一 研究意义 使用白色硅酸盐水泥制备的混凝土材料具有具有较高艺术价值，广泛应用于如斜拉桥、悬索桥或歌剧院等城市地标建筑的建造工程。然而生产白色硅酸盐水泥对原材料、煅烧工艺、生产设备等方面提出较高要求，同时造成更高的能源消耗量和碳排放量。因此有必要采取浅色矿物掺合料取代部分白色硅酸盐水泥，在不显著降低混凝土美观性能、力学性能和耐久性能前提下，降低白色硅酸盐水泥的使用量。
一
研究意义
使用白色硅酸盐水泥制备的混凝土材料具有具有较高艺术价值，广泛应用于如斜拉桥、悬索桥或歌剧院等城市地标建筑的建造工程。然而生产白色硅酸盐水泥对原材料、煅烧工艺、生产设备等方面提出较高要求，同时造成更高的能源消耗量和碳排放量。因此有必要采取浅色矿物掺合料取代部分白色硅酸盐水泥，在不显著降低混凝土美观性能、力学性能和耐久性能前提下，降低白色硅酸盐水泥的使用量。
在金属冶炼行业，镍铁矿石中镍、铁元素被提取后，剩下的矿渣经过水淬、破碎、粉磨后形成镍铁渣粉，按不同工艺可形成电炉镍铁渣粉和高炉镍铁渣粉。其中高炉镍铁渣粉含有较多非晶体相而具有一定化学活性，已被广泛用于固废再利用研究工作中。目前较多研究将高炉镍铁渣粉取代部分普通硅酸盐水泥制备高性能混凝土，此类研究方法属于水泥替代法。近年来，香港大学 A.K.H. Kwan 教授团队提出一种新的固废再利用设计方法——浆体替代法，将固废材料同时取代一部分水泥和拌合水，维持水泥浆体水灰比恒定来制备砂浆/混凝土材料。研究表明采用该方法不仅可以显著提高固废材料再利用率和降低水泥用量，同时可提升混凝土强度、体积稳定性和耐久性能。本研究基于浆体替代法，使用高炉镍铁渣粉（blast furnace ferronickel slag, FNS）取代部分浆体制备不同水灰比的砂浆样品，并对样品的流动性能、力学强度、抗碳化性能、吸水率、干燥收缩率和孔结构演变规律进行测试，以评估该方法对高炉镍铁渣粉的适用性和节约白色硅酸盐水泥用量的效率。
二
研究内容
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试验概况：
本文使用白色硅酸盐水泥、河砂细骨料、自来水、聚羧酸高效减水剂和高炉镍铁渣粉（blast furnace ferronickel slag, FNS）。FNS 由福建某冶炼企业提供，其微观形貌如图 1 所示。白色硅酸盐水泥、FNS 和细骨料的颗粒粒径如图 2 所示。
图 1 FNS 的微观样貌
图 2 水泥、FNS 和细骨料的粒径分布图
设计砂浆水灰比为 0.40、0.45、0.50、0.55，细骨料体积占比为 40%，浆体体积占比为 60%。利用浆体替代法将 FNS 取代部分浆体体积，FNS 掺量分别为 0%、5%、10%、15%、20%，一共制备20组砂浆样品。同时采用水泥替代法制备水灰比为0.40、0.55 的砂浆，一共制备 8 组砂浆样品。样品成型过程中，FNS 的掺入将显著降低砂浆流动性，减水剂的掺量因而提高，以确保新拌砂浆在坍落扩展度试验中的扩展度维持在 180~350mm。为研究 FNS 对白色砂浆性能的影响，所测试的性能指标包括：抗压强度、碳化深度、吸水率、干燥收缩变形。此外采用压汞法对砂浆的孔结构演变规律进行测试。
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试验结果
2.1 抗压强度
如图 3 所示，在 FNS 体积相同前提下，抗压强度随着水灰比降低而升高；在相同水灰比下，抗压强度随着 FNS 体积增大而上升。相对而言，在水泥替代法中，FNS体积掺量提高对强度影响较小。可见，通过浆体替代法利用 FNS 取代部分白色硅酸盐水泥，可明显提高水泥基材料抗压强度。
