镍渣砂混凝土路用性能研究

王梦婷 顾连胜 陈松靖 梁炯丰

摘 要：为了缓解我國砂石短缺的压力，实现镍渣的资源化利用，将镍渣砂替代部分机制砂作为细集料制备水泥路面混凝土，研究镍渣砂的掺量对水泥路面混凝土工作性能、力学强度、耐磨性能以及孔隙结构的影响。试验结果表明：复掺30%的镍渣砂可以改善机制砂路面混凝土的和易性，优化孔隙结构，降低孔隙率，提高路面混凝土的抗压强度、抗折强度以及耐磨性能；但是当镍渣砂掺量超过30%时，混凝土的保水性能变差，逐渐出现泌水现象，使得混凝土内部的有害孔及多害孔的数量增多，最可几孔径变大，孔隙率增大，从而使得混凝土的抗压强度与抗折强度降低，耐磨性能变差。因此，镍渣砂的掺量不宜超过细集料总量的30%。

关键词：镍渣砂；路面混凝土；力学性能；耐磨性能；孔隙结构

中图分类号：TU528 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2023.01.003

0 引言

随着工程建设的快速发展，天然河砂资源匮乏的局面越来越严重，为了坚持可持续发展战略，寻找可行的天然砂替代资源成为当务之急。镍渣作为镍冶炼厂和不锈钢冶炼厂排放的一种工业废渣，是我国继铁渣、钢渣和赤泥之后的第四大冶炼工业废渣[1]，每生产1 t镍铁约排出14 t镍渣[2]。为了实现资源化利用，解决镍渣随意堆放造成的土地资源占用和环境污染等问题，因此，对镍渣的综合利用开展研究具有重要意义。由于镍渣具有高密实度、低吸水率、高硬度的材料特性，将其作为细集料替代天然砂制备混凝土具有可行性。李一龙[3]研究了镍渣取代部分天然砂对混凝土力学强度及耐久性能的影响，结果表明镍渣取代30%的天然砂，混凝土的耐磨性能和强度最佳，还能显著改善混凝土抗氯离子渗透性能和抗硫酸盐侵蚀性能。罗乃将等[4]探讨了镍渣砂掺量对高强混凝土强度的影响，结果表明，随着掺量的增大，混凝土的强度呈上升的趋势，当镍渣砂掺量为100%时，强度最高。丁天庭等[5]基于镍渣的微集料效应研究了不同掺量的镍渣对混凝土抗压强度和孔隙结构的影响，结果表明，掺入20%的镍渣砂时，混凝土的抗压强度最大，有效地降低了混凝土的孔隙率，细化了孔径。文献[6]研究表明，高密实度的镍渣作为细集料替代部分天然砂可以提高混凝土的抗压强度，但是镍渣完全替代天然砂会降低抗压强度。Liu等[7]指出，可以将适量的镍渣作为细骨料使用，这有利于提高混凝土的耐久性，尤其是耐磨性。Nuruzzaman等[8]在生产高强度、高耐久性的自密实混凝土时，使用镍渣砂替代50%的天然砂可以提高混凝土的抗压强度，改善混凝土的耐久性能。

综上所述，目前国内外已有的研究成果表明，将镍渣砂作为细集料应用于混凝土中具有潜在效益，但对镍渣砂的最佳掺量范围尚未形成统一定论，镍渣砂与机制砂复掺对混凝土的路用性能与微观孔隙结构的影响机制尚不明确，如何进行具体的应用还有待深入研究。本文将镍渣与机制砂按照不同比例混合，完全替代天然砂作为细骨料制备路面混凝土，通过研究镍渣砂掺量对路面混凝土的工作性能、力学强度、耐磨性能以及微观孔隙分布的影响，得出镍渣砂的最佳掺量。

1 试验概况

1.1 试验原材料

细集料：玄武岩机制砂选自石家庄德泽矿产品有限公司，其表面粗糙、多棱角，细度模数为2.6，属于颗粒级配良好的Ⅱ区中砂；取代机制砂所用的镍渣砂产自山东省临沂市鑫海科技有限公司，镍渣砂细度模数为3.2，符合《建设用砂》（GB/T 14684—2011）[9]要求。镍渣砂的XRD物相分析见图1，主要矿物组成为镁橄榄石、镁铁橄榄石。镍渣砂粒径分布见图2，细集料粒径分布见表1。从图2和表1可以看出，镍渣砂颗粒主要集中分布在2.36 ～ 0.60 mm，级配不良。表2为镍渣的化学成分分析表，主要成分为SiO2、MgO。细集料微观形貌图见图3，基本性能见表3。

