镍铁矿渣代替细骨料应用于混凝土生产的可行性研究

镍铁矿渣代替细骨料应用于混凝土生产的可行性研究 镍铁矿渣代替细骨料应用于混凝土生产的可行性研究 曹明峰，张海彬 （胜利油田营海实业集团有限公司，山东 东营 257000） 摘 要本文根据镍铁矿渣的特性，通过对镍铁矿渣进行进一步处理，达到符合混凝土的细骨料使用标准，验证细骨料替代量对混凝土强度的影响，同时根据其化学组分设计试验进行安定性验证，确保作为细骨料使用的安定性合格，保证混凝土不因镍铁矿渣的安定性问题使耐久性下降。 关键词镍铁矿渣；细骨料替代；强度；安定性；耐久性；膨胀率；收缩率 0 引言 针对目前混凝土原材料货源紧缺以及价格持续上涨的现状，开发应用新型的骨料替代品是实现混凝土企业降本增效的有效途径。同时，废弃矿渣的重新利用有十分显著的经济效益，可有效改善环境，是混凝土绿色发展的需求，社会价值显著。 1 试验目的 前期在考察矿粉的过程中，发现滨州市国博公司存有镍铁矿渣原渣将近十万吨，在讨论镍铁矿渣应用于水泥粉磨的过程中，产生了将镍铁矿渣原矿用于混凝土生产的想法。讨论后初步共识为，目前存储的镍铁矿渣通过简易破碎筛选，粒径可以达到1.02.5mm 细骨料要求，可以有效调整现有机制砂颗粒级配，预计对混凝土生产状态会有较大的改善。 2 镍铁矿渣材料性质探讨 镍铁矿渣是镍铁合金生产过程中产生的熔融态废弃物，冶炼温度高达 1600 左右。通过有关报告中化学分析显示，其中 SiO2含量为 42.40%，CaO 含量为8.79%，MgO 含量为 26.11%。由于 MgO 含量较高，会存在游离态时与水反应生成 Mg(OH)2的危险，体积膨胀系数达到2.48（反应条件为热水环境）。如果 MgO存在的游离态过多，将会大大的加剧反应几率，同时应用于混凝土生产中，由于混凝土水化热可以提供温度环境，所以需要对安定性、体积膨胀率进行试验确认。之前，有关研究机构为证实镍铁矿渣中是否有游离态氧化镁存在，进行了 SEM 衍射分析，证实镍铁矿渣中的氧化镁是固溶于矿物晶格中存在的，以钙镁铁橄榄石(Mg1.64Fe0.35Ca0.1)(Si0.99Al0.1)形式出现，伴有少量的钙镁铁碳酸盐形式。基于上述结论，在进行镍铁矿渣代替细骨料使用时，需要验证作为细骨料时的强度影响，同时氧化镁体积膨胀率的影响也需要进一步验证。 3 试验用材料 （1）水泥：胜利水泥 PO42.5，3d 抗压强度为27.5MPa，28d 抗压强度为 54.0MPa。 （2）矿粉：中铁矿粉 S95 级，28 天活性指数113%。 （3）粉煤灰：胜利发电厂粉煤灰，45m 筛余32%，需水量比 102%。 （4）石：青石石子，有 1525mm（石子1）和2531.5mm（石子2）两种不同粒径。 （5）砂：宇城水洗砂，Mx=3.4，亚甲蓝1.2，表观密度 2740kg/m3；胜利水泥公司干机制砂，Mx=3.1，亚甲蓝1.6，表观密度 2740kg/m3；ISO 标准砂。 （6）外加剂：大连西卡公司聚羧酸外加剂。 （7）镍铁矿渣颗粒：镍铁矿渣破碎后，筛选1.02.5mm 部分，表观密度 2750kg/m3。镍铁矿渣粉：镍铁矿渣破碎后通过小型磨机粉磨至水泥细度水平。 4 试验内容与步骤 4.1 试验设计 （1）对镍铁矿渣进行化学全分析检验； （2）镍铁矿渣代替细骨料与机制砂的强度对比验证； （3）镍铁矿渣各种颗粒状态在结构试件中通过沸煮蒸压等手段，进行混凝土安定性、膨胀率的检测。 4.2 试验内容与步骤 4.2.1 混凝土力学性能检测 逐步提高细骨料代替量，进行强度对比检测。试验采用 C30 生产用配合比作为标准配比，以机制砂作为细骨料为空白试样，试验结果见表1。 表1 试验用配合比与状态记录序号 水泥 矿粉 粉煤灰 湿砂 干砂 镍铁矿渣颗粒 石子1 石子2外加剂 水 备注Q1 240 70 80 680 200 0 400 500 6.7 175 状态良好，20min 无坍损Q2 240 70 80 880 0 0 400 500 6.5 175 流动性较差，20min 无坍损Q3 240 70 80 480 200 200 400 500 6.5 175 混凝土状态良好，20min 无坍损，外加剂用量有所降低，流动性良好Q4 240 70 80 500 0 380 400 500 6.5 175混凝土状态良好，20min 无坍损，流动性良好Q5 240 70 80 400 0 480 400 500 6.5 175 Q6 240 70 80 200 200 480 400 500 6.5 175 Q7 240 70 80 130 200 550 400 500 6.5 175 4.2.2 安定性、体积膨胀率检测 安定性、体积膨胀率检测是为了扩大镍铁矿渣中氧化镁的化学反应导致的体积变化影响，及早发现氧化镁副作用。试验中通过将镍铁矿渣颗粒进行粉磨，粉化至82m，筛余2% 颗粒程度，作为胶材进行检测；另外颗粒状态镍铁矿渣部分或全部代替标准砂，制作标准胶砂试件。