低碳矿物掺合料对混凝土性能及碳排放的影响研究

文摘 2025-01-20 07:01 河南

引言

镍铁渣是冶炼镍铁合金过程中产生的工业固体废弃物，但是其资源利用率不超过20%。绝大部分镍铁渣都是直接堆放或者填埋，不仅占用大量土地资源，而且污染土壤和地下水，对生态环境造成严重破坏，因此对镍铁渣的资源化利用迫在眉睫。

目前，已有学者针对镍铁渣特性展开资源化应用研究，刘梁友等研究了粉磨时间对原镍铁渣和除铁镍铁渣细度的影响，并对不同细度的除铁镍铁渣微粉进行活性测试，结果发现，HY复合助磨剂助磨效果明显优于单组分助磨剂，可显著提高镍铁渣微粉的细度、比表面积和活性。

周敏等研究不同添加剂（三乙醇胺、碳酸钙、粉煤灰）对精炼不锈钢渣粉磨性能和活性指数的影响，结果表明，在高炉镍铁渣中加入有机醇胺类物质改善了其28d活性。

林辉等通过优化助磨剂改善了固废掺合料的形态，用于替代水泥，提高了混凝土结构的致密性，降低了混凝土的收缩。

刘梁友等通过镍铁渣与矿粉复掺制备了掺合料，实现了对水泥10%的最佳替代量，有效改善了混凝土拌合物状态，降低了混凝土体积的收缩。

由此可见，目前的研究和应用主要是针对高炉镍铁渣，其活性较高，在低掺量条件下有利于改善混凝土综合性能，但是对于活性较低的电炉镍铁渣研究较少，这主要是因为电炉镍铁渣的潜在活性低、易磨性差，直接将电炉镍铁渣粉磨后只能当作惰性掺合料使用，而且电炉镍铁渣掺入后易导致混凝土工作性能和力学性能变差、干缩增大，影响了其资源化利用效率。

基于此，根据电炉镍铁渣的特点和不同粉磨工艺的优劣，本文采用化学激发将镍铁渣与矿粉复配进行粉磨，制备镍铁渣低碳矿物掺合料，研究其对混凝土性能的影响，以期为电炉镍铁渣的资源化利用提供一种可行的技术手段。

1材料与方法

1.1试验材料

水泥：P·O42.5普通硅酸盐水泥，市售，其性能指标见表1；粉煤灰：45μm方孔筛筛余27.4%，比表面积328kg/m³，需水量比100%，烧失量1.6%；矿粉：S95级矿粉，市售，比表面积425kg/m3，流动度比96%；镍铁渣：某工业厂区冶炼厂产生的电炉镍铁废渣，75μm筛余5.8%，表观密度2450kg/m³；细骨料：河砂，细度模数2.6，堆积密度1520kg/m³，含泥量1.1%；粗骨料：5～25mm连续级配碎石，堆积密度1490kg/m³，泥块含量0.1%，针片状含量3%；外加剂：保水型聚羧酸系高性能减水剂，深圳市三绿科技有限公司生产，减水率28.9%，推荐掺量2%。

水泥、粉煤灰、镍铁渣、矿粉的化学组成见表2。

1.2镍铁渣低碳矿物掺合料的制备

首先将镍铁渣与矿渣按质量比1:1混合后形成掺合料原料，之后分别加入掺合料原料总质量2%的无水石膏作为硫酸盐激发剂，加入总质量0.02%的三乙醇胺作为助磨分散剂，加入总质量0.5%的纳米硅酸钙作为活性促进剂，再将上述组分混合均匀后，倒入球磨机进行粉磨。粉磨后，每间隔5min取样、留样并检测掺合料的比表面积、流动度比和活性指数，选出性能最佳的掺合料。

1.3配合比设计

在上述试验的基础上，选择性能最佳的镍铁渣低碳矿物掺合料进行混凝土制备，镍铁渣低碳矿物掺合料掺入替代胶凝材料（优先替代粉煤灰）的比例为0%、15%、30%、45%和60%，测试混凝土拌合物的工作性能、抗压强度和收缩率。混凝土的配合比见表3。

1.4测试方法

低碳矿物掺合料的流动度比、7d和28d活性指数按照T/CMBF194-2022《超细复合矿物掺合料》进行测试；混凝土的坍落度按照GB/T50080-2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行测试；抗压强度按照GB/T50081-2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测试；干燥收缩按照GB/T50082-2024《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行测试。

2结果与分析

2.1镍铁渣低碳矿物掺合料性能分析

2.1.1比表面积

图1为镍铁渣低碳矿物掺合料在不同粉磨时间下的比表面积。由图1可知，随着粉磨时间的增加，掺合料的比表面积逐渐增大，但其增大趋势逐渐趋于平缓，粉磨5、10、15、20、25、30、35、40、45、50min时，掺合料的比表面积分别达到402、442、512、542、590、633、653、678、698、710m²/kg。

