电炉镍铁渣在高性能混凝土中的应用

孙鑫义

（连云港中港混凝土有限公司，江苏 连云港 222002）

0 前言

镍渣是不锈钢厂冶炼镍铁合金时产生的工业废渣，也叫不锈钢渣或镍铁渣，按生产工艺分为高炉镍铁渣和电炉镍铁渣。排渣时通常是采取水淬的方式急冷成为球状颗粒物，粒径一般在几毫米至十几毫米不等。

高炉镍铁渣具有钙高、铁化合物低的特点，晶体以硅酸二钙、硅酸三钙、尖晶石等矿物相为主，具有良好的胶凝活性和易磨性；电炉镍铁渣具有钙低、镁高、铁化合物高等特点，晶体主要为镁（铁）橄榄石，其潜在活性低、易磨性差。[1]

近年来，随着我国经济发展和人民生活水平的提高，镍渣的年排放量已经突破了 3000 万吨[1]，若是不能被合理、有效地利用，将会占用大量土地，并对环境造成严重污染。因此，大力开展镍渣的综合利用就显得尤为紧迫。目前镍渣主要用在矿井充填、水泥、混凝土、微晶玻璃、无机聚合物等方面。

镍渣最高效的利用方式应该是制成细骨料应用到混凝土中。据中国混凝土网的不完全统计，2019 年我国商品混凝土总产量为 27.38 亿立方米。按普通混凝土的配合比用量计算，细骨料的需求量大约在 23 亿吨。若是将大量堆弃的镍渣制成机制砂，不仅能从根本上解决个别地区的环保难题，还能在很大程度上缓解天然砂的短缺局面，发挥出显著的社会与经济效益。

当前，镍渣在水泥混合材以及混凝土掺合料上的利用已经有了一些进步，尤其是 JC/T 2503—2018《用于水泥和混凝土中的镍铁渣粉》实施之后，使得更多人对镍渣有了进一步的了解。然而，在细骨料利用方面，许多混凝土企业对于镍渣中较高的 MgO 含量仍有很大的戒备和疑虑，尤其是电炉镍铁渣（表 1[2]），担心像钢渣骨料一样出现安定性问题。

表1 山东三个厂家的镍渣化学成分分析 %

但由于镍铁渣中的 MgO 都是以镁橄榄石或尖晶石的形式稳定存在，而非以方镁石的形式存在，难以产生类似的体积膨胀问题，因此其安定性风险也较小，相关研究人员的成果也确认了镍铁渣不存在安定性问题[1]。张勇[2]的研究表明：镍渣的压蒸存活率均在 94%以上，压蒸粉化率均小于 10%，故镍渣体积安定性良好。

针对山东的镍渣，按机制砂型式检验的要求，相关企业组织了多次检验（表 2）。该材料符合 JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》以及GB 6566—2010《建筑材料放射性核素限量》中的相关标准和要求。

表2 镍渣机制砂检验结果总汇

在解决了易磨性问题之后，镍渣机制砂的发展得到了飞速提高。目前，江苏、山东等地每年消耗的镍渣超过 1000 万吨，这些镍渣全部被制成机制砂（其筛分分析结果见表 3）用于商品混凝土的生产，并且供不应求。镍渣的来源主要是山东，少部分来自福建和广东。

表3 镍渣机制砂筛分析

自 2016 年开始，该机制砂便在苏北、鲁南地区大规模使用，并完全取代天然黄砂。

镍渣机制砂用于预拌混凝土时有三个突出特点，使得这种材料非常适合配制高强、高性能混凝土：（1）外加剂吸附量小（MB 值=0.74g/kg）；（2）结实（压碎值 7.4%，坚固性 3%）；（3）不存在安定性问题。