水泥：选用P·O 42.5普通硅酸盐水泥，其主要物理性能见表4，化学成分含量见表5。

粗集料：选用5 ～ 25 mm连续级配的碎石。

减水剂：选用德国巴斯夫聚羧酸高效减水剂，推荐掺量为0.05% ～ 1.00%。

水：普通自来水。

1.2 混合砂颗粒级配分析

砂的质量直接影响着混凝土的质量，在同样条件下，良好的颗粒级配能够降低孔隙率，骨料之间可形成更好的骨架结构，直接影响着混凝土强度[10]。如图2所示，本试验中镍渣砂的颗粒偏粗，粒径主要集中在2.36 ～ 0.60 mm，细颗粒少，属于级配不良的粗砂。为了更好地将镍渣砂应用于公路路面混凝土中，本试验根据《建设用砂》（GB/T 14684—2011）[9]中规定的方法对掺有0、20%、30%、40%、50%、70%、100%镍渣砂的混合砂进行颗粒级配分析，分别记为MS、NS-20、NS-30、NS-40、NS-50、NS-70、NS-100，最终选择符合Ⅱ区中砂范围的混合砂作为细集料制备路面混凝土并进行后续的路用性能试验研究。

图4为混合砂颗粒级配曲线图。从图4可以看出，机制砂细度模数为2.6，且级配曲线完全落在了Ⅱ区机制砂级配曲线范围内，符合施工要求；在镍渣砂掺量超过50%时，混合砂级配曲线逐渐偏离Ⅱ区机制砂级配曲线范围。从混合砂细度模数（表6）来看，随着镍渣砂掺量的提高，混合砂的细度模数逐渐增大，在掺量不超过50%时均能达到中砂范围（2.3 ～ 3.0 mm），当镍渣砂掺量超过50%时，混合砂的细度模数超出Ⅱ区中砂范围，与混凝土用砂标准相差甚远，若使用这种比例将镍渣砂和机制砂混合作为混凝土细集料，会导致混凝土的孔隙率高、密实度低，从而影响其力学强度和耐久性能。因此，本文将选择掺量为0、20%、30%、40%、50%的镍渣取代机制砂作为细集料制备路面混凝土。

1.3 试验方法及配合比设计

本试验道路项目假定为无抗冰冻要求的二级公路，交通荷载等级为中级，根据《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40—2011）[11]规定：路面设计安全标准为二级，28 d设计抗弯拉强度标准值4.5 MPa；同时，根据公路等级和施工条件，假定水泥混凝土路面采用三辊轴机组铺筑，设计坍落度标准为30 ～ 50 mm。根据混合砂颗粒级配分析结果（图4和表6）可知，当镍渣砂掺量超过50%，混合砂属于级配不良的粗砂，用其制备混凝土将会严重影响混凝土的整体性能；另外，有学者通过大量试验研究得出：镍渣砂的最佳取代率范围在0 ～ 30% [3，12]。综合考虑以上两点，故本文选用0、20%、30%、40%、50%掺量的镍渣砂逐步取代机制砂作为细集料，并根据《公路水泥混凝土路面施工技术细则》（JTG/T F30—2014）[13]对镍渣砂路面混凝土进行配合比设计，其配合比见表7。

按照表7的配合比，制成150 mm×150 mm×150 mm的标准立方体抗压试块和150 mm×150 mm×550 mm的标准抗折试块，待混凝土试块分别养护至3 d、14 d、28 d龄期后，按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG 3420—2020）[14]进行抗压和抗折试验；并且在养护28 d后，按照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTG 3420—2020）[14]对混凝土进行耐磨性能的测定。参考标准ASTM D4404[15]，选取混凝土经过28 d龄期抗压试验后对中间10 mm×10 mm×10 mm的水泥砂浆块进行压汞试验，试验过程中将汞压入试件的孔隙中，根据进汞量和退汞量，测定出试样内部孔径的范围分布。

2 试验结果与分析

2.1 镍渣砂对路面混凝土工作性能的影响

镍渣砂混凝土工作性能如表8所示。由表8可知，全机制砂混凝土坍落度低、状态黏稠，这主要与机制砂表面粗糙、多棱角的材料特性有关（图1），机制砂与水泥浆体的接触面积大、摩擦力大，因此造成混凝土的流动性变差。随着镍渣砂的掺入，机制砂混凝土的坍落度显著增大，这是因为镍渣砂是一种表面光滑具有“滚珠效应”的圆球状玻璃体，具有良好的形态效应，在混凝土的拌合物中可以起到润滑作用，它的掺入大幅度改善了机制砂混凝土的流动性[16]；但由于其表面光滑、低吸水率的特性，导致在掺入过量的镍渣砂时会增大水泥浆体的泌水性，使得骨料外漏，从而也对混凝土的力学强度和耐久性能产生了不利的影响。0 ～ 30%镍渣砂掺量既能改善混凝土流动性，又能保证混凝土具有良好的保水性。

