鎳鐵渣復合摻合料在混凝土中的應用研究

高雪峰張海英楊向陽李可展

（1平陽縣北港混凝土有限公司，浙江 溫州 325405，2 蒼南縣瑞田新型建材有限公司，浙江 溫州325802）

鎳鐵渣復合摻合料在混凝土中的應用研究

高雪峰1張海英1楊向陽1李可展2

（1平陽縣北港混凝土有限公司，浙江 溫州 325405，2 蒼南縣瑞田新型建材有限公司，浙江 溫州325802）

本文通過鎳鐵渣的各種成分分析，排除了鎳鐵渣對環境和人體健康的危害，并將鎳鐵渣單一粉磨成不同比表面積，試驗表明鎳鐵渣活性較低，不宜單獨使用。將鎳鐵渣與石膏、礦渣及粉煤灰按不同比例共同粉磨至450(m2/kg)比表面積時其性能顯著提高，鎳鐵渣二元體系或三元體系復合摻合料在混凝土中可起到多元復合效應，經試驗和實際生產證明，鎳鐵渣復合摻合料可以作為混凝土的輔助膠凝材料。

鎳鐵渣；紅土鎳礦；質量系數；輔助膠凝材料

鎳是一種銀白色的有色金屬，是生產不銹鋼不可或缺的材料，鎳鐵是鎳與鐵的合金，并含有銅、鉻、硅、碳等有價元素，主要用作煉鋼和鑄鐵的添加劑。目前國內鎳鐵渣基本都是紅土鎳礦在電爐火法冶煉鎳鐵過程中排放的一種冶金廢渣，其中鎳鐵占礦石有價組分的20%左右，其它80%為脈石在冶煉過程中與助溶劑一起通過排渣口流出再經水淬急冷形成含玻璃相的顆粒物。鎳鐵渣與高爐礦渣化學成分相同但性質差異較大，不能混淆，鎳鐵渣顏色一般呈墨綠色、灰黑色及灰白色。隨著國內鎳鐵需求日益增加，鎳鐵冶煉行業得到蓬勃發展，而大量鎳鐵渣的堆置和填埋不僅占用土地，還將污染周邊環境。近年來鎳鐵渣綜合利用已引起人們重視，但使用范圍有限，用量較少，難以減少廢渣量。我國建材行業的發展方向是充分利用工業廢棄物，節約資源，減少排放。而將鎳鐵渣用作混凝土摻合料是一個新課題，鎳鐵渣的性質與紅土鎳礦產地、礦物成分、化學組分、有色金屬含量密切相關。本文所述鎳鐵渣來自福建福安鎳業冶煉的廢渣，其復合混磨由蒼南瑞田新型建材有限公司生產，經多方面試驗研究其作為混凝土摻合料在實際生產中的可行性，以此拋磚引玉，與同行探討。

1 鎳鐵渣的性質

將鎳鐵渣粉磨成比表面積為400(m2/kg)左右，送于福建省冶金產品質量監督檢驗站檢測其礦物成分、化學組成及重金屬和放射性含量，其它物理性能試驗自行檢測。

1.1 鎳鐵渣的礦物成分

以X射線衍射儀（XRD）對鎳鐵渣礦物成分進行分析如圖1所示，從圖1可知鎳鐵渣主要含鐵鎂橄欖石和未見方鎂石等溶脹性物質，該圖譜背景值較高表明鎳鐵渣含有大量非晶態玻璃相和少部分結晶相。

圖1 鎳鐵渣的X射線圖譜

1.2 鎳鐵渣的化學組成

鎳鐵渣的化學組成與礦渣相同，但含量差別較大，鈣少硅鎂含量高，其化學組成和含量如表1所示。

根據GB203-94結合鎳鐵渣的化學組成可計算鎳鐵渣的質量系數Ko和堿性系數Mo，Ko=(CaO+MgO+AL2O3)/(SiO2+MnO+TiO2)=1.04，Mo=(CaO+MgO)/(SiO2+AL2O3)=0.70。由此可知鎳鐵渣的質量系數一般，堿性系數較低，屬于中低活性的酸性渣。

表1 鎳鐵渣的化學組成(單位:%)

表2 鎳鐵渣元素及放射性分析(單位:%)

1.3 鎳鐵渣對環保的影響

作為金屬材料冶煉廢棄物由于含有部分重金屬及有害元素可能對環境和人體健康產生危害，若用于建材必須對環保的影響進行評價。鎳鐵渣含有未經提煉出的有色金屬元素及其它有害元素，可能存在放射性對人體影響。經檢測如表2所示，從表2可知鎳鐵渣含有銅、鉛、鋅、鎘、鎳等元素，但含量極少，依據GB/T5085.3-2007《危險廢物鑒別標準 浸出毒性鑒別》規定的限值，鎳鐵渣不具備浸出毒性，不屬于危險廢物，為Ⅰ類一般工業固體廢物[1]。按著GB6566-2010《建筑材料放射性核素限量》其內外照射性均≤1符合標準要求。