1 高性能混凝土试验

高性能混凝土是以建设工程设计、施工和使用对混凝土性能特定要求为总体目标，选用优质常规原材料，合理掺加外加剂和矿物掺合料，采用较低水胶比并优化配合比，通过预拌和绿色生产方式以及严格的施工措施，制成具有优异的拌合物性能、力学性能、耐久性能和长期性能的混凝土。

高性能混凝土的概念由来已久，这个概念的提出主要是基于现代混凝土建筑劣化快而服役时间短，翻修及重建过于频繁而提出的。提高混凝土结构的耐久性是高性能混凝土发展的目标和宗旨。

高性能混凝土不是一个新的材料品种，而是一个综合的概念，是以建设工程设计、施工和使用对混凝土性能特定要求的总体目标。我们需要的是高性能的混凝土建筑结构，或者使现有技术的混凝土高性能化。现阶段，本地区的高性能混凝土配制的主体思路如下：

（1）立足现有优质原材料，优先选用机制砂，避开河沙中泥土（主要是蒙脱土）的干扰。

（2）使用高性能减水剂。高保坍、高减水、低泌水、低收缩以及良好的水泥适应性是聚羧酸的显著优势。

（3）在合理范围内优化石子的品质，降低空隙率。

（4）科学设计配合比，并将开发与设计工作延伸到产品实现的全流程。

2 原材料选取

（1）水泥：淮海中联 P·O42.5 水泥，表观密度3100kg/m3，抗压强度 3d 为 27MPa，28d 为 51MPa。

（2）矿粉：日照钢厂 S95 级矿粉，表观密度2800kg/m3，7d 活性 80%，28d 活性 98%。

（3）粉煤灰：新海电厂 Ⅱ级粉煤灰，表观密度2600kg/m3，45μm 筛余 18%，需水量比 104%。

（4）减水剂：徐州巨龙聚羧酸减水剂 JL-1，密度1.1kg/L，减水率 25%。

（5）细骨料：山东新创升镍渣机制砂，细度模数2.6，Ⅱ区中砂，表观密度 2940kg/m3。

（6）粗骨料：山东地区片麻岩，5～25mm 连续级配，压碎值 9%，针片状含量 8%，松散堆积空隙率45%，表观密度 2650kg/m3。

3 配合比

设计原则：浆骨比：35:65，水胶比不大于 0.45，用水量不大于 175kg/m3。具体配合比见表 4。

表4 高性能混凝土配合比 kg/m3

4 混凝土工作性能及力学性能试验

经过试拌，混凝土拌合物状态优良，展现出了优异的施工性能。标养试件的抗压强度富余值较高，相较于天然砂混凝土，在同水胶比情况下，抗压强度值提高约一个等级。试验结果详见表 5。

表5 高性能混凝土工作性能及力学性能

5 耐久性检测

在 JGJ/T 385—2015《高性能混凝土评价标准》中，对高性能混凝土的相关耐久性指标有明确的要求。上述两组配比（HPC35 和 HPC40）的混凝土对照耐久性指标，重点检测了抗氯离子渗透（RCM 法）、抗碳化、抗水渗透等性能（表 6），检测结果合格。

表6 耐久性检测

6 混凝土的体积稳定性以及干缩规律

经过为期 4 个月的观测，混凝土 90d 的干缩值低于0.04%，在 28d 时完成了 80% 以上的收缩，7d 的收缩量约占总量的一半（表 7）。该数据也再次证明：混凝土成型后的 7 天是养护的关键期。

表7 收缩率（×10-4）

7 结论

（1）镍渣机制砂的大量使用，使得电炉镍铁渣的利用率得到了很大的提高，江苏和山东地区每年的消耗量达到了 1000 万吨，不但解决了当地的环保难题，还给冶金企业带来了可观的经济效益，同时极大地缓解了本地区的用砂压力。

（2）镍渣机制砂的性能优良，满足机制砂的型式检验、放射性要求，没有安定性问题。

（3）镍渣机制砂配制的高性能混凝土在力学、耐久性以及体积稳定性方面具有良好的性能。