一种耐磨耗混凝土及其制备方法与流程

本发明涉及建筑材料技术领域，具体涉及一种耐磨耗混凝土及其制备方法。

背景技术：

工业化进程的不断发展，推动社会建设的同时，其附带产生的固体废渣也对环境造成了很大影响。镍铁渣作为一种镍铁冶炼时产生的固体废弃物，其数量随着镍铁产量的增加而不断增大。日渐增多的镍铁渣堆放需要占用大面积的用地，这些废渣如果长期得不到处理，势必会对周边的土地，水域以及空气造成影响。

广东广青金属科技有限公司采用国际先进工艺回转窑—电炉还原熔炼(rkef)和aod双联法冶炼不锈钢，年产不锈钢约200万吨，红送的镍铁水每年超过30万吨，该工艺节能环保显著，单位产品能耗仅为传统工艺的50％，但在镍铁水产出的同时也产生了大量的水淬渣固体废料，由于该冶炼方法为近年来新兴工艺，镍铁渣尚未有成熟的处理、消化方法，镍铁渣的处理也成为一个亟待解决的问题，目前各国在环保方面日益重视，处理和解决固体废渣给环境带来的压力具有重要的意义。

混凝土耐磨性是反应其长期与耐久性的一项关键性指标，目前常见的道路损坏模式主要有各种形式出现的裂缝，表面磨损出现坑洞，凹槽等。其中后者主要就是因为混凝土耐磨耗能力不够，在车轮的反复摩擦与碾压下出现骨料与水泥石剥离的现象。现有对混凝土耐磨耗的研究有，选用优质骨料以提高混凝土耐磨质量，但这势必增加了材料成本，并且目前原材料的短缺是建材市场面临的一个严峻的问题，因此，从现有原材料的质量出发可行性不大。另有讨论加入硅粉部分替代水泥胶结料提高混凝土的耐磨能力，该方法能够使混凝土取得较好的耐磨效果。但也存在着不少问题，一是硅粉价格高，使得耐磨混凝土的生产成本提高；二是硅粉的细度远小于水泥，在现场拌和施工时容易扬尘，不利于工人的施工环境，且颗粒小拌和所需的水更多，势必要增大水灰比，混凝土的耐磨性或许有所提高，但是水灰比的增大使得混凝土的强度降低，这就需要使用高效减水剂来平衡，达到的经济环境效益并不如预想的那么好。本实用新型结合广东广青金属科技有限公司镍铁渣的特性，并针对镍铁渣处理的迫切需要和耐磨混凝土面临的问题，提出使用镍铁合金生产过程中产生的镍铁渣作为混凝土细骨料，将其用于混凝土以提高耐磨性。

技术实现要素：

针对上述情况，本发明提供一种耐磨耗混凝土及其制备方法。本发明充分利用镍铁废渣自身硬度大的特点，并注意到其颗粒粒径与天然砂相似，考虑其本身具有一定的火山灰活性，将其用于混凝土既能够提高力学性能，又有利于提高其抗磨性。

本发明的技术方案：一种耐磨耗混凝土，各组分及其质量比为，水泥：细集料：粗集料：水：减水剂＝1:2.14:2.80-2.57:0.46:0.4；

所述细集料包括镍铁渣，镍铁渣在细集料中的掺量为0-50％，当镍铁渣的掺量为50％时，粗集料的质量分数为2.57。

进一步的，所述细集料中镍铁渣的掺量为40％。

进一步的，所述镍铁渣包括陈放时间小于3个月的新渣和陈放时间超过一年的旧渣。

进一步的，细集料除镍铁渣外，余料为天然砂，其细度模数为2.1，含泥量小于3，颗粒粒径为0.075mm-2.36mm；镍铁渣的颗粒粒径为0.6mm-9.5mm。

进一步的，所述水泥为42.5级普通硅酸盐水泥，比表面积340m²/kg。

进一步的，所述粗集料为水洗河卵石，粒径为5mm～20mm。

进一步的，减水剂采用pca型聚羟酸高效减水剂。

本发明还公开了一种前面所述的耐磨耗混凝土的制备方法，筛分镍铁渣和天然石，按比例称量各组分，然后进行配料、搅拌，制得耐磨耗混凝土。

本发明与现有技术相比的有益效果：

(1)解决了传统混凝土在机场跑道，高速路口收费站等受轮胎摩擦大的路段容易磨损的缺点，同时也解决了用硅粉提高混凝土耐磨耗性能成本高、施工环境差并且会降低混凝土其他性能的不足。

