鎳鐵礦渣代替細骨料應用于混凝土生產的可行性研究

曹明峰，張海彬

（勝利油田營海實業集團有限公司，山東 東營 257000）

鎳鐵礦渣代替細骨料應用于混凝土生產的可行性研究

曹明峰，張海彬

（勝利油田營海實業集團有限公司，山東 東營 257000）

本文根據鎳鐵礦渣的特性，通過對鎳鐵礦渣進行進一步處理，達到符合混凝土的細骨料使用標準，驗證細骨料替代量對混凝土強度的影響，同時根據其化學組分設計試驗進行安定性驗證，確保作為細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；細骨料替代；強度；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格持續上漲的現狀，開發應用新型的骨料替代品是實現混凝土企業降本增效的有效途徑。同時，廢棄礦渣的重新利用有十分顯著的經濟效益，可有效改善環境，是混凝土綠色發展的需求，社會價值顯著。

1 試驗目的

前期在考察礦粉的過程中，發現濱州市國博公司存有鎳鐵礦渣原渣將近十萬噸，在討論鎳鐵礦渣應用于水泥粉磨的過程中，產生了將鎳鐵礦渣原礦用于混凝土生產的想法。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，粒徑可以達到1.0～2.5mm 細骨料要求，可以有效調整現有機制砂顆粒級配，預計對混凝土生產狀態會有較大的改善。

2 鎳鐵礦渣材料性質探討

鎳鐵礦渣是鎳鐵合金生產過程中產生的熔融態廢棄物，冶煉溫度高達 1600℃ 左右。通過有關報告中化學分析顯示，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，會存在游離態時與水反應生成 Mg(OH)2的危險，體積膨脹系數達到2.48（反應條件為熱水環境）。如果 MgO存在的游離態過多，將會大大的加劇反應幾率，同時應用于混凝土生產中，由于混凝土水化熱可以提供溫度環境，所以需要對安定性、體積膨脹率進行試驗確認。之前，有關研究機構為證實鎳鐵礦渣中是否有游離態氧化鎂存在，進行了 SEM 衍射分析，證實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，伴有少量的鈣鎂鐵碳酸鹽形式。基于上述結論，在進行鎳鐵礦渣代替細骨料使用時，需要驗證作為細骨料時的強度影響，同時氧化鎂體積膨脹率的影響也需要進一步驗證。

3 試驗用材料

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

（2）礦粉：中鐵礦粉 S95 級，28 天活性指數113%。

（3）粉煤灰：勝利發電廠粉煤灰，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1.2，表觀密度 2740kg/m3；勝利水泥公司干機制砂，Mx=3.1，亞甲藍1.6，表觀密度 2740kg/m3；ISO 標準砂。

（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粉磨至水泥細度水平。

4 試驗內容與步驟

4.1 試驗設計

（1）對鎳鐵礦渣進行化學全分析檢驗；

（2）鎳鐵礦渣代替細骨料與機制砂的強度對比驗證；

（3）鎳鐵礦渣各種顆粒狀態在結構試件中通過沸煮蒸壓等手段，進行混凝土安定性、膨脹率的檢測。

4.2 試驗內容與步驟

4.2.1 混凝土力學性能檢測

逐步提高細骨料代替量，進行強度對比檢測。試驗采用 C30 生產用配合比作為標準配比，以機制砂作為細骨料為空白試樣，試驗結果見表1。

表1 試驗用配合比與狀態記錄

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大鎳鐵礦渣中氧化鎂的化學反應導致的體積變化影響，及早發現氧化鎂副作用。試驗中通過將鎳鐵礦渣顆粒進行粉磨，粉化至82μm，篩余2% 顆粒程度，作為膠材進行檢測；另外顆粒狀態鎳鐵礦渣部分或全部代替標準砂，制作標準膠砂試件。試驗條件是每個配比標準試件，按照國家標準經過3.5小時沸煮后，觀察體積變化情況，測量體積變化數值；蒸煮后標準試件經恒溫養護后在 185℃ 溫度、1MPa 壓力的條件下，進行 7h 恒溫恒壓破壞，冷卻后檢測試件外觀、尺寸的變化，通過線性檢測數據分析，判定鎳鐵礦渣的各種狀態使用，結構的安定性是否合格，體積膨脹率是否符合要求。具體試驗配比見表2。

