镍铁冶炼废渣在混凝土中的应用研究

镍铁冶炼废渣在混凝土中的应用研究 施引珍 1, 钱忠伟 2 (1 南通华博建设工程有限公司江苏南通 226363) (2 为海集团江苏泰州 225500) 摘要 : 镍铁冶炼废渣是一种工业固体废弃物, 在混凝土中用作粗细集料可以 减少环境污染, 而且替代天然粗细骨料, 节约不可再生资源 镍铁渣替代天然砂 在混凝土中用作细集料, 混凝土和易性良好, 可以提高混凝土强度, 最佳掺量为 % 镍铁渣替代碎石在混凝土中用作粗集料, 混凝土和易性较好, 强度提高, 替代率可达 100% 镍铁渣替代天然砂 天然碎石在混凝土中用作细 粗集料均 具有可行性 关键词 : 镍铁渣 ; 混凝土 ; 和易性 ; 抗压强度 Research on application and promotion of Nickel iron smelting slag in concrete Abstract:Nickel iron smelting slag is a kind of industrial solid waste. When used as the coarse aggregate and fine aggregate in concrete, it can reduce environmental pollution and save non-renewable resources. Nickel iron slag are used as fine aggregate to replace natural sand in concrete, can improve the strength of concrete. Besides, concrete workability is good. And the best dosage of nickel iron slag is %. When nickel iron slag used as coarse aggregate in concrete, concrete has good workability and high strength. Moreover, the replacement rate can reach 100%. Thus it can be seen that, nickel iron slag replace natural sand and natural gravel used as fine and coarse aggregate in concrete is feasible. Key words: Nickel iron slag; Concrete; Workability; Compressive strength 1 引言 改革开放以来, 我国经济持续快速增长, 各项建设取得了巨大成就 与此同 时, 也付出了资源和环境代价, 经济发展与资源环境的矛盾日益突出 混凝土是 建筑工程中使用量最大 使用范围最广的工程材料,13 年 14 年混凝土年 产量分别为 21.96 15.5 亿立方米, 同比增长了 18.77% 11.89%, 因此需要消耗 大量的原材料 镍铁冶炼废渣是一种工业固体废弃物, 大量堆积, 不易处理, 还 容易引起环境问题, 将镍铁冶炼废渣在混凝土中资源化再利用是解决这一矛盾的 有效途径 [1~5] 在混凝土生产中, 将镍铁渣用作混凝土集料, 可以极大地节约了石子 砂子 等不可再生资源, 降低生产成本, 变废为宝, 具有良好的经济与社会效益 [6~7] Wang [8] 实验测量了粗镍铁渣的膨胀力, 建立了铁镍渣颗粒 单位体积镍铁渣与

膨胀力的关系, 可以通过铁镍渣的体积与粒径得出其最大膨胀力, 并以镍铁渣中水合氧化物 (Cao/MgO) 含量作为其使用标准, 规范镍铁渣的使用范围 实验结果表明, 将该铁镍渣作为粗集料使用时, 硅酸盐水泥混凝土的体积稳定性能和抗压 [9] 强度等性能指标合格, 适合在工业上推广应用 Shoya 等人采用粉碎后的镍铁渣作细集料探讨了自密实混凝土中的孔隙率与抗冻性能 结果表明, 其相关性能指标符合日本工业标准 (JIS), 当混凝土间距系数小于 0μm 时其耐久性因子大 [10] 于 80 Maragkos 等人研究了如何使用镍铁渣作为集料制备地质聚合物, 并借助 XRD 和 SEM 技术手段分析其微观组织结构 研究表明, 镍铁渣是一种合成无机聚合物的良好集料, 在优良的合成条件下甚至还可以制备出内部结构密实 吸水率极低 抗压强度高达 118MPa 的胶凝材料, 具有巨大的潜在经济效益与社会效益 本研究采用江苏泰州地区镍铁冶炼废渣, 分析其替代天然砂用作混凝土细集料以及替代天然碎石用作混凝土粗集料对混凝土的和易性 力学性能等性能的影响, 验证其可行性及在混凝土中的最佳掺入量 2 试验原材料与试验方法 2.1 试验原材料 2.1.1 镍铁冶炼废渣镍铁冶炼废渣取自泰州地区, 人工破碎后筛分为 0~5mm 5~16mm 16~ 31.5mm 级配, 如图 2.1 所示 镍铁冶炼废渣的化学组成主要为 SiO2 和 MgO, 其次为 CaO Al2O3 Fe2O3, 还含有 Mn P Ti Ni 和 Co 等微量元素, 如表 2.1 和表 2.2 所示 经过压蒸法检测安定性合格, 按照 GB 6566-10 建筑材料放射性核素限量 进行放射性检测合格 表 2.1 镍铁渣化学组成分 /% 化学成分 SiO2 Fe2O3 Al2O3 CaO MgO K2O Na2O 组成 52.31 7.15 6.41 7.29 24. 0.63 0.44 表 2.2 镍铁渣微量组分 /ppm 微量元素 Mn P Ti Ni Co 含量 6.1 0.7 1.6 2.0 0.2

