鎳渣對超高性能混凝土力學(xué)性能的影響研究

楊騰宇，舒本安，任彥飛，鄭禮尚，丁慶軍，解鵬洋

（1.佛山市交通科技有限公司，廣東 佛山 528315；2.武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430070；3.中國新型建材設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310022）

0 引言

鎳鐵渣是鎳鐵合金冶煉提純過程中產(chǎn)生的硅鋁質(zhì)固體廢棄物。據(jù)統(tǒng)計(jì)[1-2]，我國每年排放鎳鐵渣超過3000萬t，現(xiàn)有庫存超過1億t[3-4]。然而，只有約12%的鎳鐵渣被回收用于提取有價(jià)值元素[5]，制備微晶玻璃[6]和其它建筑材料[7-9]。鎳鐵渣的持續(xù)排放不僅占用土地資源，還會(huì)引起各種環(huán)境問題[10-11]。高爐鎳鐵渣的主要化學(xué)成分為SiO2、Al2O3、CaO和MgO，以鎂橄欖石、透輝石等結(jié)晶和非晶態(tài)礦物（通常大于50%）的形式存在。鎳鐵渣由于含有大量的無定形二氧化硅，具有作為硅酸鹽水泥替代膠凝材料的巨大潛力。

超高性能混凝土（UHPC）由于具有較高的力學(xué)性能、良好的耐久性等優(yōu)勢，為工程的輕質(zhì)化與高耐久性提供了技術(shù)支撐。然而超高性能混凝土的高水泥及硅灰用量嚴(yán)重制約了其綠色化水平。采用鐵尾礦、花崗巖石粉、廢玻璃、偏高嶺土等可部分替代水泥或硅灰等高值原料配制超高性能混凝土已有研究，但關(guān)于鎳渣在超高性能混凝土中應(yīng)用的可行性研究較少。本文對高爐鎳鐵渣進(jìn)行了不同程度的細(xì)化處理，研究其對超高性能混凝土力學(xué)性能的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：廣東清新海螺水泥有限公司產(chǎn)P·Ⅱ52.5R水泥，3、28 d抗壓強(qiáng)度分別為33.4、58.2 MPa；硅灰：甘肅裕洋新材料有限公司，SiO2>95%，比表面積19 500 m2/kg；粉煤灰：山東順科建材科技有限公司，Ⅰ級(jí)，需水量比92%，28 d活性指數(shù)72%；鎳渣粉：福建省鎳冶煉廠，比表面積415 m2/kg。水泥、粉煤灰及鎳渣的主要化學(xué)成分如表1所示。

表1 水泥、粉煤灰及鎳渣的主要化學(xué)成分 %

石英砂：東川佗城隆源石英砂廠，m（16~20目）∶m（20~40）目∶m（80~120目）=1∶1∶1；鋼纖維：上海真強(qiáng)纖維有限公司，長13 mm、直徑0.2 mm；外加劑：上海三瑞高分子材料股份有限公司產(chǎn)聚羧酸高性能減水劑，固含量40%，減水率31%。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與測試方法

采用球磨與氣流磨分別對鎳渣粉進(jìn)行細(xì)化處理。處理后的鎳渣分別記為QFS和LFS，經(jīng)測試，QFS和LFS的中值粒徑分別為5.6 μm和1.2 μm。按照表2配合比，利用QFS和LFS按照20%、50%、80%、100%分別等質(zhì)量取代粉煤灰和硅灰，各組試樣的水膠比均為0.16、膠砂比固定為1∶1.18、鋼纖維體積摻量均為2.5%。

表2 超高性能混凝土配合比設(shè)計(jì) kg/m3

將稱量好的骨料和膠凝材料先后加入強(qiáng)制式攪拌機(jī)中預(yù)混合30 s，隨后加入外加劑和水?dāng)嚢柚粱炷脸尸F(xiàn)良好工作性能，加入鋼纖維攪拌3 min，攪拌完成后進(jìn)行流動(dòng)性測試及試件成型。