2.2 镍渣砂对路面混凝土力学性能的影响

经试验得到镍渣砂混凝土的力学强度如表9所示。从表9可以看到，随着龄期的增长，混凝土的力学性能逐渐提高，所有混凝土的28 d抗折强度均能达到设计抗折强度4.5 MPa的要求，混凝土的抗压强度也能达到路面混凝土要求的C35标准。在相同龄期内，混凝土的抗压强度随着镍渣掺量的增加而先增大后减小，抗折强度变化规律与抗压结果一致。掺量在30%以内的镍渣砂混凝土的力学性能优于机制砂混凝土对照组；当镍渣砂的掺量为50%时，混凝土28 d的抗折强度和抗压强度较机制砂对照组分别下降了6.3%和5.5%。

由表9可知，混凝土的抗折强度、抗压强度先增大后减小，这主要有两方面的原因。其一，因为掺量小于30%的镍渣砂混凝土拌合物的性能良好，使得混凝土整体的密实度变好，孔隙率降低，从而提高了混凝土的力学强度；但是又因为镍渣砂是一种表面光滑的玻璃体，与水泥浆体的咬合度不如表面粗糙的机制砂，易在其与水泥浆体界面形成积水区，随着其掺量增加至40%时，混凝土出现泌水现象，导致保水性能下降，从而使得试件内部的孔隙率增大，密实度降低，这也是影响混凝土强度变差的主要原因[12]。其二，由表3可知，镍渣砂的压碎指标值（4.3%）明显低于机制砂（5.2%），说明镍渣砂比机制砂具有更强抵抗压碎的能力，复掺一定比例的镍渣砂可以降低混合砂的压碎指标值，提高混合砂抵抗因外力作用而产生变形的能力。因此掺入适量的镍渣能够优化机制砂混凝土的力学性能，但当镍渣砂掺入量继续增大时（≥ 30%），混合砂整体粒径逐渐偏粗，粒径分布不均的细集料会严重影响试样的密实度，使得内部疏松多孔，从而对抗压强度和抗折强度造成不利的影响。

综上所述，掺入30%以内的镍渣砂可以提高混凝土的力学性能，但当镍渣砂过量时，将会导致混凝土拌合物的保水性降低，泌水性增强，黏聚性变差，试样内部有害孔增多，从而大幅度降低了力学性能。

2.3 镍渣砂对路面混凝土耐磨性能的影响

为了更好地将镍渣砂运用到路面混凝土中，本试验对镍渣砂混凝土进行了耐磨性能测定，见图5。由图5可知，随着镍渣砂掺量的增大，混凝土的磨损量先减少后增加，即混凝土的耐磨性能先提高后降低。根据长安大学对路面混凝土推荐的耐磨性指标，混凝土的磨损量应小于2.500 kg/m2 [17]，本试验中所有的混凝土磨损量均符合要求。当掺入30%的镍渣砂时，混凝土的磨损量为0.901 kg/m2，磨损量最低，相较于机制砂对照组降低了18.8%，耐磨性能最强；而掺量为50%的镍渣砂混凝土的磨损量为1.274 kg/m2，磨损量最高，相较于机制砂对照组提高了14.9%，耐磨性能最差。

随着镍渣砂掺量的增大，混凝土的耐磨性能先提高后降低。分析原因：首先，集料自身的耐磨损能力对混凝土耐磨性能有较大影响[18]。由于经过高温煅烧后产生的镍渣结构致密，物相中含有一定量的镁铁橄榄石，使得镍渣的硬度高，耐磨能力强，因此镍渣砂的适量掺入提高了混凝土抗压强度和耐磨性能。其次，影响路面混凝土耐磨性能的原因还有水泥砂浆的耐磨损能力以及集料与水泥砂浆的界面区间黏结力[19]。由于镍渣砂颗粒表面光滑，加入过量的镍渣，会使其颗粒與水泥石界面黏结力降低，颗粒之间的机械咬合力减弱，因此掺量大于30%的镍渣砂混凝土的耐磨性能差于机制砂混凝土。综合镍渣砂掺量对路面混凝土力学强度和耐磨性能的影响，镍渣砂的最优掺量为30%。