2.1.2 其他原材料 (a) 图 2.1 镍铁冶炼废渣颗粒形貌 (b) 水泥取自泰州杨湾海螺水泥有限责任公司, 标号为 P Ⅱ52.5, 水泥的 标准稠度为 27.6%,3d 28d 抗压强度为 32.2 MPa 58.6 MPa, 安定性合格 75% 粉煤灰取自国电泰州发电有限公司, 为 Ⅱ 级粉煤灰,28d 活性指数为 细骨料为赣江天然砂, 级配区 Ⅱ 区, 细度模数 2.4 粗骨料是湖北人工碎石, 经筛分洗净为 5~16mm 16~31.5mm 级配, 密度为 26 kg/m 3 外加剂是常州武进礼宝脂肪族高效减水剂, 固含量是 33% 使用试验室自来水, 符合 JGJ 63-06 混凝土用水标准 要求 2.2 试验方法 依据 普通混凝土配合比设计规程 (JGJ55-11) 标准进行混凝土配合比 设计, 设计强度分别为 C, 配合比见表 2.3 采用人工成型法, 成型试样规格为 100mm 100mm 100mm 立方体, 成型后静置 24 h 脱模并置于标准养护室中分别养 护 3d 7d 28d, 依据 普通混凝土拌合物性能试验方法 (GB/T50080-02) 普通混凝土力学性能试验方法 (GB/T50081-02) 测试混凝土的拌和物性能 和力学性能 强度等级 水泥 /kg 粉煤灰 /kg 表 2.3 C35 强度等级混凝土基准配合比 砂 /kg 5~16mm 碎 石 /kg 16 ~ 31.5mm 碎石 /kg 水 /kg C 224 96 826 445 613 160 6.4 3 试验结果与分析 3.1 镍铁渣在混凝土中用作细集料 外加剂 /kg 镍铁渣在混凝土中用作细集料替代天然砂, 掺入量分别为 0 15% % 50%, 制备 C 强度等级混凝土, 检测混凝土的拌合物性能和力学性能等 0~5mm 镍铁渣取代天然砂对混凝土和易性及抗压强度的影响见表 3.1 和图