表2 安定性、膨脹率試驗配比

5 試驗結果與分析

5.1 化學全分析結果（表3 ）

表3 化學全分析結果 %

鎳鐵礦渣的化學全分析結果與檢測機構所提供的報告成分含量接近。

5.2 混凝土強度損失試驗結果（表4 ）

表4 混凝土強度損失試驗結果 MPa

表5 安定性、體積膨脹檢測尺寸變化結果 mm

由表4 可知，隨著鎳鐵礦渣代替細骨料量超過50%，混凝土抗壓強度下降明顯，28d 抗壓強度下降達到4.0MPa 以上。

5.3 安定性、體積膨脹檢測尺寸變化測量結果

試驗采用沸煮（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。結果見表5。

數據統計中，水泥試件的膨脹系數最大為3.75×10-4；鎳鐵礦渣粉狀試件出現收縮，收縮系數最大為5.56×10-4；鎳鐵礦渣顆粒作骨料試件收縮系數最大為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無相關性；測量結果中高度的數據由于是試件上表面易損壞，所以此尺寸進行測量，但不進行數據實際分析使用。通過沸煮與蒸壓試驗后的線性尺寸測量結果可以看出，標準試件外觀均良好，未出現任何彎曲、變形、潰裂的安定性異常情況，同時所有試件的體積膨脹率均小于標準規定的.6%，而且都是負值。體積膨脹率出現負值情況，是由于試件高溫干縮造成的，同時這一現象進一步驗證了鎳鐵礦渣中無游離 MgO 的存在，其化學成分中的 MgO 符合穩定型化合狀態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骨料用于混凝土生產，不會產生安定性不良體積膨脹造成耐久性的降低。

6 試驗結論

（1）鎳鐵礦渣顆粒經過破碎篩分，選用2.5mm 以下顆粒代替細骨料用于混凝土生產完全可行，但是摻量需要經過驗證，使用部位要以非結構部位為主。

（2）本試驗驗證2.5mm 篩分鎳鐵礦渣代替量不超過 400kg，混凝土強度基本無影響，同時混凝土和易性良好，可以有效改善機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% 以上細骨料代替量，強度降低明顯。

（3）MgO 成分驗證符合相關檢驗機構的報告說明，MgO 確實穩定成分形式存在，非游離態氧化鎂。

（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，無游離氧化鎂化學反應產生體積膨脹導致的安定性不良。

（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，說明鎳鐵礦渣中無游離氧化鎂反應產生體積膨脹導致的安定性不良。

7 實際應用

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

（2）經濟效益的計算：在路面混凝土的實際生產中，鎳鐵礦渣取代河砂量平均在.3噸/方，鎳鐵礦渣比天然砂價格每噸便宜約 40 元左右，折算到單方混凝土中可大約節約 12元/方；另外由于鎳鐵礦渣含泥量低，與機制砂搭配時，相應降低了外加劑摻量。截止到目前為止，利津某混凝土公司使用鎳鐵礦渣作為細骨料生產地面混凝土1萬多方，共計消耗鎳鐵礦渣 3000 多噸，創造經濟價值在 12萬元以上；照此推算全年可以節約骨料費用近百萬。

（3）利津某混凝土公司前期施工地面工程主要為鹽窩鎮曹家片區高標準農田項目（路面工程 C20），聯合二村道路改造（C30 路面），利津縣汀羅鎮陳村（C20 路面）等等，從施工情況看，由于配比的合理性，路面工程密實性好，無開裂、鼓包、粉化等情況出現。6月1日進行 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 的標養強度。

[1]陳小佳．開發應用綠色建材 促進建材工業技術進步[J]．科技進步與對策，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—），中心試驗室副主任，助理工程師。

［通訊地址］山東省東營市東營區西四路 958#（257000）