高碳铬铁合金渣骨料与常规人工骨料性能比较研究

高碳铬铁合金渣骨料与常规人工骨料性能比较研究

曾庆文

曾庆文（中国水利水电第三工程局有限公司勘测设计研究院陕西710032）

摘要：本文以水工混凝土相关规范将合金渣作为骨料进行检测，将合金渣与常规人工骨料进行物理性能、化学性能及其他化学性能进行比较研究，确定合金渣作为骨料运用的可行性，验证合金渣作为骨料应用于水工混凝土的可行性试验研究，以供参考。

关键词：合金渣骨料人工骨料材料性能比较

一、前言高碳铬铁合金渣（以下简称合金渣）是采用埋弧电炉还原法生产高碳铬合金时排出的熔体，经渣盘凝固、自然冷却，机械破碎或跳汰法选别含铬矿物后产生的。外观上，合金渣绝大部分呈灰黑色，极少量为铁锈红色或紫红色。由于是在自然条件下冷却，大部分颗料表面形成了不同程度的孔状结构，但质地非常坚硬，合理的利用可有效提高铬铁废渣资源利用率，防止因大量废渣对生态环境造成的污染，具有广阔应用前景。

二、高碳铬铁合金渣骨料与常规人工骨料的物理性能研究本次研究采用的骨料分别为四川省乐山市金口河区鑫河有限公司生产的高碳铬铁合金渣和四川省乐山市金口河区枕头坝一级水电站砂石筛分系统生产的玄武岩人工骨料，合金渣和玄武岩骨料均采用水工混凝土用骨料的的标准进行制备。通过对量种骨料的比较试验，人工骨料的饱和面干表观密度2700kg/m3～2770kg/m3之间，，吸水率为0.49%～1.6kg/m3之间，，堆积密度在1400kg/m3～1680kg/m3之间，超逊径最大为8.0%，含泥量最大值为0.4%，针片状最大值为8%，泥块含量为0%，压碎指标为4.3%。铬矿渣的饱和面干表观密度2620kg/m3～3140kg/m3之间，，吸水率为1.30%～1.46kg/m3之间，，堆积密度在1340kg/m3～1610kg/m3之间，超逊径最大为8.0%，含泥量最大值为0.3%，针片状最大值为1%，泥块含量为0%，压碎指标为12.3%。人工砂的细度模数为2.69，合金渣的细度模数为2.36。

对照《水工混凝土施工规范》技术标准要求结合以上试验数据结果进行分析：1）两种砂颗粒级配基本一致，合金渣砂饱和面干表观密度明显比常规骨料大得多，其它指标均与人工砂相差不大，都满足水工混凝土用骨料技术要求。

2）合金渣小石（5－20mm）饱和面干表观密度比人工骨料大得多，中石（20－40mm）和大石（40－80mm）饱和面干表观密度与人工骨料相近，且合金渣骨料饱和面干吸水率比人工骨料大2－3倍之多，但堆积密度与紧密密度却比常规骨料小40－100kg/m3不等。分析其原因是由于合金渣是在高温下煅烧后经自然冷却而成，其自身含有较多的小孔，且有些小孔是相通的，还有些小孔是不相通的，在进行饱和面干表观密度及吸水率时，小孔中会有些残留水分无法完全擦至饱和面干状态，因此造成了表观密度及吸水率偏大，而进行堆积密度与紧密密度时，是将骨料制备成风干状态进行试验，含有小孔的合金渣骨料就会比其它常规要轻些。另外由于合金渣骨料带孔状结构的颗粒没有规律，有些颗粒是全孔状，有些是部份孔状，有些是没有孔状。针对此现象，专门从合金渣骨料中通过人为观察将大、中、小石中带孔状较多的颗粒与带孔状较小的颗粒进行分选，针对这两种情况进行检测，检测数据表明：带孔颗粒饱和面干表观密度小，吸水率大，堆积、紧密密度小，压碎指标大，不带孔颗粒则正好相反。如将合金渣当成骨料用于混凝土中，含水率不容易控制，混凝土单位用水量会波动较大，将会对混凝土质量控制带来影响。

