镍铁渣复合掺合料在混凝土中的应用研究

高雪峰张海英杨向阳李可展

（1平阳县北港混凝土有限公司，浙江 温州 325405，2 苍南县瑞田新型建材有限公司，浙江 温州325802）

镍铁渣复合掺合料在混凝土中的应用研究

高雪峰1张海英1杨向阳1李可展2

（1平阳县北港混凝土有限公司，浙江 温州 325405，2 苍南县瑞田新型建材有限公司，浙江 温州325802）

本文通过镍铁渣的各种成分分析，排除了镍铁渣对环境和人体健康的危害，并将镍铁渣单一粉磨成不同比表面积，试验表明镍铁渣活性较低，不宜单独使用。将镍铁渣与石膏、矿渣及粉煤灰按不同比例共同粉磨至450(m2/kg)比表面积时其性能显著提高，镍铁渣二元体系或三元体系复合掺合料在混凝土中可起到多元复合效应，经试验和实际生产证明，镍铁渣复合掺合料可以作为混凝土的辅助胶凝材料。

镍铁渣；红土镍矿；质量系数；辅助胶凝材料

镍是一种银白色的有色金属，是生产不锈钢不可或缺的材料，镍铁是镍与铁的合金，并含有铜、铬、硅、碳等有价元素，主要用作炼钢和铸铁的添加剂。目前国内镍铁渣基本都是红土镍矿在电炉火法冶炼镍铁过程中排放的一种冶金废渣，其中镍铁占矿石有价组分的20%左右，其它80%为脉石在冶炼过程中与助溶剂一起通过排渣口流出再经水淬急冷形成含玻璃相的颗粒物。镍铁渣与高炉矿渣化学成分相同但性质差异较大，不能混淆，镍铁渣颜色一般呈墨绿色、灰黑色及灰白色。随着国内镍铁需求日益增加，镍铁冶炼行业得到蓬勃发展，而大量镍铁渣的堆置和填埋不仅占用土地，还将污染周边环境。近年来镍铁渣综合利用已引起人们重视，但使用范围有限，用量较少，难以减少废渣量。我国建材行业的发展方向是充分利用工业废弃物，节约资源，减少排放。而将镍铁渣用作混凝土掺合料是一个新课题，镍铁渣的性质与红土镍矿产地、矿物成分、化学组分、有色金属含量密切相关。本文所述镍铁渣来自福建福安镍业冶炼的废渣，其复合混磨由苍南瑞田新型建材有限公司生产，经多方面试验研究其作为混凝土掺合料在实际生产中的可行性，以此抛砖引玉，与同行探讨。

1 镍铁渣的性质

将镍铁渣粉磨成比表面积为400(m2/kg)左右，送于福建省冶金产品质量监督检验站检测其矿物成分、化学组成及重金属和放射性含量，其它物理性能试验自行检测。

1.1 镍铁渣的矿物成分

以X射线衍射仪（XRD）对镍铁渣矿物成分进行分析如图1所示，从图1可知镍铁渣主要含铁镁橄榄石和未见方镁石等溶胀性物质，该图谱背景值较高表明镍铁渣含有大量非晶态玻璃相和少部分结晶相。

图1 镍铁渣的X射线图谱

1.2 镍铁渣的化学组成

镍铁渣的化学组成与矿渣相同，但含量差别较大，钙少硅镁含量高，其化学组成和含量如表1所示。

根据GB203-94结合镍铁渣的化学组成可计算镍铁渣的质量系数Ko和碱性系数Mo，Ko=(CaO+MgO+AL2O3)/(SiO2+MnO+TiO2)=1.04，Mo=(CaO+MgO)/(SiO2+AL2O3)=0.70。由此可知镍铁渣的质量系数一般，碱性系数较低，属于中低活性的酸性渣。

表1 镍铁渣的化学组成(单位:%)

表2 镍铁渣元素及放射性分析(单位:%)