(2)有效提高混凝土耐磨性，成本低廉，直接利用回收的镍铁渣替代细骨料配置混凝土，有效解决原材料短缺的市场危机，施工过程中不会产生对环境的污染，废渣的回收利用有效解决其大量堆放对环境产生的不利影响，符合可持续发展的策略。

附图说明

图1是临时堆放的镍铁渣示意图；

图2是天然砂和镍铁渣筛分后的对比示意图；

图3是镍铁渣宏观颗粒特征示意图，a为小颗粒，b为大颗粒；

图4是天然砂和镍铁渣粒径分布示意图；

图5是天然砂和镍铁渣以一定比例混合级配示意图；

图6是镍铁渣粉磨后的微观图像示意图；

图7是镍铁渣矿物组成分析结果示意图；

图8是镍铁渣混凝土的拌合过程示意图，a、b、c分别为拌合过程；

图9所示是坍落度实验结果曲线图；

图10所示是抗压强度试验示意图，a为实验样品制作，b为编号，c为抗压测试；

图11所示是不同含量镍铁渣细集料混凝土破坏特征示意图；(a)镍铁渣含量为0％、(b)镍铁渣含量为27％、(c)镍铁渣含量为50％；

图12所示是抗磨试验示意图吗，a为抗磨实验仪器，b为实验过程，c为结果；

图13所示是不同含量镍铁渣细集料混凝土磨耗量曲线图。

具体实施方式

下面结合发明人的具体研究实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种修改或改动，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

一、组分分析

图1所示是需要找到合适方法回收利用的镍铁渣，位于广东省阳江市广东广青金属科技有限公司的渣堆场，不断产生的镍铁渣长时间的堆积对周边环境造成了巨大的压力，快速找到合理的回收利用渠道是解决问题的根本。

镍铁渣呈灰绿色，表面粗糙，颗粒形状各异，以多棱角形状居多，也有一些球状颗粒存在，并且颗粒中偶有贯穿的孔隙。镍铁渣的表面粗糙与多棱角使得颗粒之间的嵌挤力以及其与水泥石的结合力增强，在磨损作用下有更大的抵抗力。

图2所示表征了天然砂和镍铁渣粒宏观颗粒特征。

图3所示是筛分后的天然砂和镍铁渣，镍铁渣的颗粒粒径集中在2.36mm-4.75mm之间，天然砂的颗粒粒径集中在0.6mm-1.18mm之间，镍铁渣颗粒整体粒径大于天然砂。

镍铁渣颗粒粒径范围不如天然砂的粒径范围广，镍铁渣中大颗粒含量占主要比例，级配中细颗粒相对较少。因此，在使用过程中，需要将其和天然砂混合使用，以使级配合理。图4所示是镍铁渣级配分布曲线。

图5所示是镍铁渣与天然砂以一定比例混合的级配曲线，实验室采用ⅲ区天然砂和镍铁渣以一定比例混合，得出50％的镍铁渣和50％的天然砂混合可以满足建筑用砂的级配要求。镍铁渣的整体颗粒较天然砂大，在混凝土拌合过程中所需的水较少，另外其本身含有较多的玻璃体，对水的吸附性小，具有减水的作用，有利于混凝土的拌合施工及强度增长。并且在比例为40％镍铁渣和60％天然砂的组合下，细集料的级配能够处在较好的区段，比同样比例配置出的混凝土，其耐磨耗性能取得较好的效果。

图6所示是镍铁渣磨细成粉的微观图像，图中可见镍渣粉中有白色发亮的物质，表明有金属的存在，其本身硬度大，耐磨损。

图7所示是镍铁渣的矿物组成，钢渣粉中的矿物成分主要为镁铁橄榄石，橄榄石是镁铁质矿物的一种，主要成分是铁或镁的硅酸盐，同时含有锰、镍、钻等元素，具有硬度高、耐高温、抗侵蚀和化学稳定性好等特点，正是由于镁铁橄榄石的存在，使得钢渣的易磨性变差，但也使其具有一定的耐磨性能。此外，钢渣中还含有一定比例的非晶相，这些非晶相的形成主要由于高温熔融后的钢渣冷却时速度过快没有充分析晶所致，由于这些非晶相有一定的化学活性，因此也使得钢渣具有一定的活性，在混凝土成型过程中其火山灰活性反应使得混凝土更加密实，提高耐磨性。

二、耐磨耗混凝土制备

制备方法：筛分镍铁渣和天然石，按比例称量各组分，然后进行配料、搅拌，制得耐磨耗混凝土。

图8所示是镍铁渣混凝土的拌合及坍落度试验图，其配合比为水泥：细集料：粗集料：水：减水剂＝1:2.14:2.80:0.46:0.4％。其中水灰比固定为0.46不变，砂率固定为0.43不变。细集料按表1中给出的分别用镍铁渣替代天然砂0％，13％，27％，40％，50％。其中在替代50％时，因掺量相对较大，为不影响混凝土质量，部分降低了粗集料用量。