三、高碳铬铁合金渣骨料与常规人工骨料化学性能试验研究1.常规化学性能试验依据《水工混凝土施工规范》进行常规骨料与合金渣常规化学性能进行试验，以确定合金渣对于水工混凝土用骨料化学性能是否满足要求。试验结果表明两种骨料坚固性、有机质含量、硫化物及硫酸盐含量、三氧化硫含量均满足《水工混凝土施工规范》对骨料化学性能指标要求。通过试验人工骨料的坚固性为1%，有机质含量浅于标准色，SO3含量0.04%。合金渣骨料的坚固性为1%，有机质含量浅于标准色，SO3含量0.04%。

2.其它化学性能试验研究合金渣是属于一种提炼合金渣而排出的化学矿渣，特别是生产铬铁合金而产生的矿渣，而六价铬是一种有毒物质，摄入量超标后会对人的身体造成很大的危害，针对合金渣的放射性和对环境造成污染等方面，需对合金渣进行更全面的化学性能试验分析。玄武岩的主要成份是二氧化硅、三氧化二铝、氧化铁、氧化钙、氧化镁（还有少量的氧化钾、氧化钠），其中二氧化硅含量最多，约占百分之四十五至五十左右玄武岩的颜色，常见的多为黑色、黑褐或暗绿色。因其质地致密，它的比重比一般花岗岩、石灰岩、沙岩、页岩都重。为此专门委托西南科技大学和四川省建材产品质量监督检验中心分别对合金渣进行了相关化学分析试验。试验结果为天然骨料不含Cr、Loss元素，没有放射性元素，SO3含量0.04%，碱-骨料反应(砂浆棒快速法14d膨胀率)0.04%。铬矿渣骨料内照射指数0.2Ira，外照射指数为0.2Ir，六价铬Cr(VI)含量0.0002(mg/kg)，Loss含量0.01%，SiO2含量33.89%，AL2O3含量%，Fe2O3含量3.29%，CaO含量1.27%，MgO含量23.97%，SO3含量0.01%，Cr2O3含量7.64%，P2O5含量0.024%，碱-骨料反应(砂浆棒快速法14d膨胀率)0.07%。

从试验结果可以看出：玄武岩的主要成份是二氧化硅、三氧化二铝、氧化铁、氧化钙、氧化镁。合金渣的主要化学成分为SiO2、MgO、AL2O3、Fe2O3及Cr2O3组成，其中有价元素主要是铬和少量铁，包含的矿物相主要有镁橄榄石、镁铝尖晶石、未反应的铬铁矿和极少量的顽辉石等。其中尖晶石相是合金渣中的主要矿相，其晶粒尺寸一般从小于20μm到大约200020μm，结构非常稳定。未反应铬铁矿的存在是由于铬铁合金冶炼过程中难以达到完全意义上的热动力学平衡所致，而顽辉石是由于冷却过程中发生转熔反应生成的。众所周知，这些组成矿物在通常条件下，其结构都是长期稳定的，在普通硅酸盐水泥混凝土体系中发生晶体解离或固相反应的可能性几乎为零，可排除合金渣用作骨料可能引起的非应力结构破坏风险。此外，其中的有害组分如SiO3、P2O5等含量极低，对混凝土化学损害的不利影响可忽略不计。另外按国标《建筑材料放射性核素限量》（GB6566-2010）测试的合金渣放射性结果：内照射指数IRa为0.2，外照射指数为0.2，远远低于国家标准的A类（内照射指数Ira≤1.0，外照射指数≤1.0）技术要求。综上所述，合金渣作骨料用于混凝土中是基本可行的。

四、结论1.合金渣用作骨料物理、化学性能各项指标满足《水工混凝土施工规范》（DL/T5144-2001）标准要求，但饱和面干表观密度与吸水率、压碎指标及孔隙率等随孔状结果颗粒含量的变化有较大波动，增大了混凝土质量控制难度。

2.两种骨料坚固性、有机质含量、硫化物及硫酸盐含量、三氧化硫含量均满足《水工混凝土施工规范》对骨料化学性能指标要求。

3.其放射性结果远远低于国家标准的A类（内照射指数Ira≤1.0，外照射指数≤1.0）技术要求。

4.高碳铬铁合金渣作为骨料配制水工混凝土基本可行。合理的利用可有效提高铬铁废渣资源利用率，防止因大量废渣对生态环境造成的污染，具有广阔应用前景，对于推动民族地区可持续性发展，具有显著的社会经济效益。