2.1.2流动度比

图2为镍铁渣低碳矿物掺合料在不同粉磨时间下的流动度比。由图2可知，随着粉磨时间的增加，掺合料的流动度比逐渐下降。这主要是受两方面的影响，一方面，随着掺合料比表面积的增大，其表面对自由水的吸附能力增强，吸附量增大，导致浆体内的自由水含量出现明显下降，在浆体颗粒之间的润滑作用减弱，导致浆体的流动性变差，所以粉磨时间越长，其比表面积越大，流动性越差；另一方面，掺合料与水泥互掺可以在浆体内起到微集料填充效应，降低物料之间的孔隙率，提高浆体的密实度，从而使得浆体中能够释放出更多的自由水，起到增大浆体流动性的作用。结合图2的变化规律可以看出，随着粉磨时间的延长，浆体的流动性在前期主要受比表面积增大导致浆体自由水减少的影响，流动度下降较快，当掺合料的比表面积小于678m²/kg时，其填充效应逐渐明显，能够在一定程度上减弱比表面积变大对浆体流动性的负面影响，使得浆体流动度下降趋势趋缓；但是当掺合料比表面积进一步增大时，其比表面积对自由水的吸附性占据主导地位，导致浆体的流动度快速下降。

2.1.3活性指数

图3为镍铁渣低碳矿物掺合料在不同粉磨时间下的7d和28d活性指数。由图3可知，随着掺合料粉磨时间的增加，其7d和28d活性指数均呈先升高后下降的趋势。这是因为活性指数是试验胶砂与标准胶砂在相同龄期抗压强度的比值，其中，试验胶砂的抗压强度受多方面因素的影响。一方面，随着粉磨时间的延长，掺合料的比表面积增大，其可溶性活性物质含量增加，能够更多地参与水泥的水化反应，提高胶砂的抗压强度；另一方面，从流动度比的结果可以看出，随着粉磨时间的延长，掺合料比表面积的增大，其微集料填充效应增大，在比表面积为678m²/kg时达到最佳，所以双重作用下使得试验胶砂的抗压强度出现升高。但是随着粉磨时间的继续增加，掺合料的比表面积进一步增大，其对自由水的吸附能力过高，导致浆体自由水减少，内部缺陷增加，对强度的提高产生负面影响，因此其活性指数出现轻微下降。综上所述，在粉磨时间为40min，比表面积达到678m²/kg时，镍铁渣低碳矿物掺合料的活性达到最大值，性能最佳。

2.2混凝土性能分析

按照2.1小节的试验结果，选择粉磨时间为40min、比表面积为678m²/kg的镍铁渣低碳矿物掺合料进行混凝土性能试验。

2.2.1坍落度

图4为不同镍铁渣低碳矿物掺合料掺量下混凝土的坍落度。由图4可知，随着镍铁渣低碳矿物掺合料掺量的增加，混凝土的坍落度整体呈先轻微升高后下降的趋势，当掺合料掺量为45%时，混凝土的坍落度达到最大值。这主要是因为掺合料的比表面积较大，其替代胶凝材料掺入到混凝土中能够起到微集料填充效应，堵塞填充微小孔隙，减少混凝土内部孔隙，增加拌合物的密实度，使得浆体内存在更多的自由水，拌合物的坍落度增大；但是随着掺合料掺量的增加，由于其表面积较大，吸附较多的自由水，造成拌合物的自由水含量下降，其坍落度下降。

2.2.2抗压强度

图5为不同镍铁渣低碳矿物掺合料掺量下混凝土的抗压强度。由图5可知，随着镍铁渣低碳矿物掺合料掺量的增加，混凝土的7d和28d抗压强度均呈先升高后下降的趋势，与混凝土坍落度的变化规律较为一致。当掺合料掺量为45%时，混凝土的7d和28d抗压强度达到最大值，分别为44.8MPa和63.8MPa。这是因为，随着掺合料掺量的增加，由于其比表面积大，粒径更小，微集料填充作用增强，提高了混凝土的密实度，同时掺合料的加入改善了拌合物的流动性，减少了混凝土拌合物内部的结构缺陷，使其抗压强度得到提高；但是掺合料的活性低于水泥，当其掺量较高时，水泥的水化产物减少，混凝土中骨料界面的粘结能力变弱，混凝土整体的胶结能力下降，导致其抗压强度出现降低。

