高炉镍铁渣粉制备抗折混凝土的研究
摘要：将高炉镍铁渣粉应用于抗折混凝土中，高炉镍铁渣粉等质量替代水泥后对抗折混凝土的力学性能和耐久性能等进行试验研究，结果表明，当高炉镍铁渣粉掺量不超过30%时所配制成的抗折混凝土的强度及耐久性能均能满足公路工程路面用抗折混凝土的使用要求。
关键词：高炉镍铁渣；抗折混凝土；耐久性；公路工程
0引言
截至年年底我国公路总里程.35万km，其中有铺装路面的公路里程.62万km，有铺装路面中水泥混凝土路面.65万km、沥青混凝土路面79.97万km，有路面铺装公路中水泥混凝土路面占总里程的71.23%。近年来，由于国际原油价格的不断攀升，沥青混凝土路面的造价随之大幅增加，将来一段时期内我国道路工程建设领域中水泥混凝土路面仍占主导地位。为降低公路路面用抗折混凝土成本，大部分学者都在研究利用工业废渣（如钢渣、磷渣、矿渣等）来替代部分水泥。近年来，随着国内不锈钢（镍铁）项目的迅速发展，每年产生的镍铁渣超过万t，已成为我国继铁渣、钢渣、赤泥之后的第四大冶炼渣，至年累计近3.3×t的镍铁渣被堆放在露天渣场上，占用大量土地的同时，又给环境带来严重污染[1-5]。为有效解决镍铁废弃渣占用土地和污染环境等问题，充分利用镍铁废弃渣，促进镍铁废弃渣的充分利用和良性循环发展，本文将高炉镍铁渣粉作为掺合料应用于抗折混凝土中，并对其各项性能进行研究分析，为高炉镍铁渣在公路工程路面抗折混凝土中的应用提供参考。
1原材料
水泥：P?O42.5级水泥，物理性能见表1。
高炉镍铁渣粉：用来自德盛镍业的高炉镍铁渣经小型球磨机粉磨而得，其化学成分见表2，物理性能见表3。
砂：河砂，细度模数2.8，各项指标均满足GB/T-《建设用砂》中II区中砂要求。
石：5~2mm连续级配碎石，各项指标满足GB/T-《建设用卵石、碎石》中II类碎石要求。
外加剂：point-s型高效减水剂，各项指标满足GB-《混凝土外加剂》要求。
2试验方法
2.1试验方案
以JTGD40-《公路水泥混凝土路面设计规范》中“中等交通荷载等级”要求即混凝土抗折强度标准值≥4.5MPa设计抗折混凝土配合比，基准配合比为水∶水泥∶砂∶石=0.39∶1.00∶1.85∶3.61，基于此，用高炉镍铁渣粉等质量取代0、15%、30%和45%的水泥，来研究高炉镍铁渣粉替代水泥后抗折混凝土强度、耐磨性、干燥收缩性等各项性能指标。
2.2测试方法
高炉镍铁渣粉的化学成分分析方法按GB/T-《水泥化学分析方法》中试验方法要求进行测定，密度按GB/T-《水泥密度测定方法》进行测定，比表面积按GB/T-《水泥比表面积测定方法勃氏法》进行测定，活性指数参照GB/T-《用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》中附录A矿渣粉活性指数试验方法进行测定。抗折混凝土各项指标按照标准JTGE30-《公路水泥及水泥混凝土试验规程》进行测定。
3试验结果及分析
3.1高炉镍铁渣粉替代量对混凝土抗折强度的影响
图1为高炉镍铁渣粉替代量对混凝土抗折强度的影响。由图1可知，高炉镍铁渣粉替代水泥后混凝土抗折强度降低，且呈线性降低。高炉镍铁渣粉替代量不超过30%时对混凝土抗折强度的影响甚微，替代量为30%时，28d抗折强度与基准相比降低了9.7%；当替代量超过30%时混凝土早期（7d）抗折强度急剧减小，28d抗折强度与基准相比降低了21.4%，此时水泥混凝土抗折强度标准值已小于4.5MPa，已不满足标准JTGD40-中中等交通荷载等级设计要求。
3.2高炉镍铁渣粉替代量对抗折混凝土干燥收缩性能的影响
图2为高炉镍铁渣粉替代量对抗折混凝土干燥收缩性能的影响。
由图2可知，混凝土的干燥收缩值随混凝土龄期的增长而不断增大，初期增长较快而后期增长较缓慢。高炉镍铁渣粉替代量小于30%时，混凝土初期(1～7d)干燥收缩值较基准略高。这是因为[4-6]高炉镍铁渣粉活性比水泥低，水化速度比水泥缓慢，致使混凝土中水分增多，在干燥的环境条件下导致混凝土干燥收缩值相对变大。随着龄期的增长，混凝土的干燥收缩值明显比基准低。这是由于[6]混凝土中的孔隙被高炉镍铁渣粉的微集料效应和二次水化反应的产物给予填充，补偿了因混凝土孔隙失水而导致的部分干缩，因此混凝土的干燥收缩值较基准混凝土小。高炉镍铁渣粉替代量超过30%时，混凝土所有龄期的干燥收缩值均较基准混凝土大。其原因是[4-6]高炉镍铁渣粉的活性在混凝土水化过程中是靠水泥熟料水化产物的作用下，在碱性的环境中才能得以发挥，当替代水泥量过高时，水泥熟料的含量越少，水化产物越少，不能参与水化反应的高炉镍铁渣粉越多。可见，高炉镍铁渣粉取代量适宜时有助于混凝士保持良好的体积稳定性。
3.3高炉镍铁渣粉对抗折混凝土耐磨性能的影响
图3为高炉镍铁渣粉替代量对抗折混凝土耐磨性能的影响。
从图3可见，高炉镍铁渣粉替代水泥后水泥混凝土的耐磨性能下降。高炉镍铁渣粉替代量为15%、30%、45%时水泥混凝土磨损面单位面积磨损量较基准分别提高了9.8%、37.2%、.3%，说明随高炉镍铁渣粉替代量的增大，水泥混凝土的耐磨性能降低愈快。其原因[3-7]是随着高炉镍铁渣粉替代量的增大，混凝土体系内存在的不具有活性功能的惰性高炉镍铁渣粉和未发生水化反应且具有活性的高炉镍铁渣粉的量增加，在耐磨试验机轮或汽车车轮的荷载作用下，这些存在于水泥混凝土表层的未发生水化反应的活性高炉镍铁渣粉和惰性高炉镍铁渣粉随轮胎的摩擦作用被带出，致使水泥混凝土的耐磨性降低。
4结论
(1)混凝土抗折强度随高炉镍铁渣粉替代量的增大而下降，替代量超过30%时混凝土抗折强度标准值＜4.5MPa，已达不到中等交通荷载等级要求。
(2)高炉镍铁渣粉替代量低于30%时，混凝土具有良好的体积稳定性；替代量不超过15%时，耐磨性能满足标准JTGD40-中高等级公路面层抗折混凝土技术要求，替代量不超过30%时，耐磨性能满足标准JTGD40-中二级公路面层抗折混凝土技术要求。综上所述，高炉镍铁渣粉作为公路工程路面抗折混凝土中使用时，其掺量不宜大于30%。
(3)高炉镍铁渣粉在路面抗折混凝土中使用，不仅为高炉镍铁渣的综合治理与利用开辟了新的有效的途径，而且为路面抗折混凝土谋到既经济而且技术性能又优良的矿物掺合料。
转自：冶金渣与尾矿
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