鎳渣基地聚物的制備及其性能研究

張漪穎，谷延霞，王恒

(1.河北農(nóng)業(yè)大學 城鄉(xiāng)建設(shè)學院，河北 保定 071000；2.河北農(nóng)業(yè)大學 理學院，河北 保定 071000)

0 前 言

鎳渣是一種工業(yè)固體廢棄物，來源于鎳鐵合金的冶煉過程。常規(guī)的采用堆置或者填埋等方式處理鎳渣，不僅占用土地，引起環(huán)境污染，還會污染地下水源[1-2]。鎳渣經(jīng)高溫熔融后急冷而得，含有較多的玻璃相，主要化學成分為SiO2、Fe2O3等，具有一定的膠凝活性。學者們對其資源化利用進行了研究。吳陽等[3]基于鎳渣中的氧化鐵含量高，利用鎳渣代替鐵粉制備硅酸鹽水泥，并發(fā)現(xiàn)適量摻入鎳渣不僅可改善生料的易燒性，還可提高硅酸鹽水泥的抗折強度。劉甜甜等[4]以鎳渣為主要原材料，復摻氧化鋁和氧化硅等氧化物，制備了堇青石陶瓷，并且發(fā)現(xiàn)即使原材料中不添加造孔劑，也可獲得存在大量孔洞的堇青石陶瓷。馮幀哲等[5]以鎳渣為原材料制備泡沫玻璃，研究了鎳渣摻量對泡沫玻璃氣孔率、密度和組成等的影響，結(jié)果表明，鎳渣摻量過高時，會導致氣孔率降低、密度增大，但鎳渣摻量對泡沫玻璃的組分及晶體種類無明顯影響。李靜等[6]和婁廣輝等[7]以鎳渣為主要原材料，經(jīng)過壓制成型和蒸壓養(yǎng)護等處理方式制備蒸壓磚，蒸壓磚的抗壓強度可達30 MPa 以上。

地聚物是一種新型綠色膠凝材料，具有制備工藝簡單、能耗較低、二氧化碳排放量少、且強度發(fā)展快等特點，受到了研究者的青睞[8-9]。本試驗以鎳渣為原材料，研究了激發(fā)劑種類和模數(shù)對鎳渣基地聚物性能的影響，探究鎳渣基地聚物的最佳制備條件。

1 試 驗

1.1 原材料

(1)鎳渣：福建省鎳冶煉廠，主要化學成分見表1，XRD 圖譜見圖1。

表1 鎳渣的主要化學成分 %

圖1 鎳渣的XRD 圖譜

由表1 和圖1 可見，鎳渣的主要化學成分為SiO2、MgO、Fe2O3、Al2O3、CaO，占總質(zhì)量分數(shù)的97.27%。鎳渣中的主要礦物為鎂橄欖石，此外，在2θ=8°和32°左右存在明顯的饅頭峰，說明鎳渣中還存在玻璃相。根據(jù)吳偉和謝剛[10]的研究，可采用質(zhì)量系數(shù)K 表征鎳渣的活性指數(shù)，計算方法如式(1)所示：

按照式(1)計算可知，本試驗中鎳渣的質(zhì)量系數(shù)K=0.42，說明該鎳渣雖然具有一定活性，但活性指數(shù)較低。因此，在制備鎳渣基地聚物時，配比中摻入了20%礦渣。

(2)激發(fā)劑：氫氧化鈉溶液、硅酸鈉溶液和硅酸鉀溶液，其中，硅酸鈉溶液由工業(yè)水玻璃與氫氧化鈉按比例混合調(diào)配而成，硅酸鉀溶液由工業(yè)水玻璃與氫氧化鉀按比例混合調(diào)配而成，模數(shù)均分別為 0.5、1.0、1.5、2.0，質(zhì)量分數(shù)均為 30%。

1.2 試樣制備與測試方法

根據(jù)GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》和JC/T 603—2004《水泥膠砂干縮試驗方法》進行試樣制備和性能測試，鎳渣基地聚物的成型配比見表2，激發(fā)劑模數(shù)(nSiO2∶nNa2O)為0～2.0，液固比均為0.5?？箟号c抗折強度試驗試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，干縮試驗試件尺寸為25 mm×25 mm×280 mm。