工作性能：參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對擴(kuò)展度進(jìn)行測試，以評價(jià)其工作性能。

力學(xué)性能：參照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測試，抗壓與抗折強(qiáng)度試件尺寸分別為100 mm×100 mm×100 mm和100 mm×100 mm×400 mm，測試過程中的加載速率分別為1.4 MPa/s和0.1 MPa/s。試件養(yǎng)護(hù)溫度和相對濕度分別為（20±1）℃、95%。

干燥收縮：試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，密封養(yǎng)護(hù)24 h后將試件移至相對濕度50%、溫度20℃的環(huán)境中，參照J(rèn)GJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法》測試試件的干燥收縮。

微觀分析：用掃描電鏡（JSM-5610LV）對標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d的樣品微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察；氮?dú)馕椒治霾捎肨riStarⅡ3020進(jìn)行，采用BJH法從吸附分支測試其孔徑分布。

2 結(jié)果與討論

2.1 細(xì)化鎳渣對UHPC工作性能的影響（見表3）

表3 細(xì)化鎳渣對UHPC擴(kuò)展度的影響

由表3可見，當(dāng)以LFS取代部分硅灰時(shí)，LFS摻量的增加顯著增大了UHPC的擴(kuò)展度；而當(dāng)以QFS取代部分粉煤灰時(shí)，QFS摻量的增加減小了UHPC的擴(kuò)展度。對比樣FS0的擴(kuò)展度為550 mm，硅灰全部被LFS取代的UHPC擴(kuò)展度增大至580 mm。這主要是由于LFS的粒徑大于硅灰，表面潤濕水用量有所減小所致。而在QFS取代粉煤灰情況下，由于其顆粒粒型差于粉煤灰顆粒，因而弱化了粉煤灰的滾珠效應(yīng)，導(dǎo)致混凝土的擴(kuò)展度減小。當(dāng)采用LFS和QFS分別全部取代硅灰和粉煤灰時(shí)，LQFS的擴(kuò)展度為545 mm，基本與對比樣FS0持平?？梢?，QFS與LFS復(fù)摻時(shí)，UHPC具有良好的工作性能，未對流動(dòng)性產(chǎn)生負(fù)面影響。

2.2 細(xì)化鎳渣對UHPC力學(xué)性能的影響（見表4）

表4 細(xì)化鎳渣對UHPC力學(xué)性能的影響

由表4可知，當(dāng)LFS分別以0、20%、50%、80%、100%取代硅灰時(shí)，UHPC的28 d抗折強(qiáng)度分別為33.7、32.1、31.7、30.0、29.9 MPa。顯然，由于鎳渣的活性低于硅灰，LFS取代硅灰不利于混凝土抗折強(qiáng)度的發(fā)展。相反，經(jīng)細(xì)化后的鎳渣（QFS）活性優(yōu)于粉煤灰，促進(jìn)了水化產(chǎn)物的生成，從而有利于抗折強(qiáng)度的發(fā)展，因而，隨QFS摻量的增加，UHPC抗折強(qiáng)度表現(xiàn)出逐漸提高的趨勢。LFS和QFS復(fù)合使用的情況下，抗折強(qiáng)度為34.8 MPa，略高于對比樣。

抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)出與抗折強(qiáng)度相同的變化趨勢，對比樣的28 d抗壓強(qiáng)度為144.3 MPa，LQFS的28 d抗壓強(qiáng)度為148.8 MPa?；诹W(xué)性能的測試結(jié)果，LFS與QFS在超高性能混凝土中的應(yīng)用具有技術(shù)可行性。