水泥采用42.5级普通硅酸盐水泥，比表面积340m2/kg，3d和28d抗压强度分别为22.3mpa和46.7mpa，3d和28d抗折强度分别为4.9mpa和8.2mpa，密度3.03g/cm3。粗集料(石)为水洗河卵石，粒径为5mm～20mm；砂子选用天然河砂，细度模数为2.1，含泥量小于3；减水剂采用pca型聚羟酸高效减水剂；混凝土拌合及养护用水均来自实验室自来水；细集料(砂)为天然河砂，镍铁冶炼废渣细集料采用广东广清公司产生的废弃渣，分为两种，一种为陈放时间小于3个月的新渣，另一种为陈放时间超过一年的旧渣，其化学成分见表2。

表1不同配合比及坍落度表

表2镍合金渣粉化学成分表

筛分镍铁渣和天然石，按比例称量各组分，然后进行配料、搅拌，制得耐磨耗混凝土。

三、本专利的有益效果实验：

图9所示是坍落度实验结果柱状图，从中可以看出，镍铁冶炼废渣渣对水泥砂浆的流动性能具有一定的改善作用，且随着镍铁冶炼废渣掺入比例的增大，水泥砂浆流动度呈现先略减小后增加的现象，其主要原因是：镍铁冶炼废渣的粒径要比砂的粒径大，用其来代替砂，一定程度上改善了集料的级配，所以少量镍铁冶炼废渣掺量时会稍微影响新拌混凝土的流动性。

抗压强度实验分为5组，每组重复3次，图10所示是抗压强度试验图；图11所示是不同含量镍铁渣细集料混凝土破坏特征。镍铁冶炼废渣细集料的表面特征与天然河砂不同，其表面粗糙、多棱角。因此，镍铁冶炼废渣细集料的破坏特征表现也不同。镍铁冶炼废渣细集料混凝土被破坏后，其界面结构如图11(b)，镍铁冶炼废渣掺量为27％；图11(c)，镍铁冶炼废渣掺量为50％；图11(a)是空白样混凝土破坏后截面。从中看出，掺量为27％的混凝土中镍铁冶炼废渣细集料的周围较密实，破碎后，骨料剥离后的浆体截面宏观上基本看不出孔洞，不像空白样混凝土界面那样骨料剥离的浆体截面有明显的孔洞，(a)、(b)两图中明显能够看出空白样混凝土和镍铁冶炼废渣混凝土内部的疏松与致密的差别。再看掺量为50％镍铁冶炼废渣细集料混凝土(图11(c))，其破坏后可以看到内部浆体的致密程度介于(a)、(b)之间，掺量达到50％后，界面区域的粗糙度变大，也会出现不同程度大小的孔洞，致密程度不如掺量为27％的混凝土。

四、耐磨耗性能测试

图12是使用tms-400型水泥胶砂/混凝土耐磨性试验机对混凝土试件进行的耐磨实验示意图。根据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(jtee30-2005)，先设定30转对试件进行预处理，除去表面净浆，称量得到初始质量，再设定60转，实验完成称量得到磨损后的质量，根据公式计算单位面积的磨损量来表征抗磨性。其中镍铁渣掺量为40％的混凝土试件的磨耗是最少的，图中比较空白样和x3样两者实验完成后的试件磨损情况，可以明显对比出，空白样的磨损比x3样要严重。

图13是不同镍铁渣掺量混凝土耐磨试验结果。新旧两种镍铁渣掺入混凝土中后，混凝土的抗磨强度呈现相同的变化趋势。磨损量随镍铁渣掺量的增加先减小后增加，即混凝土的耐磨性能先增加后减小，但均高于空白样混凝土的耐磨性能。当镍铁渣掺量达到40％时，混凝土的磨损量最小，此时混凝土的耐磨性能最好，由表3.5可知，此时新旧渣混凝土磨耗率相对于基准混凝土分别下降了32％、38％，仅为基准混凝土的68％、62％。

原因分析：主要有三部分，一是镍铁渣颗粒表面粗糙、多棱角，使其颗粒与水泥石界面黏结力增强，颗粒之间的机械咬合力强。二是镍渣砂本身的活性在混凝土中产生了更多水化产物，填充了混凝土结构中的孔隙，使结构更加密实。三是镍渣砂颗粒结构致密，本身硬度高，加入到混凝土中提高了骨料的抗磨性。当镍渣砂掺量达到40％时，此时混凝土抗磨效果达到最佳。