2.2.3收缩率

图6为不同镍铁渣低碳矿物掺合料掺量下混凝土的180d收缩率。由图6可知，随着镍铁渣低碳矿物掺合料掺量的增加，混凝土的180d收缩率呈先降低后升高的趋势，与混凝土抗压强度的变化规律截然相反，混凝土的抗压强度越高，其收缩越小；其中，当掺合料掺量为45%时，混凝土的180d收缩率达到最小值。这是因为，掺合料粒径更细，掺入后有利于改善混凝土的密实度，使其100nm以下的毛细孔减少，降低了混凝土的干燥收缩；但是当掺合料掺量较高时，拌合物性能下降，内部结构缺陷增加，粗化了混凝土内部的孔结构，使其干燥收缩出现增大。

综上所述，当掺合料掺量为45%时，混凝土拌合物的流动性相对最大，抗压强度最高，收缩率最低，综合性能最佳。随着掺合料掺量的继续增加，当掺合料掺量为60%时，混凝土的流动度与不使用低碳矿物掺合料混凝土的差异并不大，其抗压强度和收缩率依然优于不使用低碳矿物掺合料的混凝土。

2.3混凝土碳排放量

混凝土的碳排放量包括原材料的碳排放量和制备过程中产生的碳排放量，本研究中制备方法一致，区别在于混凝土原材料的变化，因此对混凝土原材料的变化进行分析，进一步比较不同混凝土配合比下原材料碳排放量的变化，水泥、粉煤灰、矿粉、固废渣粉、砂石骨料、减水剂和水等原材料的碳排放量值参考T/CBMF27-2018《预拌混凝土低碳产品评价方法及要求》，混凝土原材料的碳排放量计算见式（1）：

G_混凝土=Q_水泥×EF_水泥+Q_粉煤灰×EF_粉煤灰+Q_掺合料×EF_掺合料+Q_砂×EF_砂+Q_石×EF_石+Q_减水剂×EF_减水剂+Q_水×EF_水（1）

式中，G为混凝土原材料碳排放量；Q为混凝土原材料用量；EF为单位原材料的碳排放量。

其中，掺合料的EF值为原材料的碳排放量值与粉磨基准值的和值，其计算见式（2）：

EF_掺合料=（EF_矿粉+EF_固废渣粉）/2+EF_{粉磨基准值}（2）

掺合料的粉磨基准值参考水泥的粉磨基准值25kgCO₂eq/t，进一步比较EF掺合料粉磨至678m²/kg所用的时间为水泥粉磨时间的2/5，因此掺合料的粉磨基准值=10kgCO₂eq/t，由此得到EF掺合料=58.3kgCO₂eq/t。

本试验中制备的混凝土的碳排放量见表4。

由表4可知，随着掺合料掺量的增加，混凝土的碳排放量逐渐降低。这主要得益于采用了镍铁渣制备的掺合料，根据上述估算，其碳排放量约为58.3kgCO₂eq/t，水泥的碳排放量约为732kgCO₂eq/t，粉煤灰的碳排放量约为34.5kgCO₂eq/t。而采用镍铁渣掺合料替代粉煤灰和水泥后，当其掺量为45%时，制备的混凝土的碳排放量为219.93kgCO₂eq/m³，相比不使用低碳矿物掺合料制备的混凝土，其碳排放量减少89.72kgCO₂eq/m³；当其掺量为60%时，制备的混凝土的碳排放量为171.42kgCO₂eq/m³，相比不使用低碳矿物掺合料制备的混凝土，其碳排放量减少138.23kgCO₂eq/m³。

结论

本文通过镍铁渣与矿粉复配，并进行粉磨和化学激发，在不同粉磨时间条件下制备了镍铁渣低碳矿物掺合料，研究了粉磨时间对其性能的影响，并进一步研究了性能最佳的掺合料对混凝土拌合物工作性能、力学性能和收缩率的影响，得出以下结论：

（1）粉磨时间的延长有利于增加镍铁渣低碳矿物掺合料的比表面积，但其流动度比逐渐降低，活性指数随着粉磨时间的延长呈先升后降的变化趋势，在粉磨时间为40min，比表面积为678m²/kg时，镍铁渣低碳矿物掺合料的活性达到最大值，性能最佳。

（2）采用比表面积为678m²/kg的镍铁渣低碳矿物掺合料替代水泥制备混凝土，随着其掺量的增加，混凝土的坍落度和抗压强度均呈先升后降的趋势，收缩率则呈先下降后提升的趋势。当掺合料掺量为45%时，混凝土的坍落度为240mm，7d和28d抗压强度分别为44.8MPa和63.8MPa，180d收缩率为315×10^-6，相比于未掺入低碳矿物掺合料的混凝土均有明显的改善，且碳排放量减少89.72kgCO₂eq/m³；当掺合料掺量为60%时，混凝土的性能与未掺入低碳矿物掺合料的混凝土没有明显差异性，且碳排放量减少138.23kgCO₂eq/m³。（来源：《混凝土世界》2024.11）

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