2.3 UHPC的干燥收縮

基于工作性能與力學(xué)性能的測試結(jié)果，LFS與QFS復(fù)摻能夠保障UHPC的工作性能與力學(xué)性能。出于經(jīng)濟(jì)技術(shù)效果的考慮，二者復(fù)摻具有潛在的應(yīng)用前景。因此，選取二者復(fù)摻樣品對收縮與微觀結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行進(jìn)一步探討。對LQFS和對比樣FS0的干燥收縮進(jìn)行了評價(jià)，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可見，在測試齡期內(nèi)，2組試樣都出現(xiàn)了明顯的干縮變形。LQFS樣品早期（10 d前）干燥收縮小于對比樣，而后期收縮略大于對比樣?；瘜W(xué)成分、養(yǎng)護(hù)條件和水膠比都會(huì)對收縮行為產(chǎn)生影響[12-13]，一般情況下，較高的水化產(chǎn)物生成量會(huì)引起自收縮增大，從而具有較高的干燥收縮。因此，LQFS早期干縮較小的原因是由于LFS的活性低于硅灰所致，而QFS的活性高于粉煤灰，故后期干燥收縮會(huì)大于對比樣。

2.4 UHPC的孔結(jié)構(gòu)

圖2為對比樣FS0及LQFS的累計(jì)孔體積（N2吸附）。

由圖2可見，LFS和QFS在超高性能混凝土中取代硅灰與粉煤灰后，N2吸附試驗(yàn)的吸附支路總孔體積變化與對比樣有明顯的不同。LQFS樣品的總孔體積較對比樣有一定減小。說明雖然LFS的活性小于硅灰會(huì)對水化產(chǎn)物生成帶來負(fù)面作用，但QFS的高活性（較粉煤灰而言）可有效彌補(bǔ)LFS的負(fù)面作用。一般而言，水泥基膠凝材料的孔徑分布與干燥收縮行為有關(guān)[14]。LQFS和對比樣的干燥收縮率與總孔體積呈正相關(guān)。細(xì)化鎳渣的引入導(dǎo)致試樣凝膠孔和毛細(xì)孔體積增大，這也是LQFS具有較大干燥收縮率的原因。

2.5 UHPC的微觀結(jié)構(gòu)分析

LQFS與對比樣FS0標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)的SEM照片如圖3所示。

由圖3可見，對比樣中含有大量C-S-H凝膠產(chǎn)物，同時(shí)，大量粉煤灰顆粒均勻分布于凝膠產(chǎn)物中。較大的粉煤灰顆粒依然保持良好的表觀形貌，而較小的粉煤灰顆粒表面發(fā)生了溶蝕，表明小粒徑粉煤灰已經(jīng)發(fā)生了火山灰反應(yīng)且與基體的界面較為緊密。摻加細(xì)化鎳渣樣品的微觀結(jié)構(gòu)與對比樣具有相似的致密程度，但未水化的較大鎳渣顆粒同樣在結(jié)構(gòu)中被觀察到，小粒徑的鎳渣表面已經(jīng)已經(jīng)發(fā)生火山灰反應(yīng)與基體形成了一個(gè)整體。由于LQFS樣品比對比樣具有較高的干燥收縮，因此在LQFS微觀結(jié)構(gòu)中也可以觀察到少量的微裂縫。微觀分析結(jié)果與干燥收縮、孔結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的測試結(jié)果相吻合。

3 結(jié)論

（1）LFS取代硅灰可改善超高性能混凝土的工作性能，而QFS取代粉煤灰有利于工作性能，LFS和QFS分別全部取代硅灰和粉煤灰的LQFS樣品具有良好的工作性能，擴(kuò)展度與對比樣基本持平，可達(dá)545 mm。

（2）LFS不利于超高性能的力學(xué)性能，QFS表現(xiàn)出相反的效果，LQFS具有與對比樣相似的力學(xué)性能，采用LFS和QFS分別全部取代硅灰和粉煤灰后，UHPC的28 d抗壓、抗折強(qiáng)度分別達(dá)到148.8、34.8 MPa。

（3）由于LFS較硅灰的火山灰活性低，而QFS較粉煤灰活性高，因而LQFS早期收縮小而后期收縮大。但較大鎳渣顆粒28 d齡期仍具有較低的火山灰活性。