凝土電通量、長(zhǎng)期收縮性能按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試。混凝土可浸出重金屬含量參照GB/T 30810—2014《水泥膠砂中可浸出重金屬的測(cè)定方法》進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 鉻鐵渣粗骨料替代率對(duì)混凝土拌合物性能的影響

不同鉻鐵渣粗骨料替代率時(shí)，達(dá)到（200±10）mm相同坍落度下減水劑用量的變化見圖2。

圖2 鉻鐵渣粗骨料替代率對(duì)混凝土拌合物流動(dòng)性能的影響

由圖2可見，當(dāng)用水量為180 kg/m3、漿體量相對(duì)充足時(shí)，鉻鐵渣骨料替代率對(duì)混凝土拌合物流動(dòng)性沒有明顯影響；而當(dāng)體系漿體量較少時(shí)，鉻鐵渣骨料替代率增大將明顯增加混凝土達(dá)到相同坍落度時(shí)的減水劑用量，即對(duì)拌合物流動(dòng)性表現(xiàn)出不利作用。這說明鉻鐵渣骨料從自身需水角度不會(huì)明顯影響混凝土拌合物狀態(tài)，但由于其密度較大，與鋼渣、重晶石等高密度骨料一樣[8-9]，需要更多的漿體包裹并帶動(dòng)骨料顆粒的流動(dòng)。

2.2 鉻鐵渣粗骨料替代率對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

鉻鐵渣粗骨料替代率對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度與受壓彈性模量的影響分別見圖3、圖4。

圖3 鉻鐵渣粗骨替代率對(duì)混凝土28 d抗壓強(qiáng)度的影響

圖4 鉻鐵渣粗骨替代率對(duì)混凝土受壓彈性模量的影響

由圖3、圖4可見，單方用水量為180 kg/m3條件下，當(dāng)鉻鐵渣粗骨料替代率為30%、60%時(shí)，混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度較替代率為0的分別下降了5.5%、4.4%；當(dāng)鉻鐵渣粗骨料替代率為100%時(shí)，28 d抗壓強(qiáng)度則提高了10.9%；當(dāng)鉻鐵渣粗骨料替代率為30%、60%、100%時(shí)，混凝土的28 d受壓彈性模量分別為替代率為0的97.8%、102.9%、119.7%。單方用水量為170 kg/m3和160 kg/m3條件下，鉻鐵渣粗骨料替代率為50%時(shí)，混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度分別為替代率為0時(shí)的98.8%和107.0%；鉻鐵渣粗骨料替代率為100%時(shí)，混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度較替代率為0時(shí)分別提高6.9%和10.0%。說明足夠的鉻鐵渣骨料不會(huì)明顯降低混凝土的強(qiáng)度，隨著鉻鐵渣粗骨料替代率的增加，混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度與受壓彈性模量均有所提高，這同樣也應(yīng)該歸因于采用高密度鉻鐵渣骨料后體系整體密度的提高。

2.3 鉻鐵渣粗骨料替代率對(duì)混凝土電通量的影響（見圖5）

圖5 鉻鐵渣粗骨替代率對(duì)混凝土電通量的影響

由圖5可見，單方用水量為180 kg/m3條件下，當(dāng)鉻鐵渣粗骨料替代率分別為30%、60%、100%時(shí)，混凝土的28 d電通量較替代率為0時(shí)分別減小了12.9%、8.8%、25.9%，說明體系漿體量充足時(shí)，高密度鉻鐵渣粗骨料能適當(dāng)提高混凝土的抗氯離子滲透性能。當(dāng)單方用水量減少至170 kg/m3和160 kg/m3、漿體量較少時(shí)，使用鉻鐵渣骨料的混凝土都具有比不使用鉻鐵渣骨料的混凝土更高的28 d電通量。尤其是160 kg/m3單方用水量及50%鉻鐵渣骨料替代率的情況下，混凝土28 d電通量達(dá)到了2252 C，是相應(yīng)用水量下鉻鐵渣粗骨料替代率為0的混凝土的122%，該數(shù)據(jù)可能存在測(cè)試誤差，但也可能是石灰?guī)r粗骨料與鉻鐵渣骨料按照5∶5比例替代時(shí)，其組合顆粒級(jí)配對(duì)混凝土密實(shí)度確實(shí)不利，這一點(diǎn)尚待進(jìn)一步研究、論證?？傮w上，摻入鉻鐵渣粗骨料后，混凝土體系的勻質(zhì)性難以保證，混凝土的密實(shí)程度略有降低。

