《Next Materials》：Tensile performance, ultrasonic pulse velocity, and chloride ion content of roller-compacted concrete (RCC) incorporating single and dual nickel slag aggregate replacement
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本研究考察了单掺与双掺镍渣骨料替代对碾压混凝土（RCC）拉伸性能及氯离子含量的影响，并辅以超声脉冲速度（UPV）、数字图像相关（DIC）技术及镍渣骨料材料表征加以支撑。尽管镍渣作为骨料替代材料在常规混凝土中已有广泛研究，但其同时作为细骨料与粗骨料在RCC中的复
本研究考察了单掺与双掺镍渣骨料替代对碾压混凝土（RCC）拉伸性能及氯离子含量的影响，并辅以超声脉冲速度（UPV）、数字图像相关（DIC）技术及镍渣骨料材料表征加以支撑。尽管镍渣作为骨料替代材料在常规混凝土中已有广泛研究，但其同时作为细骨料与粗骨料在RCC中的复合应用仍探讨不足。镍工业的快速发展产生了大量镍渣，亟需在混凝土应用中寻求可持续利用策略。单掺替代以体积分数0%、25%、50%和75%的镍渣替代天然细骨料与粗骨料。基于单掺配合料的级配特征，在双掺阶段固定50%粗镍渣掺量，并与25%、50%和75%细镍渣掺量组合。结果表明，适量掺入镍渣可提高劈裂抗拉强度与硬化密度，单掺配合料的最佳性能总体出现在25–50%替代水平。指数回归表明UPV与劈裂抗拉强度之间存在中度至较强的经验相关性，R2=0.64–0.75。DIC分析揭示了沿破坏面稳定且明确的拉伸应变局部化，尤其在立方体试件中更为显著。氯离子含量均处于素混凝土应用的允许限值以内。总体而言，本研究凸显了镍渣同时作为细骨料与粗骨料用于RCC的技术可行性与性能优势，为基础设施应用中的可持续废弃物资源化提供了可行路径。
研究背景：碾压混凝土（RCC）因其低含水量、快速施工和成本效益，被广泛用于大坝、路面和机场等大型基础设施。随着基础设施需求增长，RCC的大规模应用引发资源枯竭与工业废物累积等环境问题，将工业副产物用作骨料替代成为提升RCC可持续性的重要途径。全球镍工业快速扩张（印度尼西亚2024年镍产量达220万吨，约占全球产量的59.46%），产生大量镍渣，亟需有效的废物消纳与资源化策略。既有研究表明镍渣具有高比重、棱角状颗粒形貌和良好耐磨性，在常规混凝土中适度替代骨料可提升力学性能，但相关研究多集中于抗压强度，且镍渣在RCC中的应用有限。RCC在配合比设计、压实机制和内部结构上与常规混凝土存在本质差异，可能显著改变替代骨料的作用效果；同时，镍渣同时作为细、粗骨料在RCC中的复合应用、劈裂荷载下的拉伸行为与变形特征、以及力学性能—耐久性指标—微观结构之间的关联评估均存在研究空白。为此，研究人员开展试验研究，考察单掺与双掺镍渣骨料替代对RCC拉伸性能、氯离子含量及微观结构行为的影响：单掺以0%、25%、50%和75%镍渣替代天然细、粗骨料；基于单掺的优化响应，双掺阶段固定50%粗镍渣并变化细镍渣掺量。研究得出，适量镍渣掺入可提高劈裂抗拉强度与硬化密度，单掺最佳性能一般出现在25–50%替代水平；UPV与劈裂抗拉强度呈中度至较强的指数经验相关（R2=0.64–0.75）；DIC揭示沿破坏面稳定明确的拉伸应变局部化；氯离子含量处于素混凝土可接受限值内。该研究为镍渣在RCC中的规模化资源化利用及可持续RCC配合料开发提供了试验依据与技术路径。
关键技术方法：采用绝对体积法（ACI 211.3R）进行RCC配合比设计，目标抗压强度为15 MPa（面向RCC大坝/大体积混凝土应用）；以振动锤分层压实成型圆柱（?150×300 mm）与立方（150×150×150 mm）试件（ASTM C1435/C1435M）；开展劈裂抗拉强度试验（圆柱按ASTM C496/C496M，立方按同一劈裂原理）、超声脉冲速度测试（ASTM C597，直接透射法）、数字图像相关（DIC）全场位移与应变分析（DICe处理、ParaView后处理）、氯离子含量测定（酸溶性按ASTM C1152/C1152M，水溶性按ASTM C1218/C1218M）以及扫描电子显微镜—能谱（SEM–EDS）微观表征。所用天然骨料取自印度尼西亚Bogor Regency的Klapanunggal，镍渣骨料取自镍铁冶炼过程。
研究结果：
3.1 新拌混凝土性能：所有配合料坍落度均为零，符合RCC刚性稠度要求；新拌密度为2352–2540 kg/m3，含镍渣配合料密度普遍高于基准组，双掺DR-C50-F75最高；含气量1.10%–1.80%，温度26.7–33.5°C，均处于可接受范围，表明镍渣骨料与常规RCC生产完全兼容。