3.1, 由混凝土拌合物和易性和表 3.1 可以看出 : 镍铁渣替代量小于 % 时, 和易性良好 但是, 镍铁渣的取代量不宜过大, 超过 % 以后明显影响和易性 当掺入量为 50% 时, 混凝土拌合物粘聚性不足, 严重影响和易性 另外, 掺入镍铁渣后混凝土的坍落度损失基本无影响, 在混凝土中相容性较好 表 3.1 镍铁渣取代天然砂的混凝土的性能检测 取代量坍落度 /mm 表观密度编号和易性 /% 初始 min 后 /(kg/m 3 ) Fcu,3 Fcu,7 Fcu,28 /MPa /MPa /MPa 1-1 0 0 185 2385 良好.4 32.1 39.4 1-2 15 0 190 2385 良好.9 29.5.7 1-3 0 180 2390 良好.9 32.9 42.3 1-4 50 190 170 一般 较散 22.5 33.9 48.5 分析原因为镍铁渣颗粒表面粗糙, 和天然砂相比比表面积大 吸水量小, 当 掺入镍铁渣后, 颗粒间接触摩擦使得混凝土和易性良好 镍铁渣表面不规则, 和 天然砂相比流动性差, 保水性也比天然砂差, 在混凝土中掺入量过高 (50%) 时 导致混凝土和易性变差 因此, 镍铁渣在混凝土中的适宜掺量为 % 50 45 3d 7d 28d 抗压强度 /MPa 35 25 15 10 0 10 50 镍铁渣取代量 /% 图 3.1 0~5mm 镍铁渣取代天然砂对混凝土抗压强度的影响从表 3.1 图 3.1 可以看出, 掺入镍铁渣后, 混凝土的 3d 7d 28d 抗压强度随着掺量的增大逐渐提高,0~5mm 镍铁渣取代量达到 50% 时, 与基准混凝土相比其实测表观密度增加 15 kg/m 3, 强度提高 23% 镍铁渣颗粒和天然砂相比比表面积大 吸水量小, 当掺入镍铁渣后, 细集料的颗粒级配变好, 从而混凝土结构更加密实 而且, 由表 2.1 可知镍铁渣为高 SiO2 成分, 可以促进水化反应, 所以, 混凝土中掺入镍铁渣有利于强度的提高 综合考虑掺入镍铁渣后混凝土和易性和强度的影响, 镍铁渣适宜的掺量为 % 3.2 镍铁渣在混凝土中用作粗集料镍铁渣在混凝土中用作粗集料, 分别取代 5~16mm 16~31.5mm 碎石, 掺

入量分别为 0 % % 70% 100%, 制备 C 强度等级混凝土, 检测混凝土的拌合物性能和力学性能等 5~16mm 镍铁渣取代 5~16mm 碎石对混凝土和易性及抗压强度的影响见表 3.2 和图 3.2, 由混凝土拌合物和易性 表 3.2 和图 3.2 可以看出 : 混凝土中 5~ 16mm 镍铁渣替代碎石, 混凝土的和易性良好 新拌混凝土中有少量骨料上浮, 清洗过后颗粒表面分布有大量气孔, 说明 5~16mm 镍铁渣中有部分轻骨料 因此, 随着 5~16mm 镍铁渣取代量的提高, 表观密度呈降低趋势 混凝土中 5~ 16mm 镍铁渣替代碎石, 坍落度损失基本无影响, 说明镍铁渣不吸收水分, 相容性良好 混凝土的 3d 7d 28d 抗压强度随着镍铁渣掺量的增大逐渐提高, 当取代量为 100% 时, 相对基准混凝土实测表观密度降低约 15kg/m 3, 抗压强度增长 11% 由此说明,5~16mm 镍铁渣掺入混凝土中可以提高混凝土的早期和后期强度 表 3.2 镍铁渣碎石混凝土的性能检测 5~ 16~31.5 编号 16mm 取 mm 取代 代量 /% 量 /% 坍落度 /mm 表观密和易 Fcu,3 Fcu,7 Fcu,28 初始 min 后度 /kg/m 3 性 /MPa /MPa /MPa 2-1 0 0 0 185 2385 良好.4 32.1 39.4 2-2 0 0 185 2385 良好.0 32.1 42.0 2-3 0 0 185 2380 良好.8.8 43.3 2-4 70 0 0 180 2370 良好 21.0 31.5 43.7 2-5 100 0 0 185 2370 良好 22.3 35.8 43.7 3-1 0 210 190 2380 良好 22.4 34.8 43.6 3-2 0 0 185 2370 良好 22.9 34.5 44.2 3-3 0 70 0 185 2370 良好 23.9 33.7 46.5 3-4 0 100 0 180 2360 良好 23.2 37.8 47.0 16~31.5mm 镍铁渣取代 16~31.5mm 碎石对混凝土和易性及抗压强度的影 响见表 3.2 和图 3.3, 由试验现象 表 3.2 和图 3.3 可以看出 :16~31.5mm 镍铁 渣颗粒级配 粒形偏好, 所以混凝土的和易性很好, 但部分集料上浮, 清洗过后, 集料表面均匀分布大量微小气孔, 质地轻, 导致混凝土的表观密度随着镍铁渣掺 量的增加逐渐降低 镍铁渣对混凝土坍落度损失基本无影响, 在混凝土中相容性 好 混凝土的 3d 7d 28d 抗压强度随着镍铁渣掺量的增大呈增长趋势, 当 16~ 31.5mm 镍铁渣取代量达到 100% 时, 相对基准混凝土实测密度减少约 25kg/m 3, 抗压强度增加 19% 所以,16~31.5mm 镍铁渣对混凝土的早期和后期强度起到 促进作用

