蒸壓條件對鎳渣基蒸壓材料抗壓強度的影響試驗

李靜，曹德光，劉文威

（1.廣西大學 材料科學與工程學院，廣西 南寧　530004；2.廣西建筑材料科學研究設計院，廣西 南寧　530004）

蒸壓條件對鎳渣基蒸壓材料抗壓強度的影響試驗

李靜1，曹德光1，劉文威2

（1.廣西大學 材料科學與工程學院，廣西 南寧530004；2.廣西建筑材料科學研究設計院，廣西 南寧530004）

以m（鎳渣）∶m（熟石灰）∶m（水泥）=70∶15∶15為基礎配方，通過強度試驗、XRD、SEM等研究分析了蒸壓溫度、保溫時間對試樣抗壓強度、軟化系數等性能的影響。結果表明：該體系在蒸壓溫度為30℃下保溫4 h，試樣抗壓強度即可達到18 MPa左右；蒸壓溫度＞100℃時，試樣抗壓強度可達30MPa以上；總體而言，試樣抗壓強度隨著蒸壓溫度升高而提高。試樣在110℃下保溫2h、4h、6h、8h，抗壓強度都在30MPa左右浮動，延長保溫時間使試樣的抗壓強度略有提高。該體系主要水化物為CSH、托勃莫來石、硬硅鈣石等。

鎳渣；蒸壓溫度；保溫時間；抗壓強度

隨著紅土鎳礦消耗量越來越大，采用酸浸法工藝提取鎳產生的紅土鎳渣堆置數量也日益增大，若不及時綜合利用將對土壤、地下水等環(huán)境造成嚴重污染［1］。余濤等［2］研究了影響鎳渣蒸壓制品性能的因素，Yang Tao等［3］探究了以鎳渣制備地聚物的可行性及適宜條件，段光福等［4］探索了將鎳渣磨細后作為水泥混合材使用時對水泥性能的影響。但這些研究針對的都是火法冶金工藝提取鎳所留下的殘留物，其形貌、結構特征等與紅土酸浸鎳渣存在較大區(qū)別?；诩t土鎳渣含大量硅質材料，因此本文采用蒸壓法綜合利用該鎳渣。

蒸壓條件不僅對蒸壓材料性能影響較大，還與生產成本有直接聯系。因此，基于之前的研究［5］，選取m（鎳渣）∶m（熟石灰）∶m（水泥）=70∶15∶15作為基礎配方，探究不同蒸壓條件下，試樣抗壓強度、軟化系數等的變化趨勢，為該類蒸壓材料產業(yè)化提供生產依據。

1　試驗原材料

本試驗中的鎳渣來自某酸浸法提鎳廠，熟石灰為生石灰經熟化所得，水泥為P·Ⅰ52.5硅酸鹽水泥。所有粗顆粒原料經烘干后粉磨，粉磨后顆粒粒徑＜0.2 mm。表1為鎳渣的主要化學成分，其中主要氧化物為SiO2、MgO和Fe2O3。

表1　鎳渣的主要化學成分　%

鎳渣、水泥和熟石灰的XRD圖譜如圖1所示。

圖1　鎳渣、水泥、熟石灰的XRD圖譜

從圖1可以看出，鎳渣中存在大量玻璃態(tài)物質，主要礦物為石英和葉蛇紋石；水泥中主要礦物為A礦和B礦；熟石灰主要成分為氫氧化鈣，有效成分達90%以上。

2　試驗方法

（1）將鎳渣、水泥和熟石灰按質量比70∶15∶15混合均勻；（2）每100 g混合料中加入20 g水并攪拌均勻；（3）稱取10 g攪拌均勻的物料放入內徑為Φ20 mm模具中，在成型壓力為20 MPa下壓制成型，坯體尺寸約為Φ20 mm×20 mm；（4）將坯體放入蒸壓釜內進行蒸壓養(yǎng)護。

其中，探究蒸壓溫度對試樣抗壓強度影響時，蒸壓溫度為30～180℃，蒸壓保溫時間為4 h，自然冷卻；探究保溫時間對試樣抗壓強度影響時，蒸壓溫度為110℃，保溫時間分別為2、4、6和8 h，自然冷卻，具體試驗設計如表2所示。

所有試樣蒸壓養(yǎng)護結束后都放入烘箱于45℃烘干，然后進行抗壓強度、XRD（銅靶）及SEM等測試分析。軟化系數按照GB/T 2542—2012《砌墻磚試驗方法》進行測試。