3.2 RCC劈裂抗拉强度：掺镍渣使硬化密度系统性提高，最高达2559 kg/m3（立方）和2569 kg/m3（圆柱）（DR-C50-F75）。劈裂抗拉强度呈非线性响应：单掺粗骨料改善最显著，SR-C25立方与圆柱分别达3.21 MPa和2.36 MPa，较基准提高约92%和38%；粗渣超过25%后强度随密度增加而下降。细骨料替代以SR-F50最优，过高掺量因细料过多、浆体不足而降低应力传递效率。双掺密度普遍高于单掺，但强度不与密度成比例增长，DR-C50-F75在双掺中强度最高（立方2.26 MPa、圆柱2.70 MPa），表明细、粗镍渣间存在协同作用。密度与劈裂抗拉强度呈非线性关系，拉伸性能主要受骨料嵌锁与级配平衡控制而非基体致密化。
3.3 基于劈裂抗拉强度的最佳混合骨料组成：细镍渣单掺与强度呈二阶多项式关系（R2=0.89），最佳掺量约42%；粗镍渣单掺亦呈二次趋势（R2=0.50），最佳掺量约41%；双掺在试验范围内强度随总掺量持续增加，未出现明显峰值，需进一步细化掺量以确定最优组成。
3.4 超声脉冲速度与劈裂抗拉强度的相关性：三种替代策略均呈指数经验关系，SR-F为ft=0.0092e^0.0012v（R2=0.7475），SR-C为ft=0.0014e^0.0016v（R2=0.6572），DR为ft=0.0007e^0.0018v（R2=0.6415），表明UPV与拉伸性能存在正经验关联；但UPV仅反映密度与内部均匀性，不能单独预测劈裂抗拉强度，所建方程属初步的、配合料特定的关系。
3.5 基于DIC的位移与应变分析：以SR-C75为代表的立方与圆柱试件荷载—位移响应呈稳定、对称、近线性特征，水平位移左右对称、竖向位移一致向下，无回弹或偏心迹象，表明高掺量下材料仍保持有效应力重分布与受控变形。拉伸应变云图显示，峰值荷载时应变沿中央劈裂面局部化增强；SR-C25局部化带较集中、裂缝窄而清晰，DR-C50-F75应变分布更宽、裂缝路径更曲折，显示双掺的协同抗裂效应；但DIC空间分辨率不足以直接辨识界面过渡区（ITZ）状态。
3.6 RCC氯离子含量：所有配合料酸溶性氯离子含量均远低于ACI 222R限值0.15%，水溶性氯离子含量均显著低于fib Model Code 2010参考限值0.08%，数据重复性良好。低氯离子含量与镍渣低吸水率、高比重所反映的致密骨料结构及良好级配相关；但本研究未直接评价外部氯离子暴露下的传输或渗透行为。
3.7 镍渣微观结构表征：细镍渣SEM显示不规则棱角状形貌与粗糙表面，EDS显示以SiO?、MgO、Fe?O?相为主（约31 wt% Si、16 wt% Mg、5 wt% Fe），镍含量很低（≈0.24 wt%），氯仅微量（≈0.20 wt%）；粗镍渣呈高度不规则棱角状、局部断裂特征，EDS显示以O（≈36.9 wt%）、Si（≈32.1 wt%）、Mg（≈18.9 wt%）为主，含Fe（≈5.9 wt%）与Ca（≈3.0 wt%），镍含量约0.27 wt%。EDS仅提供成分信息，不构成浸出评估。微观结构与RCC性能的关系表明，镍渣主要通过致密化、骨料嵌锁和内部致密性提升等物理机制改善性能，而非化学活性。
3.8 配合比设计与颗粒堆积：研究采用ACI 211.3R绝对体积法而非颗粒堆积优化方法；级配分析、单位体积质量、空隙率、UPV与SEM观察一致支持最优镍渣替代改善了RCC基体内部堆积状况的推断；各配合料体积比例变化很小（骨料总体积0.689–0.741 m3/m3，浆体体积0.269–0.290），表明性能改善主要源于镍渣骨料的物理特性而非浆体含量变化。
讨论与结论：研究结论指出：（1）细、粗镍渣均具备作为RCC骨料的合适物理化学特性，SEM–EDS确认其以稳定的硅酸盐和富镁相为主，镍含量低、氯为微量，但环境安全性与浸出行为未直接评价；（2）镍渣掺入显著提高RCC硬化密度，含粗镍渣配合料尤为明显；（3）单掺粗骨料对劈裂抗拉强度改善最显著，SR-C25为单掺中最高，粗渣继续增加则强度下降；（4）细骨料替代最优范围为25%–50%，过高掺量导致性能退化；（5）双掺提高硬化密度，但在研究范围内未出现明确的强度最优值，细、粗渣间存在协同作用，需进一步细化掺量；（6）硬化密度与劈裂抗拉强度呈非线性关系，拉伸性能受级配、颗粒形貌、堆积与机械嵌锁共同影响；（7）UPV与劈裂抗拉强度呈中度至较强经验相关（R2=0.64–0.75），可作为内部质量的辅助无损指标；（8）DIC揭示稳定对称的荷载—位移响应与明确的拉伸应变局部化，裂缝沿可预测的劈裂面发展；（9）酸溶性与水溶性氯离子含量均低于素混凝土适用阈值。总体而言，镍渣可作为RCC可持续替代骨料有效利用，尤其在优化的单掺策略下；本研究为镍渣在基础设施应用中的资源化提供了试验证据，有助于资源效率、废物减量与更可持续的碾压混凝土体系发展。