2.4 鉻鐵渣粗骨料替代率對(duì)混凝土長(zhǎng)期收縮的影響（見圖6）

圖6 鉻鐵渣粗骨替代率對(duì)混凝土長(zhǎng)期收縮的影響

由圖6可見，在45 d齡期前，不同鉻鐵渣粗骨料替代率的硬化混凝土長(zhǎng)期收縮率差別較小；當(dāng)齡期達(dá)到60 d后，不同鉻鐵渣粗骨料替代率的試件長(zhǎng)期收縮率出現(xiàn)差異，即隨著鉻鐵渣粗骨料替代率的增加，同齡期下硬化混凝土的長(zhǎng)期收縮率逐漸減小，并且隨著齡期的延長(zhǎng)，鉻鐵渣粗骨料替代率越大的試件收縮率增長(zhǎng)速率逐漸變慢。鉻鐵渣粗骨料替代率為0、30%、60%、100%的混凝土120 d收縮率分別為415×10-6、372×10-6、394×10-6、328×10-6?？傮w來看，不同鉻鐵渣粗骨料替代率時(shí)，混凝土在常規(guī)環(huán)境下具備良好的體積穩(wěn)定性，長(zhǎng)期收縮的發(fā)展與石灰?guī)r骨料混凝土基本一致，但優(yōu)于石灰?guī)r骨料混凝土。

2.5 鉻鐵渣粗骨料替代率對(duì)混凝土可浸出重金屬含量的影響

按GB/T 30810—2014測(cè)試不同鉻鐵渣粗骨料替代率混凝土經(jīng)歷28 d水化反應(yīng)后的重金屬浸出情況，結(jié)果見表4。

表4 混凝土可浸出重金屬含量 mg/L

由表4可見，鉻鐵渣粗骨料會(huì)引入一定量的可浸出Mn、Zn和Cr，且含量與鉻鐵渣粗骨料替代率呈正相關(guān)。但即使完全采用鉻鐵渣粗骨料，混凝土中的可浸出重金屬含量也均低于GB 30760—2014《水泥窯協(xié)同處置固體廢物技術(shù)規(guī)范》的限值。一方面，正常冶煉工藝下，鉻鐵渣中鉻以水溶態(tài)存在的量非常低[10]；此外，水泥水化反應(yīng)過程中C-S-H凝膠還會(huì)對(duì)重金屬離子進(jìn)行物理吸附與化學(xué)結(jié)合[11-12]。因此，鉻鐵渣粗骨料混凝土中的可浸出重金屬含量是非常有限的。

3 結(jié)論

（1）快速砂漿棒和堿-硅酸反應(yīng)試驗(yàn)表明，高碳鉻鐵渣用作粗骨料，在80 ℃環(huán)境中14 d、在40 ℃環(huán)境中180 d均沒有體積膨脹的現(xiàn)象。

（2）在適當(dāng)?shù)呐浜媳认?，高碳鉻鐵渣粗骨料對(duì)混凝土的拌合物流動(dòng)性能、抗壓強(qiáng)度、受壓彈性模量、電通量及長(zhǎng)期收縮均沒有明顯的不利影響。但由于高碳鉻鐵渣表觀密度較大，作為粗骨料在混凝土中大替代量使用時(shí)應(yīng)提高體系漿體量，以保證混凝土的流動(dòng)性能與勻質(zhì)性。

（3）即使用高碳鉻鐵渣全部替代石灰?guī)r碎石作為粗骨料，混凝土中的可浸出重金屬含量仍符合GB 30760—2014的要求，并遠(yuǎn)低于限值。