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(fù)合摻合料在混凝土中的應(yīng)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(duì)環(huán)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(yàn)表明鎳鐵渣活性較低，不宜單獨(dú)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(shí)其性能顯著提高，鎳鐵渣二元體系或三元體系復(fù)合摻合料在混凝土中可起到多元復(fù)合效應(yīng)，經(jīng)試驗(yàn)和實(shí)際生產(chǎn)證明，鎳鐵渣復(fù)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(zhì)量系數(shù)；輔助膠凝材料

鎳是一種銀白色的有色金屬，是生產(chǎn)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(jià)元素，主要用作煉鋼和鑄鐵的添加劑。目前國內(nèi)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(jià)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(jīng)水淬急冷形成含玻璃相的顆粒物。鎳鐵渣與高爐礦渣化學(xué)成分相同但性質(zhì)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(nèi)鎳鐵需求日益增加，鎳鐵冶煉行業(yè)得到蓬勃發(fā)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(huán)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(yè)的發(fā)展方向是充分利用工業(yè)廢棄物，節(jié)約資源，減少排放。而將鎳鐵渣用作混凝土摻合料是一個(gè)新課題，鎳鐵渣的性質(zhì)與紅土鎳礦產(chǎn)地、礦物成分、化學(xué)組分、有色金屬含量密切相關(guān)。本文所述鎳鐵渣來自福建福安鎳業(yè)冶煉的廢渣，其復(fù)合混磨由蒼南瑞田新型建材有限公司生產(chǎn)，經(jīng)多方面試驗(yàn)研究其作為混凝土摻合料在實(shí)際生產(chǎn)中的可行性，以此拋磚引玉，與同行探討。

1 鎳鐵渣的性質(zhì)

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(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站檢測(cè)其礦物成分、化學(xué)組成及重金屬和放射性含量，其它物理性能試驗(yàn)自行檢測(cè)。

1.1 鎳鐵渣的礦物成分

以X射線衍射儀（XRD）對(duì)鎳鐵渣礦物成分進(jìn)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(zhì)，該圖譜背景值較高表明鎳鐵渣含有大量非晶態(tài)玻璃相和少部分結(jié)晶相。

圖1 鎳鐵渣的X射線圖譜

1.2 鎳鐵渣的化學(xué)組成

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

根據(jù)GB203-94結(jié)合鎳鐵渣的化學(xué)組成可計(jì)算鎳鐵渣的質(zhì)量系數(shù)Ko和堿性系數(shù)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(zhì)量系數(shù)一般，堿性系數(shù)較低，屬于中低活性的酸性渣。

表1 鎳鐵渣的化學(xué)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(duì)環(huán)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(duì)環(huán)境和人體健康產(chǎn)生危害，若用于建材必須對(duì)環(huán)保的影響進(jìn)行評(píng)價(jià)。鎳鐵渣含有未經(jīng)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(duì)人體影響。經(jīng)檢測(cè)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(jù)GB/T5085.3-2007《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn) 浸出毒性鑒別》規(guī)定的限值，鎳鐵渣不具備浸出毒性，不屬于危險(xiǎn)廢物，為Ⅰ類一般工業(yè)固體廢物[1]。按著GB6566-2010《建筑材料放射性核素限量》其內(nèi)外照射性均≤1符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.4 鎳鐵渣對(duì)安定性的影響

由于鎳鐵渣MgO含量高，可能存在熱穩(wěn)定性問題，會(huì)對(duì)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(shí)需進(jìn)行壓蒸安定性試驗(yàn)，經(jīng)檢測(cè)鎳鐵渣壓蒸膨脹率為0.12%，符合標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)

鎳鐵渣分別粉磨成五種不同比表面積測(cè)其膠砂強(qiáng)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(shù)提高，但超過460（m2/kg）以后增加幅度較小。這主要因?yàn)殒囪F渣質(zhì)量系數(shù)低，僅僅通過粉磨細(xì)度來激發(fā)其活性效果不明顯也不經(jīng)濟(jì)，這就要尋找其它途徑來激發(fā)其活性。

2 鎳鐵渣復(fù)合摻合料的配制

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

3 鎳鐵渣復(fù)合摻合料性能

鎳鐵渣目前并無在混凝土中應(yīng)用的國家、行業(yè)和地方標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在中國建筑學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)T/ASC01-2016《水泥和混凝土用鎳鐵渣粉》于2016年6月15日實(shí)施，為鎳鐵渣的產(chǎn)品應(yīng)用指明了方向，具有積極的指導(dǎo)意義。此外鎳鐵渣復(fù)合摻合料性能指標(biāo)還應(yīng)參考GB/T51003-2014《礦物摻合料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》中相應(yīng)技術(shù)要求規(guī)定。

3.1 鎳鐵渣復(fù)合摻合料物理性能

將鎳鐵渣復(fù)合摻合料分別粉磨成兩種不同比表面積測(cè)其各項(xiàng)性能如表4所示，從表4試驗(yàn)表明鎳鐵渣二元系復(fù)合摻合料粉磨至比表面積≥450m2/kg時(shí)可以達(dá)到復(fù)合礦物摻合料F95級(jí)活性要求，鎳鐵渣三元系復(fù)合摻合料粉磨至比表面積≥450m2/kg時(shí)能達(dá)到F90級(jí)要求，復(fù)合摻合料流動(dòng)比大，與外加劑適應(yīng)性好。