45 3d 7d 28d 50 45 3d 7d 28d 抗压强度 /MPa 35 25 抗压强度 /MPa 35 25 15 0 70 100 15 0 70 100 镍铁渣取代量 /% 镍铁渣取代量 /% 图 3.2 5~16mm 镍铁渣对混凝土强度的影响图 3.316~31.5mm 镍铁渣对混凝土强度的影响综上所述, 镍铁渣颗粒较好, 掺入混凝土中和易性符合要求 从表 2.1 可见镍铁渣为高 SiO2 成分, 在水泥水化过程中, 可以和 Ca(OH)2 发生中和反应, 有利于促进水化反应的进行, 促进混凝土结构密实度提高 另外, 表 2.2 显示镍铁渣含有少量微量元素, 可以作为激发剂加速水化进程和水化产物的生产 因此, 镍铁渣掺入混凝土中可以提高混凝土的强度 所以, 镍铁渣取代天然碎石在混凝土中用作粗集料是可行的, 最大取代量可达 100% 4 结论 (1)0~5mm 镍铁渣替代 0~5mm 天然砂在混凝土中用作细集料, 混凝土和易性良好, 强度值提高, 最佳掺量为 % (2)5~16mm 镍铁渣替代 5~16mm 天然碎石在混凝土中用作粗集料, 混凝土和易性较好, 强度值提高, 掺量最大可达 100% (3)16~31.5mm 镍铁渣替代 16~31.5mm 天然碎石在混凝土中用作粗集料, 混凝土和易性较好, 强度值提高, 掺量最大可达 100% 参考文献 [1] Dourdounis E, Stivanakis V, Angelopoulos G N, et al. High-alumina cement production from FeNi-ERF slag, limestone and diasporic bauxite[j]. Cement and concrete research, 04, 34(6): 941-947. [2] Komnitsas K, Zaharaki D, Perdikatsis V. Effect of synthesis parameters on the compressive strength of low-calcium ferronickel slag inorganic polymers[j]. Journal of Hazardous Materials, 09, 161(2): 760-768. [3] 赵素霞, 李健生, 江帆. 用镍铁渣代替铁粉配料煅烧水泥熟料 [J]. 河南建材,03,(4): 25-26. [4] 樊佳磊, 李海宁. 使用镍钛渣配料生产优质水泥熟料 [J]. 水泥,04,(5):24-26. [5] Cimdins R, Rozenstrauha I, Berzina L, et al. Glassceramics obtained from industrial waste[j]. Resources, Conservation and Recycling, 00, 29(4): 285-290. [6] Fidancevska E, Vassilev V, Milosevski M, et al. Composites based on industrial wastes III.

production of composites of Fe-Ni slag and waste glass[j]. Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy, 07, 42(3): 285-290. [7] 钱惠生, 王玉萍, 李去飞, 等. 镍矿井下充填水泥的应用技术研究 [J]. 吉林建材,03(2): 22-24. [8] Wang G. Determination of the expansion force of coarse steel slag aggregate[j]. Construction and Building Materials, 10, 24(10): 1961-1966. [9] Shoya M, Aba M, Tsukinaga Y, et al. Frost resistance and air void system of self-compacting concrete incorporating slag as a fine aggregate[j]. ACI Special Publication, 03, 212. [10] Maragkos I, Giannopoulou I P, Panias D. Synthesis of ferronickel slag-based geopolymers[j]. Minerals Engineering, 09, 22(2): 196-3. 作者简介 : 施引珍 1975 年 2 月出生 女 江苏 汉族 助理工程师 大专房屋建筑工程专业 目前在南通华博建设工程有限公司主要从事建筑工程相关工作 通讯地址 : 通州区刘桥镇新联建设路 6 号电话 :138619453 E-mail:1214472497@qq.com