1.4 鎳鐵渣對安定性的影響

由于鎳鐵渣MgO含量高，可能存在熱穩定性問題，會對鎳鐵渣在水泥和混凝土中的溶脹性形成影響。而水泥的MgO含量≥6%時需進行壓蒸安定性試驗，經檢測鎳鐵渣壓蒸膨脹率為0.12%，符合標準小于0.5%要求。鎳鐵渣中的MgO主要不是以方鎂石形式存在，而是存在于橄欖石或玻璃相中[2]。

1.5 鎳鐵渣的活性試驗

鎳鐵渣分別粉磨成五種不同比表面積測其膠砂強度（按50%摻量）如表3所示，從表3可知鎳鐵渣隨著比表面積增加，其活性指數提高，但超過460（m2/kg）以后增加幅度較小。這主要因為鎳鐵渣質量系數低，僅僅通過粉磨細度來激發其活性效果不明顯也不經濟，這就要尋找其它途徑來激發其活性。

2 鎳鐵渣復合摻合料的配制

鎳鐵渣氧化鈣含量少，膠凝系數小，活性低且是酸性渣，需要采取補鈣或堿性激發以及與其它材料復合等措施來提高其活性。經反復試驗有兩種復合技術途徑，其一：鎳鐵渣二元體系復合摻合料，即50%鎳鐵渣+5%脫硫石膏+45%的高爐礦渣可以達到單一高爐礦渣的性能，作為混凝土摻合料時最好還應與粉煤灰一起摻入混凝土中，以發揮多元疊加效應。其二：鎳鐵渣三元體系復合摻合料，即40%鎳鐵渣+5%脫硫石膏+20%高爐礦渣+35%粉煤灰，鎳鐵渣三元體系復合摻合料可以單獨用于混凝土，不須另外再加其它摻合料。鎳鐵渣二元體系復合摻合料簡稱二元系，鎳鐵渣三元復合摻合料簡稱三元系。

3 鎳鐵渣復合摻合料性能

鎳鐵渣目前并無在混凝土中應用的國家、行業和地方標準，現在中國建筑學會標準T/ASC01-2016《水泥和混凝土用鎳鐵渣粉》于2016年6月15日實施，為鎳鐵渣的產品應用指明了方向，具有積極的指導意義。此外鎳鐵渣復合摻合料性能指標還應參考GB/T51003-2014《礦物摻合料應用技術規范》中相應技術要求規定。

3.1 鎳鐵渣復合摻合料物理性能

將鎳鐵渣復合摻合料分別粉磨成兩種不同比表面積測其各項性能如表4所示，從表4試驗表明鎳鐵渣二元系復合摻合料粉磨至比表面積≥450m2/kg時可以達到復合礦物摻合料F95級活性要求，鎳鐵渣三元系復合摻合料粉磨至比表面積≥450m2/kg時能達到F90級要求，復合摻合料流動比大，與外加劑適應性好。

3.2 鎳鐵渣復合摻合料化學組成

鎳鐵渣復合摻合料由多種材料復合而成，其化學組成將會有所變化，經檢測如表5所示，從表5可知鎳鐵渣復合摻合料的CaO含量有所提高，MgO 含量減小。二元系質量系數Ko1=1.44，堿性系數Mo1=0.81，三元系質量系數Ko2=1.20，堿性系數Mo2=0.49。鎳鐵渣二元系復合摻合料的質量系數和堿性系數均得到提高，屬于較高活性的酸性渣，三元系質量系數稍微提高一點，堿性系數下降較多。

4 鎳鐵渣復合摻合料在混凝土中的性能

表3 鎳鐵渣的膠砂強度

表4 鎳鐵渣復合摻合料物理性能試驗

表5 鎳鐵渣復合摻合料的化學組成(單位:%)

表6 C40鎳鐵渣混凝土理論配合比(kg/m3)

鎳鐵渣二元系復合摻合料當其活性達到F95級時與礦粉S95級性質相近，可以參考礦粉在混凝土中摻量使用，實際應用時建議與粉煤灰或磨細燃煤爐渣共同摻入混凝土中從而達到超疊加效應，三元系復合摻合料宜單獨使用。以強度等級C40泵送混凝土為例，介紹鎳鐵渣復合摻合料不同摻量在混凝土中的性能情況，配合比見表6。三種配合比的水膠比保持不變，輔助膠凝材料摻量為35%，外加劑摻量固定為2.2%，鎳鐵渣二元復合摻合料摻量分別是17.5%、20%、25%，三元復合摻合料摻量為35%。