试验条件是每个配比标准试件，按照国家标准经过3.5小时沸煮后，观察体积变化情况，测量体积变化数值；蒸煮后标准试件经恒温养护后在 185 温度、1MPa 压力的条件下，进行 7h 恒温恒压破坏，冷却后检测试件外观、尺寸的变化，通过线性检测数据分析，判定镍铁矿渣的各种状态使用，结构的安定性是否合格，体积膨胀率是否符合要求。具体试验配比见表2。 表2 安定性、膨胀率试验配比备注：体积膨胀数据测量及养护一律在 20、80% 相对湿度环境下进行。矿渣颗粒 标准砂 水（按照状态可调）YNA01 450 0 0 1350 225 YNA02 300 150 0 1350 225 YNA03 225 225 0 1350 225 YNA04 115 335 0 1350 225 YNA05 450 0 450 900 225 YNA06 450 0 900 450 225 YNA07 450 0 1350 0 225编号配料方案(kg/m3)水泥 镍铁矿渣粉镍铁 5 试验结果与分析 5.1 化学全分析结果（表3 ） 表3 化学全分析结果 %SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO 46.47 5.87 6.62 17.62 21.07 镍铁矿渣的化学全分析结果与检测机构所提供的报告成分含量接近。 5.2 混凝土强度损失试验结果（表4 ） 表4 混凝土强度损失试验结果 MPa7d 强度 28d 强度Q1 29.7 43.6Q2 33.8 44.8Q3 31.2 45.7Q4 28.4 44.6Q5 25.7 40.2Q6 26.2 40.1Q7 31.2 40.8 表5 安定性、体积膨胀检测尺寸变化结果 mm注：所有试件均保持完整，无缺损，无裂缝。沸煮试验 蒸压试验原试样 沸煮后，100、3.5h 蒸压后长宽高长宽高长宽编号高YNA01-1 16.002 4.010 4.010 16.008 4.012 4.010 16.004 4.012 4.008 YNA01-2 16.012 4.000 4.182 16.010 4.008 4.024 16.014 4.008 4.020 YNA01-3 16.016 4.000 4.012 16.030 4.002 4.022 16.028 4.006 4.010平均值 16.010 4.003 4.068 16.016 4.007 4.019 16.015 4.009 4.013变化值 0.006 0.004 -0.049 0.005 0.005 -0.055 YNA02-1 16.138 4.008 3.972 16.142 3.998 3.974 16.146 4.000 3.972 YNA02-2 16.118 3.994 4.178 16.116 3.996 4.178 16.114 3.994 4.178 YNA02-3 16.132 4.010 4.188 16.126 4.012 4.178 16.128 4.014 4.172平均值 16.129 4.004 4.113 16.128 4.002 4.110 16.129 4.003 4.107变化值 -0.001 -0.002 -0.003 0.000 -0.001 -0.005 YNA03-1 16.196 4.000 4.158 16.192 3.998 4.162 16.200 3.996 4.156 YNA03-2 16.170 4.000 4.200 16.168 4.004 4.208 16.170 4.002 4.200 YNA03-3 16.186 3.992 4.178 16.164 3.992 4.178 16.168 3.992 4.178平均值 16.184 3.997 4.179 16.175 3.998 4.183 16.179 3.997 4.178变化值 -0.009 0.001 0.004 -0.005 -0.001 -0.001 YNA04-1 16.020 4.012 3.980 16.018 4.014 3.978 16.016 4.014 3.974 YNA04-2 16.022 4.004 3.988 16.012 3.988 3.986 16.014 3.982 3.988 YNA04-3 16.020 4.010 3.982 16.024 4.000 3.974 16.024 4.004 3.978平均值 16.021 4.009 3.983 16.018 4.001 3.979 16.018 4.000 3.980变化值 -0.003 -0.008 -0.004 -0.003 -0.009 -0.003 YNA05-1 16.018 4.014 4.020 16.006 4.012 4.010 15.998 4.008 4.012 YNA05-2 16.006 4.020 4.020 15.996 4.020 4.018 15.994 4.012 4.020 YNA05-3 16.000 4.082 4.036 16.004 3.980 3.992 16.008 3.982 3.998平均值 16.008 4.039 4.025 16.002 4.004 4.007 16.000 4.001 4.010变化值 -0.006 -0.035 -0.019 -0.008 -0.038 -0.015 YNA06-1 16.026 4.010 3.992 16.024 3.998 3.994 16.026 3.998 3.992 YNA06-2 16.036 3.992 4.010 16.020 4.000 3.992 16.030 3.994 3.998 YNA06-3 16.064 4.010 3.992 16.056 4.016 4.000 16.038 4.010 3.998平均值 16.042 4.004 3.998 16.033 4.005 3.995 16.031 4.001 3.996变化值 -0.009 0.001 -0.003 -0.011 -0.003 -0.002 YNA07-1 16.032 4.044 4.010 16.036 4.032 4.028 16.040 4.030 4.026 YNA07-2 16.040 4.044 4.028 16.030 4.040 4.028 16.026 4.048 4.020 YNA07-3 16.030 4.026 4.022 16.020 4.014 4.012 16.026 4.012 4.018平均值 16.034 4.038 4.020 16.029 4.029 4.023 16.031 4.030 4.021变化值 -0.005 -0.009 0.003 -0.003 -0.008 0.001 由表4 可知，随着镍铁矿渣代替细骨料量超过50%，混凝土抗压强度下降明显，28d 抗压强度下降达到4.0MPa 以上。 5.3 安定性、体积膨胀检测尺寸变化测量结果 试验采用沸煮（100，3.5h）及蒸压法（压力1.0MPa，温度 185）两种方法，分别检测试样的长、宽、高变化。结果见表5。 数据统计中，水泥试件的膨胀系数最大为3.7510-4；镍铁矿渣粉状试件出现收缩，收缩系数最大为5.5610-4；镍铁矿渣颗粒作骨料试件收缩系数最大为6.8610-4；镍铁矿渣粉、镍铁矿渣颗粒代替量与膨胀收缩系数无相关性；测量结果中高度的数据由于是试件上表面易损坏，所以此尺寸进行测量，但不进行数据实际分析使用。通过沸煮与蒸压试验后的线性尺寸测量结果可以看出，标准试件外观均良好，未出现任何弯曲、变形、溃裂的安定性异常情况，同时所有试件的体积膨胀率均小于标准规定的.6%，而且都是负值。体积膨胀率出现负值情况，是由于试件高温干缩造成的，同时这一现象进一步验证了镍铁矿渣中无游离 MgO 的存在，其化学成分中的 MgO 符合稳定型化合状态的钙镁铁橄榄石及钙镁铁碳酸盐形式，所以可以肯定的是镍铁矿渣代替细骨料用于混凝土生产，不会产生安定性不良体积膨胀造成耐久性的降低。 6 试验结论 （1）镍铁矿渣颗粒经过破碎筛分，选用2.5mm 以下颗粒代替细骨料用于混凝土生产完全可行，但是掺量需要经过验证，使用部位要以非结构部位为主。 （2）本试验验证2.5mm 筛分镍铁矿渣代替量不超过 400kg，混凝土强度基本无影响，同时混凝土和易性良好，可以有效改善机制砂颗粒级配差造成的和易性不良的影响，外加剂用量略有降低；50% 以上细骨料代替量，强度降低明显。 （3）MgO 成分验证符合相关检验机构的报告说明，MgO 确实稳定成分形式存在，非游离态氧化镁。 （4）通过镍铁矿渣粉安定性试件检测，安定性良好，也无体积膨胀危害，无游离氧化镁化学反应产生体积膨胀导致的安定性不良。 （5）通过镍铁矿渣筛分颗粒安定性、体积膨胀试件检测，安定性良好，无体积膨胀危险，说明镍铁矿渣中无游离氧化镁反应产生体积膨胀导致的安定性不良。 7 实际应用 （1）镍铁矿渣表观密度 2750kg/m3、紧密密度1720kg/m3，细度模数3.2。镍铁矿渣颗粒分布比较集中，连续性差，单独使用和易性差。按照一定的比例混合，配制成区混合砂，极大地改善了混凝土的和易性，可用于路面工程。 （2）经济效益的计算：在路面混凝土的实际生产中，镍铁矿渣取代河砂量平均在.3吨/方，镍铁矿渣比天然砂价格每吨便宜约 40 元左右，折算到单方混凝土中可大约节约 12元/方；另外由于镍铁矿渣含泥量低，与机制砂搭配时，相应降低了外加剂掺量。截止到目前为止，利津某混凝土公司使用镍铁矿渣作为细骨料生产地面混凝土1万多方，共计消耗镍铁矿渣 3000 多吨，创造经济价值在 12万元以上；照此推算全年可以节约骨料费用近百万。 （3）利津某混凝土公司前期施工地面工程主要为盐窝镇曹家片区高标准农田项目（路面工程 C20），联合二村道路改造（C30 路面），利津县汀罗镇陈村（C20 路面）等等，从施工情况看，由于配比的合理性，路面工程密实性好，无开裂、鼓包、粉化等情况出现。6月1日进行 600d 回弹，C20 混凝土显示值为 3334MPa 之间，推算值在 27MPa 以上，超过了23MPa 的标养强度。 参考文献 1陈小佳开发应用绿色建材 促进建材工业技术进步J科技进步与对策，1999(3): 56-66 2吴中伟绿色高性能混凝土混凝土的发展方向J混凝土与水泥制品，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.,