2.4 镍渣砂对路面混凝土孔隙结构的影响

孔隙是水泥石与界面过渡区的重要组成部分，孔径大小及其分布可反映水泥石的宏观力学性能[20]。当基体界面处的孔隙增多时，浆体与骨料的黏结性能下降，最终导致混凝土力学性能劣化[21]。本试验通过分析各组混凝土的孔隙分布来进一步验证镍渣砂掺量对机制砂混凝土力学及耐久性能的影响结果，选用28 d龄期时混凝土试块破碎后不含粗骨料的砂浆试块进行试验，试验结果见表10。随着镍渣砂复掺比例的增大，混凝土的总孔隙率先减小后增大（NS-30＜NS-20＜MS＜NS-40＜NS-50）。孔径分布积分曲线反映了不同混凝土试块的累计进汞体积量，最终累计进汞量代表了不同试样中有效孔隙量的变化规律，积分曲线图如图6所示。可以明显看出累计进汞体积的大小排列为NS-30＜NS-20＜MS＜NS-40＜NS-50，与总孔隙率的变化一致。

各组混凝土的孔径分布微分曲线图见图7。总体上，混凝土试样的孔径分布近似呈正态分布，曲线的峰值点所对应的孔径大小，也叫最可几孔径[22]，最可几孔径表示混凝土中可能出现的最大孔径。复掺20%、复掺30%的镍渣砂混凝土NS-20、NS-30组相较于机制砂混凝土MS组的微分曲线向左移动，即峰值点对应的最可几孔径减小，表明掺入30%以内的镍渣砂可以减小机制砂混凝土内部的最大孔径。而NS-40、NS-50组的峰值点向右移动，混凝土的最可几孔径增大。

影响混凝土力学性能的因素不仅仅是内部孔隙率，还有孔径及其分布[23]。根据吴中伟等[24]提出的孔径分布划分标准，可以将孔分为：无害孔（＜20 nm）、少害孔（20 ～ ＜50 nm）、有害孔（50 ～ 200 nm）以及多害孔（＞200 nm）4大类。而多害孔和有害孔的总数量越少，则混凝土力学性能和耐久性能更强[25]。从各组混凝土孔径分布情况（表10）可知，掺量为0、20%、30%、40%、50%的镍渣砂混凝土的多害孔和有害孔比例之和分别为43.02%、39.53%、36.80%、43.49%、46.39%。说明复掺30%以内的镍渣砂可以细化机制砂混凝土内部的大孔隙，降低有害孔及多害孔的数量；而当复掺比例达到40%时，混凝土出现泌水现象，水泥浆体与骨料之间的包裹性变差，试样中多害孔和有害孔的比例显著增加。从力学强度及耐磨性能来看，NS-20组和NS-30组优于MS组，MS组优于NS-40和NS-50组，其中NS-30组最优，这与孔径分布试验结果一致。

3 结论

1）镍渣砂掺量不超过50%的混合砂细度模数仍能位于中砂范围内，且混合砂的级配曲线更接近混凝土用砂Ⅱ区要求，提高了混合砂的质量。

2）镍渣砂的掺入可以明显提高混凝土的流动性，但掺入过量的镍渣砂会降低拌合物的保水性能，使得混凝土出现泌水现象。

3）混凝土的力学强度随镍渣砂掺量的增大而先增大后减小，并且在掺量为30%时达到最大值。

4）掺入适量的镍渣能够显著改善机制砂混凝土的耐磨性能。

5）混凝土的孔隙率、最可几孔径大小以及有害孔与多害孔的数量之和均随着镍渣掺量的增大而先减小后增大，镍渣砂掺量为30%时，混凝土的孔隙结构分布最优。

6）综合考虑镍渣路面混凝土的工作性能、力学强度、耐磨性能以及孔隙结构分析试验结果，初步得出镍渣最佳掺量为30%。

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Study on road performance of nickel slag sand concrete

WANG Mengting， GU Liansheng， CHEN Songjing*， LIANG Jiongfeng

（School of Civil Engineering and Architecture， East China University of Technology， Nanchang 330013， China）

Abstract： As China is short of sand and gravel， the resource of nickel slag sand should be utilized by replacing some manufactured sand with nickel slag sand as fine aggregate to prepare cement pavement concrete. In this paper， the effects of nickel slag sand content on working performance， mechanical strength， abrasion resistance and pore structure of cement pavement concrete were studied. The results showed that the addition of 30% nickel slag sand could improve the workability， optimize pore structure， reduce porosity， and improve the compressive strength， flexural strength， and abrasion resistance of pavement concrete. However， when the content of nickel slag sand was more than 30%， the water-holding performance of concrete became worse and the bleeding phenomenon appeared gradually， which made the number of harmful holes and multi-harmful holes in concrete increase， and the most probable pore size became larger and the porosity increased， therefore， the compressive strength and flexural strength of concrete were reduced， and the abrasion resistance was worse. Therefore， the content of nickel slag sand can not exceed 30% of the total fine aggregate.

Key words： nickel slag sand; pavement concrete; mechanical properties; abrasion resistance; pore structure

（责任编辑：罗小芬）