表2 鎳渣基地聚物的成型配比

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 抗壓強度

采用硅酸鈉溶液作為激發(fā)劑，研究激發(fā)劑模數(shù)對鎳渣基地聚物抗壓強度的影響，并與激發(fā)劑模數(shù)為0(以氫氧化鈉溶液為激發(fā)劑)的試樣進行對比，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 激發(fā)劑模數(shù)對鎳渣基地聚物抗壓強度的影響

由圖2 可見：

(1)在養(yǎng)護齡期相同條件下，隨著激發(fā)劑模數(shù)從0 增大至2.0，地聚物的抗壓強度均先提高后降低，當激發(fā)劑模數(shù)為1.0時抗壓強度達到最高。28 d 齡期時，NS-0、NS-0.5、NS-1.0、NS-1.5 和 NS-2.0 的抗壓強度分別為 10.1、17.7、23.2、21.1、17.3 MPa。

(2)在激發(fā)劑模數(shù)相同條件下，隨著養(yǎng)護齡期的延長，地聚物的抗壓強度均逐漸提高。

(3)對比試樣NS-0 和NS-1.0 各齡期的抗壓強度可知，隨齡期的延長，試樣NS-0 的抗壓強度增幅先增大后減??；試樣NS-1.0 的抗壓強度增幅早齡期較大，然后逐漸減小。表明以硅酸鈉溶液為激發(fā)劑時(NS-1.0)，試樣的早期強度增長率較大，而后趨于穩(wěn)定，而當以氫氧化鈉溶液作為激發(fā)劑時(NS-0)，試樣的早期強度增長率比試樣NS-1.0 緩慢，但后期抗壓強度還會持續(xù)增大。

分別以氫氧化鈉溶液、硅酸鈉溶液和硅酸鉀溶液為激發(fā)劑，研究激發(fā)劑種類對鎳渣基地聚物抗壓強度的影響，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 激發(fā)劑種類對鎳渣基地聚物抗壓強度的影響

由圖 3 可知，28 d 齡期時，試樣 NS-0-Na、NS-1.0-Na 和NS-1.0-K 的抗壓強度分別為 10.1、23.2、23.9 MPa；對比 3 組試樣的抗壓強度可知，以氫氧化鈉作為激發(fā)劑時，抗壓強度發(fā)展最慢，抗壓強度最低；以硅酸鈉溶液或者硅酸鉀溶液作為激發(fā)劑時，2 組試樣的抗壓強度相當，說明無論采用鈉基激發(fā)劑還是鉀基激發(fā)劑，對于鎳渣基地聚物的抗壓強度發(fā)展影響較小。陸薈等[11]在研究激發(fā)劑種類對地聚物抗壓強度的影響時也發(fā)現(xiàn)，在氧化鈉含量一定時，采用氫氧化鈉作為激發(fā)劑制備的地聚物抗壓強度比采用硅酸鈉溶液作為激發(fā)劑制備的地聚物抗壓強度低。這是因為相同液固比條件下，雖然氫氧化鈉溶液和硅酸鈉溶液中的氧化鈉含量一樣，但是硅酸鈉溶液中還存在硅酸根離子，因此采用硅酸鈉溶液作為激發(fā)劑時，地聚物的抗壓強度更高。

2.2 抗折強度

采用硅酸鈉溶液作為激發(fā)劑，研究激發(fā)劑模數(shù)對鎳渣基地聚物抗折強度的影響，并與激發(fā)劑模數(shù)為0(以氫氧化鈉溶液為激發(fā)劑)的試樣進行對比，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 激發(fā)劑模數(shù)對鎳渣基地聚物抗折強度的影響

由圖4 可見：3 d 齡期時，試樣的抗折強度為1 MPa 左右，激發(fā)劑模數(shù)對地聚物的3 d 抗折強度影響較小。7～28 d 齡期時，隨著激發(fā)劑模數(shù)從0 增大至1.0，試樣的抗折強度急劇提高，7 d 抗折強度從 1.2 MPa 提高至3.5 MPa，28 d 抗折強度從1.7 MPa 提高至4.9 MPa；隨著激發(fā)劑模數(shù)從1.0 增大至2.0，試樣的抗折強度逐漸降低，7 d 抗折強度從3.5 MPa 降低至3.3 MPa，28 d 抗折強度從 4.9 MPa 降低至 3.7 MPa?？傮w而言，相同齡期下，隨著激發(fā)劑模數(shù)增大，試樣的抗折強度先提高后降低，與抗壓強度的變化規(guī)律相同。