3.2 鎳鐵渣復(fù)合摻合料化學(xué)組成

鎳鐵渣復(fù)合摻合料由多種材料復(fù)合而成，其化學(xué)組成將會(huì)有所變化，經(jīng)檢測(cè)如表5所示，從表5可知鎳鐵渣復(fù)合摻合料的CaO含量有所提高，MgO 含量減小。二元系質(zhì)量系數(shù)Ko1=1.44，堿性系數(shù)Mo1=0.81，三元系質(zhì)量系數(shù)Ko2=1.20，堿性系數(shù)Mo2=0.49。鎳鐵渣二元系復(fù)合摻合料的質(zhì)量系數(shù)和堿性系數(shù)均得到提高，屬于較高活性的酸性渣，三元系質(zhì)量系數(shù)稍微提高一點(diǎn)，堿性系數(shù)下降較多。

4 鎳鐵渣復(fù)合摻合料在混凝土中的性能

表3 鎳鐵渣的膠砂強(qiáng)度

表4 鎳鐵渣復(fù)合摻合料物理性能試驗(yàn)

表5 鎳鐵渣復(fù)合摻合料的化學(xué)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(fù)合摻合料當(dāng)其活性達(dá)到F95級(jí)時(shí)與礦粉S95級(jí)性質(zhì)相近，可以參考礦粉在混凝土中摻量使用，實(shí)際應(yīng)用時(shí)建議與粉煤灰或磨細(xì)燃煤爐渣共同摻入混凝土中從而達(dá)到超疊加效應(yīng)，三元系復(fù)合摻合料宜單獨(dú)使用。以強(qiáng)度等級(jí)C40泵送混凝土為例，介紹鎳鐵渣復(fù)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(fù)合摻合料摻量分別是17.5%、20%、25%，三元復(fù)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(yàn)如表7所示，試驗(yàn)時(shí)室溫22℃，濕度80%。當(dāng)水膠比、膠凝材料總量不變時(shí)隨著鎳鐵渣復(fù)合摻合料摻量增加混凝土拌合物性能發(fā)生明顯變化，摻量越大混凝土泌水越多、保水性差、凝結(jié)時(shí)間稍微延長(zhǎng)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(shí)拌合物性能最好。

4.2 硬化混凝土性能

鎳鐵渣復(fù)合摻合料不同摻量對(duì)混凝土力學(xué)性能、耐久性能有輕微影響，隨著摻量增加，混凝土強(qiáng)度略微提高、抗?jié)B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(fù)合摻合料低摻量時(shí)抗硫酸鹽侵蝕性能可能會(huì)下降，由于Fe2O3和AL2O3一樣，參與硫酸鹽的反應(yīng)形成鈣礬石，導(dǎo)致混凝土性能下降，但摻量較大時(shí)能為鈣礬石提供生存空間，提高了混凝土的密實(shí)性，有利于抵抗硫酸鹽侵蝕[3]。

5 結(jié) 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(xué)組成與鎳礦品質(zhì)、冶煉工藝緊密相關(guān)，使用時(shí)應(yīng)固定單一材料來源，并進(jìn)行環(huán)保影響評(píng)價(jià)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(diǎn)，導(dǎo)致膠凝系數(shù)小、活性低，遇水溶脹等缺陷。由于氧化鎂高必須進(jìn)行壓蒸安定性試驗(yàn)，合格后方能使用。

3）鎳鐵渣與石膏、?；郀t礦渣共同混磨至比表面積達(dá)450m2/kg組成二元復(fù)合摻合料，可以達(dá)到復(fù)合礦物摻合料F95級(jí)活性要求，與礦粉S95級(jí)性質(zhì)接近，實(shí)際使用時(shí)還應(yīng)與粉煤灰（原狀飛灰）或磨細(xì)燃煤灰渣粉共同摻入混凝土中，從而達(dá)到疊加效應(yīng)，其最佳摻量為20%左右。

4）鎳鐵渣三元復(fù)合摻合料磨至比表面積達(dá)450m2/kg時(shí)可以達(dá)到F90級(jí)活性要求，最大摻量為35%左右時(shí)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性較好，并可以單獨(dú)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(fù)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(zhì)材料混合磨細(xì)，使用前做好各項(xiàng)試驗(yàn)工作，必須滿足混凝土的各項(xiàng)性能技術(shù)要求。

6）鎳鐵渣復(fù)合摻合料經(jīng)多種試驗(yàn)證明其可以作為混凝土的輔助膠凝材料，雖然技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性較好，但鎳鐵渣復(fù)合摻合料由于國內(nèi)外缺乏長(zhǎng)期研究資料，其對(duì)混凝土產(chǎn)品的后期質(zhì)量和人體健康的影響仍然需要評(píng)估，實(shí)際應(yīng)用時(shí)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(huán)境工程學(xué)報(bào)，2014，8(8):3385-3388．

[2]盛廣宏,翟建平．鎳工業(yè)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(xiàn)辨識(shí)碼：B

1003-8965(2017)01-0023-04