4.1 混凝土拌合物性能

鎳鐵渣混凝土的拌合物性能試驗如表7所示，試驗時室溫22℃，濕度80%。當水膠比、膠凝材料總量不變時隨著鎳鐵渣復合摻合料摻量增加混凝土拌合物性能發生明顯變化，摻量越大混凝土泌水越多、保水性差、凝結時間稍微延長一些，含氣量基本不變，水溶性氯離子含量基本相同，以鎳鐵渣20%摻量時拌合物性能最好。

4.2 硬化混凝土性能

鎳鐵渣復合摻合料不同摻量對混凝土力學性能、耐久性能有輕微影響，隨著摻量增加，混凝土強度略微提高、抗滲性能稍微下降、干縮值增大、碳化值變大，硬化混凝土性能如表8所示。

此外，鎳鐵渣復合摻合料低摻量時抗硫酸鹽侵蝕性能可能會下降，由于Fe2O3和AL2O3一樣，參與硫酸鹽的反應形成鈣礬石，導致混凝土性能下降，但摻量較大時能為鈣礬石提供生存空間，提高了混凝土的密實性，有利于抵抗硫酸鹽侵蝕[3]。

5 結 語

表7 不同摻量鎳鐵渣混凝土拌合物性能

表8 鎳鐵渣不同摻量硬化混凝土性能

1）鎳鐵渣的礦物成分、化學組成與鎳礦品質、冶煉工藝緊密相關，使用時應固定單一材料來源，并進行環保影響評價分析，排除其危害性。

2）鎳鐵渣作為單一摻合料存在鈣低、鎂高的缺點，導致膠凝系數小、活性低，遇水溶脹等缺陷。由于氧化鎂高必須進行壓蒸安定性試驗，合格后方能使用。

3）鎳鐵渣與石膏、粒化高爐礦渣共同混磨至比表面積達450m2/kg組成二元復合摻合料，可以達到復合礦物摻合料F95級活性要求，與礦粉S95級性質接近，實際使用時還應與粉煤灰（原狀飛灰）或磨細燃煤灰渣粉共同摻入混凝土中，從而達到疊加效應，其最佳摻量為20%左右。

4）鎳鐵渣三元復合摻合料磨至比表面積達450m2/kg時可以達到F90級活性要求，最大摻量為35%左右時技術經濟性較好，并可以單獨用作混凝土摻合料。

5）鎳鐵渣二元系、三元系甚至四元系等復合摻合料其配置材料選擇較多，并非僅限于粉煤灰和高爐礦渣，還可以與鋼渣、沸石、磷渣等活性火山灰質材料混合磨細，使用前做好各項試驗工作，必須滿足混凝土的各項性能技術要求。

6）鎳鐵渣復合摻合料經多種試驗證明其可以作為混凝土的輔助膠凝材料，雖然技術上可行、經濟性和環保性較好，但鎳鐵渣復合摻合料由于國內外缺乏長期研究資料，其對混凝土產品的后期質量和人體健康的影響仍然需要評估，實際應用時還需慎重。

[1]何緒文,石靖靖,李靜等．鎳渣的重金屬浸出特性[J]．環境工程學報，2014，8(8):3385-3388．

[2]盛廣宏,翟建平．鎳工業冶金渣的資源化[J]．金屬礦山，2005，352:68-71．

[3]肖忠明，王昕，霍春明等．鎳渣水化特性的研究[J]．廣東建材，2009，9:9-12．

A Study on the application of Ni-Fe slag compound admixture in concrete

By analyzing the components of Ni-Fe slag,this paper ruled out the hazard of Ni-Fe slag to human health and the environment．Then,Ni-Fe slag powder was grinded to different specific surface area．Test results showed that Ni-Fe slag had low activity,thus was not suitable for individual use．Then, the Ni-Fe slag was mixed with gypsum,mineral slag and fly ash in different proportions,and the mixture was grinded．When the specific surface area reached 450 (m2/kg),the performance of the mixture was significantly improved．The Ni-Fe slag binary system or ternary system compound admixture can play a multiple-element composite effect in concrete．As proven by test and the actual production,Ni-Fe slag compound admixture can be used as an auxiliary cementing material for concrete．

Ni-Fe slag；red earth nickel ore；quality factor；auxiliary cementing material

TU528．52文獻辨識碼：B

1003-8965(2017)01-0023-04