3　試驗結果與分析

3.1蒸壓溫度和保溫時間對試樣抗壓強度的影響

（見表2）

從表2可知，在蒸壓溫度為30～90℃時，試樣抗壓強度維持在18 MPa左右；蒸壓溫度為110℃時，試樣抗壓強度急速提高至30.59 MPa，比T90試樣提高了55.3%。蒸壓溫度高于110℃之后，隨著蒸壓溫度升高，試樣抗壓強度緩慢增長。該結果表明，蒸壓溫度是否高于110℃對試樣抗壓強度至關重要，這是由于100℃為標況下水沸騰的溫度點，110℃時會有大量水蒸氣，達到飽和蒸氣壓，確保有足夠的水蒸氣與坯體發(fā)生反應。蒸壓溫度為180℃時，試樣抗壓強度達到最大值37.28 MPa。相較Alaa Rashad等［6］制備的蒸壓材料抗壓強度不到30 MPa，本試驗中的蒸壓材料具有極大優(yōu)勢。

表2　蒸壓溫度和保溫時間對試樣體積密度和抗壓強度的影響

在試樣抗壓強度達30 MPa的基礎上，以低能耗、環(huán)保為出發(fā)點選擇蒸壓溫度為110℃進行進一步研究，探索保溫時間對鎳渣基蒸壓材料性能影響。從表2可知，隨著保溫時間延長，試樣抗壓強度變化不大，皆在30 MPa左右變化。該結果說明，蒸壓溫度為110℃時，尺寸約為Φ20×20 mm的試樣僅需2 h就可基本反應完全。

3.2蒸壓溫度和保溫時間對試樣軟化系數的影響

軟化系數是非燒結制品的一個重要指標，反映試樣耐水性強弱。圖2和圖3分別為蒸壓溫度和保溫時間對試樣軟化系數的影響。

圖2　蒸壓溫度對試樣軟化系數的影響

圖3　保溫時間對試樣軟化系數影響

從圖2可知，試樣浸水后抗壓強度均降低，濕強變化趨勢與表2相似，但浸水后試樣的強度損失不同，其中蒸壓溫度為30～50℃或者150～170℃的試樣耐水性較好，軟化系數大于0.75，其中T160試樣的軟化系數達0.84?？赡苁怯捎谠撜魤簻囟认滤a物較穩(wěn)定，耐水性較好。

由圖3可知，試樣在蒸壓溫度為110℃的條件下，軟化系數先隨著保溫時間的延長而增大，保溫時間為6 h時軟化系數達到最大值0.79，繼續(xù)延長保溫時間，軟化系數下降至0.64，該結果說明盡管延長保溫時間對試樣抗壓影響不明顯，但適宜的保溫時間可提高試樣耐水性。

3.3XRD分析

不同蒸壓溫度和保溫時間下試樣的XRD圖譜分別見圖4和圖5。

圖4 不同蒸壓溫度下試樣的XRD圖譜

圖5　不同保溫時間下試樣的XRD圖譜

從圖4可知，T30試樣在30℃下蒸壓養(yǎng)護4 h后并未完全反應，經Jade軟件分析后發(fā)現該試樣中還存在原料礦物的衍射峰，如石英、熟石灰及葉蛇紋石等礦物。當蒸壓溫度升至70℃時，熟石灰及葉蛇紋石基本被消耗掉，水化產物主要為無定型態(tài)。當蒸壓溫度升高至90℃，出現了水石榴石及CSH等水化產物。當溫度提高到110℃，采用XRD定量分析可知，水化產物總量提高，且水石榴石逐漸減少，托勃莫來石、細結晶狀的CSH、纖硅鈣石數量增加，其中纖硅鈣石也是一種水化硅酸鈣，化學式為Ca5Si6O16（OH）2，水化產物數量增加是抗壓強度迅速提高的根本原因。蒸壓溫度升至170℃時，水化產物主要為CSH、托勃莫來石和硬硅鈣石。

從圖5可知，不同保溫時間試樣的水化產物種類基本不變，但各水化產物所占比例及結晶程度不同，保溫6 h時，水化產物中存在大量細結晶態(tài)的CSH、凝膠態(tài)CSH、托勃莫來石等，提高了顆粒間膠結力，特別是其中托勃莫來石具有較好的耐水性，從而使得試樣耐水性提高。

3.4SEM分析

圖6～圖10分別為T170、T110（t4）、T50、t2、t8試樣的SEM照片。

圖6　T170試樣的SEM照片

圖7　T110（t4）試樣的SEM照片

圖8　T50試樣的SEM照片

比較圖6（a）、圖7（a）和圖8（a）可知，T50試樣致密度最差，該結果與表2中試樣體積密度相匹配。T170試樣的主要水化產物為纖維網狀的CSH和層狀的托勃莫來石，孔隙分布均勻，網狀結構把顆粒緊密地膠結在一起，因此試樣抗壓強度高，耐水性好。T110（t4）試樣的水化產物形貌為層狀結構，其中層狀結構表面布滿了纖維狀結構水化物，顆粒間結合程度相較T170試樣差，因此抗壓強度低于T170試樣。T50試樣的水化產物形貌為小片板狀結構，水化物間孔隙大，未能將顆粒緊密連接在一起，其抗壓強度不到20 MPa。