图 3 不同水灰比下抗压强度与 FNS 体积的关系（PRB 指浆体替代法，CRB 指水泥替代法）
2.2 碳化深度
如表 1所示，在 FNS 体积相同情况下，碳化深度随着水灰比降低而降低。大量研究表明，水灰比是影响水泥基材料抗碳化性能的重要因素。水灰比低时，抗碳化性能好。更重要的是，在相同水灰比下，碳化深度随着 FNS 体积上升而显著下降。说明使用 FNS 取代浆体可有效提高水泥基材料抗碳化性能。
2.3 吸水率
如表 1所示，在 FNS 体积不变时，初始阶段/第二阶段吸水率均随着水灰比的降低而降低。水灰比是影响水泥基材料耐水性的重要因素，水灰比降低，样品耐水性增强。当水灰比不变时，初始阶段/第二阶段吸水率均会随着 FNS 体积增加而显著降低，表明使用 FNS 替代浆体对水泥基材料抗耐水性也有显著的增强效果。
2.4 干燥收缩变形
如图 4 所示，在 FNS 体积不变时，砂浆干燥收缩变形率随着水灰比的降低而。水灰比是影响水泥基材料体积稳定性的重要因素，水灰比降低，浆体自由水分含量下降，且密实程度上升，孔道连同程度下降，水分蒸发难度上升，因而样品干燥收缩变形率下降。
当水灰比不变时，干燥收缩变形率随着 FNS 体积增加而显著降低，表明使用 FNS 替代浆体对水泥基材料体积稳定性也有显著的增强效果。
图 4 在不同水灰比下砂浆干燥收缩变形与 FNS 体积的关系图
2.5 孔结构
图 5 为不同砂浆样品的孔径分布和孔隙率测试结果。根据吴中伟等的定义，孔径大于 200nm 的毛细孔为多害孔，孔径为 50~200nm的毛细孔为有害孔，孔径为 20~50nm 的毛细孔为少害孔，孔径小于 20nm 的毛细孔为无害孔。同一水灰比前提下，随着 FNS体积上升，浆体多害孔和有害孔体积迅速下降，少害孔和无害孔体积上升，同时孔隙率显著下降。同一 FNS 掺量下，使用浆体替代法成型的样品孔隙率低于水泥替代法，同时孔径分布更加密实化。这说明，采用浆体替代法来再利用 FNS，可有效改善砂浆孔结构，其原因包括：（1）FNS 颗粒略低于水泥，可发挥填充效应，改善颗粒级配，进而提高堆积密度；（2）FNS 已被证明具有火山灰活性，可参与水化反应，生成更多 CSH 凝结提填充孔隙；（3）用量适中的减水剂提高砂浆流动性，有助于颗粒的均匀分散和密实成型。
图 5 不同 FNS 体积下砂浆孔径分布和孔隙率对比图
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分析与讨论
基于上文研究可知，采用浆体替代法可大幅提高 FNS 再利用率（可高达砂浆体积 20%），在节约 33%白色硅酸盐水泥的同时，抗压强度和抗碳化性能、耐水性、体积稳定性均得到明显改善。图6 至图 9 直观描述了水泥用量与砂浆各性能参数之间的演变规律。
若采用传统上降低水灰比的方法，砂浆的强度和耐久性能随可得到增强，但水泥用量提升，有悖于减碳环保理念。若采用浆体替代法，不仅显著提高抗压强度和耐久性能，同时可以降低水泥用量，能够取得更高的综合效益，有利于实现减碳纳废的可持续发展目标。
图 6 不同水灰比和 FNS 体积下，水泥用量和抗压强度的关系图
图 7 不同水灰比和 FNS 体积下，水泥用量和碳化深度的关系图
图 8 不同水灰比和 FNS 体积下水泥用量和初始/二阶吸水率的关系图
图 9 不同水灰比和 FNS 体积下水泥用量和最终干燥收缩率的关系图
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研究结论
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知识点：利用高炉镍铁渣粉作为浆体替代物