1.3 镍铁渣对环保的影响

作为金属材料冶炼废弃物由于含有部分重金属及有害元素可能对环境和人体健康产生危害，若用于建材必须对环保的影响进行评价。镍铁渣含有未经提炼出的有色金属元素及其它有害元素，可能存在放射性对人体影响。经检测如表2所示，从表2可知镍铁渣含有铜、铅、锌、镉、镍等元素，但含量极少，依据GB/T5085.3-2007《危险废物鉴别标准 浸出毒性鉴别》规定的限值，镍铁渣不具备浸出毒性，不属于危险废物，为Ⅰ类一般工业固体废物[1]。按着GB6566-2010《建筑材料放射性核素限量》其内外照射性均≤1符合标准要求。

1.4 镍铁渣对安定性的影响

由于镍铁渣MgO含量高，可能存在热稳定性问题，会对镍铁渣在水泥和混凝土中的溶胀性形成影响。而水泥的MgO含量≥6%时需进行压蒸安定性试验，经检测镍铁渣压蒸膨胀率为0.12%，符合标准小于0.5%要求。镍铁渣中的MgO主要不是以方镁石形式存在，而是存在于橄榄石或玻璃相中[2]。

1.5 镍铁渣的活性试验

镍铁渣分别粉磨成五种不同比表面积测其胶砂强度（按50%掺量）如表3所示，从表3可知镍铁渣随着比表面积增加，其活性指数提高，但超过460（m2/kg）以后增加幅度较小。这主要因为镍铁渣质量系数低，仅仅通过粉磨细度来激发其活性效果不明显也不经济，这就要寻找其它途径来激发其活性。

2 镍铁渣复合掺合料的配制

镍铁渣氧化钙含量少，胶凝系数小，活性低且是酸性渣，需要采取补钙或碱性激发以及与其它材料复合等措施来提高其活性。经反复试验有两种复合技术途径，其一：镍铁渣二元体系复合掺合料，即50%镍铁渣+5%脱硫石膏+45%的高炉矿渣可以达到单一高炉矿渣的性能，作为混凝土掺合料时最好还应与粉煤灰一起掺入混凝土中，以发挥多元叠加效应。其二：镍铁渣三元体系复合掺合料，即40%镍铁渣+5%脱硫石膏+20%高炉矿渣+35%粉煤灰，镍铁渣三元体系复合掺合料可以单独用于混凝土，不须另外再加其它掺合料。镍铁渣二元体系复合掺合料简称二元系，镍铁渣三元复合掺合料简称三元系。

3 镍铁渣复合掺合料性能

镍铁渣目前并无在混凝土中应用的国家、行业和地方标准，现在中国建筑学会标准T/ASC01-2016《水泥和混凝土用镍铁渣粉》于2016年6月15日实施，为镍铁渣的产品应用指明了方向，具有积极的指导意义。此外镍铁渣复合掺合料性能指标还应参考GB/T51003-2014《矿物掺合料应用技术规范》中相应技术要求规定。

3.1 镍铁渣复合掺合料物理性能

将镍铁渣复合掺合料分别粉磨成两种不同比表面积测其各项性能如表4所示，从表4试验表明镍铁渣二元系复合掺合料粉磨至比表面积≥450m2/kg时可以达到复合矿物掺合料F95级活性要求，镍铁渣三元系复合掺合料粉磨至比表面积≥450m2/kg时能达到F90级要求，复合掺合料流动比大，与外加剂适应性好。

3.2 镍铁渣复合掺合料化学组成

镍铁渣复合掺合料由多种材料复合而成，其化学组成将会有所变化，经检测如表5所示，从表5可知镍铁渣复合掺合料的CaO含量有所提高，MgO 含量减小。二元系质量系数Ko1=1.44，碱性系数Mo1=0.81，三元系质量系数Ko2=1.20，碱性系数Mo2=0.49。镍铁渣二元系复合掺合料的质量系数和碱性系数均得到提高，属于较高活性的酸性渣，三元系质量系数稍微提高一点，碱性系数下降较多。

4 镍铁渣复合掺合料在混凝土中的性能

表3 镍铁渣的胶砂强度

表4 镍铁渣复合掺合料物理性能试验

表5 镍铁渣复合掺合料的化学组成(单位:%)