圖9　t2試樣的SEM照片

圖10　t8試樣的SEM照片

比較圖7（a）、圖9（a）和圖10（a）可知，試樣的致密度基本一致。t2試樣的水化產物形貌為纖維柱狀結構和立方結構，其中纖維柱狀結構與t4試樣的結構相似，但完整程度較差，可能是由于保溫時間短，晶體未完全生長；后者為水石榴石，在蒸壓保溫2 h時大量存在，與張志杰等［7］描述的一致。t8試樣為層狀結構及網狀結構，與T170試樣類似，但顆粒包裹程度較T170試樣差，但總體而言，該網狀結構較板層狀結構和立方結構對顆粒的凝聚作用更大，因此t8試樣具有相對較高的抗壓強度。另外，在圖7和圖10中沒有出現立方結構，說明隨著保溫時間延長，該結構轉化為纖維狀或者板狀水化硅酸鈣。

4　結論

（1）在本試驗條件下，鎳渣基蒸壓材料在蒸壓溫度為30℃下保溫4 h（T30試樣），試樣的抗壓強度即可達18 MPa，蒸壓溫度110℃時的T110（t4）試樣的抗壓強度可達30.59 MPa，總體而言，在保溫時間一定的前提下，試樣抗壓強度隨著蒸壓溫度升高而增大。

（2）在蒸壓溫度為110℃的前提下，保溫時間為2～8 h時，試樣的抗壓強度變化不大。

（3）該體系具有較好的耐水性，試樣軟化系數均大于0.64，其中T160試樣軟化系數可達0.84，t6試樣可達0.79。

（4）該體系主要的水化產物為CSH、托勃莫來石、水石榴石等。試樣50℃下保溫4 h（T50試樣）的水化產物主要形貌為小片板狀結構，溫度升高至110℃（T110試樣）時，水化產物發(fā)展成相對完整的板狀結構，并出現了纖維狀水化物，溫度為170℃（T170試樣）時，水化產物主要為纖維網狀結構及層狀結構。試樣在110℃下保溫2 h（t2試樣）時，水化產物形貌主要為層柱狀結構和規(guī)則的立方結構，隨著保溫時間延長至8 h，水化產物轉變?yōu)榫o湊的層狀結構和網狀結構。

［1］吳其勝，光鑒淼，諸華軍，等.利用鎳渣制備加氣混凝土砌塊的研究［C］//中國硅酸鹽學會水泥分會.第五屆學術年會論文摘要集.柳州：2014.

［2］余濤，曹德光，劉文威，等.影響鎳渣蒸壓制品抗壓強度的因素研究［J］.新型建筑材料，2013（7）：56-58.

［3］ Yang Tao，Yao Xiao，Zhang Zuhua.Geopolymer prepared with high-magnesium nickel slag：Characterization of properties and microstructure［J］.Construction and Building Materials，2014，59 （5）：188-194.

［4］段光福，劉萬超，陳湘清，等.江西某紅土鎳礦冶煉爐渣作水泥混合材［J］.金屬礦山，2012（11）：159-162.

［5］李靜，曹德光，農榮，等.坯體制備條件對蒸壓紅土鎳渣材料抗壓強度的影響試驗研究［J］.新型建筑材料，2015（4）：11-13.

［6］Alaa Rashad，Sayieda Zeedan，Hassan A.A preliminary study of autoclaved alkali-activated slag blended with quartz powder［J］. Construction and Building Materials，2012，33：70-77.

［7］張志杰，柯昌君，劉平安，等.蒸壓反應水石榴石形成與轉變的分析表征及機理研究［J］.分析測試學報，2009，28（9）：1008-1011.

The effect of autoclave conditions on the compressive strength of autoclaved materials prepared with nickel residue

LI Jing1，CAO Deguang1，LIU Wenwei2
（1.College of Materials Science and Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，Guangxi，China；2.Guangxi Building Materials Science Research and Design Institute，Nanning 530004，Guangxi，China）

The basic formula is m（nickel residue）∶m（slaked lime）∶m（cement）=70∶15∶15，the samples'properties such as compressive strength and softening coefficient have been studied by strength test，XRD，SEM，et al.The results showed that the compressive strength of samples was about 18 MPa when autoclave temperature was 30℃ with 4 h；when autoclave temperature＞100℃，the compressive strength of sample can reach more than 30 MPa；in a word，the compressive strength was improved with the autoclave temperature increased.While prolonged autoclave holding time couldn't help the samples'compressive strength much because the strength is around 30 MPa even if the holding time prolong from 2 h to 8 h with an increment of 2 h.The main hydration products are CSH，tobermorite，xonotlite and so on.

nickel residue，autoclave temperature，holding time，compressive strength

TU52

A

1001-702X（2015）11-0069-05

廣西自然科學基金項目（2014GXNSFAA118291）

2015-08-14

李靜，女，1992年生，廣西全州人，碩士研究生。