表6 C40镍铁渣混凝土理论配合比(kg/m3)

镍铁渣二元系复合掺合料当其活性达到F95级时与矿粉S95级性质相近，可以参考矿粉在混凝土中掺量使用，实际应用时建议与粉煤灰或磨细燃煤炉渣共同掺入混凝土中从而达到超叠加效应，三元系复合掺合料宜单独使用。以强度等级C40泵送混凝土为例，介绍镍铁渣复合掺合料不同掺量在混凝土中的性能情况，配合比见表6。三种配合比的水胶比保持不变，辅助胶凝材料掺量为35%，外加剂掺量固定为2.2%，镍铁渣二元复合掺合料掺量分别是17.5%、20%、25%，三元复合掺合料掺量为35%。

4.1 混凝土拌合物性能

镍铁渣混凝土的拌合物性能试验如表7所示，试验时室温22℃，湿度80%。当水胶比、胶凝材料总量不变时随着镍铁渣复合掺合料掺量增加混凝土拌合物性能发生明显变化，掺量越大混凝土泌水越多、保水性差、凝结时间稍微延长一些，含气量基本不变，水溶性氯离子含量基本相同，以镍铁渣20%掺量时拌合物性能最好。

4.2 硬化混凝土性能

镍铁渣复合掺合料不同掺量对混凝土力学性能、耐久性能有轻微影响，随着掺量增加，混凝土强度略微提高、抗渗性能稍微下降、干缩值增大、碳化值变大，硬化混凝土性能如表8所示。

此外，镍铁渣复合掺合料低掺量时抗硫酸盐侵蚀性能可能会下降，由于Fe2O3和AL2O3一样，参与硫酸盐的反应形成钙矾石，导致混凝土性能下降，但掺量较大时能为钙矾石提供生存空间，提高了混凝土的密实性，有利于抵抗硫酸盐侵蚀[3]。

5 结 语

表7 不同掺量镍铁渣混凝土拌合物性能

表8 镍铁渣不同掺量硬化混凝土性能

1）镍铁渣的矿物成分、化学组成与镍矿品质、冶炼工艺紧密相关，使用时应固定单一材料来源，并进行环保影响评价分析，排除其危害性。

2）镍铁渣作为单一掺合料存在钙低、镁高的缺点，导致胶凝系数小、活性低，遇水溶胀等缺陷。由于氧化镁高必须进行压蒸安定性试验，合格后方能使用。

3）镍铁渣与石膏、粒化高炉矿渣共同混磨至比表面积达450m2/kg组成二元复合掺合料，可以达到复合矿物掺合料F95级活性要求，与矿粉S95级性质接近，实际使用时还应与粉煤灰（原状飞灰）或磨细燃煤灰渣粉共同掺入混凝土中，从而达到叠加效应，其最佳掺量为20%左右。

4）镍铁渣三元复合掺合料磨至比表面积达450m2/kg时可以达到F90级活性要求，最大掺量为35%左右时技术经济性较好，并可以单独用作混凝土掺合料。

5）镍铁渣二元系、三元系甚至四元系等复合掺合料其配置材料选择较多，并非仅限于粉煤灰和高炉矿渣，还可以与钢渣、沸石、磷渣等活性火山灰质材料混合磨细，使用前做好各项试验工作，必须满足混凝土的各项性能技术要求。

6）镍铁渣复合掺合料经多种试验证明其可以作为混凝土的辅助胶凝材料，虽然技术上可行、经济性和环保性较好，但镍铁渣复合掺合料由于国内外缺乏长期研究资料，其对混凝土产品的后期质量和人体健康的影响仍然需要评估，实际应用时还需慎重。

[1]何绪文,石靖靖,李静等．镍渣的重金属浸出特性[J]．环境工程学报，2014，8(8):3385-3388．

[2]盛广宏,翟建平．镍工业冶金渣的资源化[J]．金属矿山，2005，352:68-71．

[3]肖忠明，王昕，霍春明等．镍渣水化特性的研究[J]．广东建材，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文献辨识码：B

1003-8965(2017)01-0023-04