分別以氫氧化鈉溶液、硅酸鈉溶液和硅酸鉀溶液為激發(fā)劑，研究激發(fā)劑種類對鎳渣基地聚物抗折強度的影響，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 激發(fā)劑種類對鎳渣基地聚物抗折強度的影響

由圖 5 可知，試樣 NS-0-Na、NS-1.0-Na 和 NS-1.0-K 的3 d 抗折強度分別為 0.5、1.5、1.7 MPa，7 d 抗折強度分別為1.2、3.5、3.6 MPa，28 d 抗折強度分別為 1.7、4.9、4.9 MPa。對比可知，采用氫氧化鈉作為激發(fā)劑時，試樣的抗折強度最低，而采用硅酸鈉溶液和硅酸鉀溶液作為激發(fā)劑時，試樣的抗折強度相當，該結(jié)果與抗壓強度的規(guī)律一致。實際工程中，膠凝材料往往需要較快獲得較高的強度，因此綜合上述結(jié)果可知，制備鎳渣基地聚物時，宜使用硅酸鈉溶液或者硅酸鉀溶液作為激發(fā)劑，最佳模數(shù)為1.0。

2.3 干燥收縮

采用硅酸鈉溶液作為激發(fā)劑，研究激發(fā)劑模數(shù)對鎳渣基地聚物干燥收縮的影響，并與激發(fā)劑模數(shù)為0(以氫氧化鈉溶液為激發(fā)劑)的試樣進行對比，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 激發(fā)劑模數(shù)對鎳渣基地聚物干燥收縮的影響

由圖6 可見：對于同一試樣，鎳渣基地聚物的前7 d 干燥收縮急劇增大，而后趨于平緩；齡期相同時，隨著模數(shù)增大，試樣的干燥收縮也逐漸增大，以試樣NS-0 的28 d 干燥收縮值為基準(0.65 mm/m)，試樣 NS-0.5、NS-1.0、NS-1.5、NS-2.0 的28 d 干燥收縮值分別是 NS-0 的 2.72、2.88、2.97、3.25 倍，說明當激發(fā)劑中存在大量硅酸根離子時，鎳渣基地聚物的干燥收縮急劇增大。王桂生[12]在研究激發(fā)劑模數(shù)對礦渣-粉煤灰基地聚物的干燥收縮影響時也發(fā)現(xiàn)，激發(fā)劑模數(shù)越大，帶入的硅酸根離子越多，干燥收縮也越大，與本文的試驗結(jié)果一致。

分別以氫氧化鈉溶液、硅酸鈉溶液和硅酸鉀溶液為激發(fā)劑，研究激發(fā)劑種類對鎳渣基地聚物干燥收縮的影響，結(jié)果如圖7 所示。

圖7 激發(fā)劑種類對鎳渣基地聚物干燥收縮的影響

由圖 7 可見，試樣 NS-0-Na、NS-1.0-Na 和 NS-1.0-K 的28 d 干燥收縮值分別為 0.65、1.87、1.92 mm/m，采用氫氧化鈉溶液作為激發(fā)劑時，試樣的干燥收縮最小，而采用硅酸鈉溶液或者硅酸鉀溶液作為激發(fā)劑時，試樣的干燥收縮較大。根據(jù)文獻[8，12]可知，采用氫氧化鈉作為激發(fā)劑時，由于激發(fā)劑中不存在干燥收縮較大的硅凝膠，因此試樣NS-0-Na 的干燥收縮較小，而對于試樣NS-1.0-Na 和NS-1.0-K，激發(fā)劑模數(shù)都為1.0，帶入的硅酸根離子數(shù)量一樣，因此二者的干燥收縮值相近。

綜上可知，以鎳渣作為主要原材料制備鎳渣基地聚物時，其28 d 抗壓、抗折強度最高分別達到23.9、4.9 MPa，說明采用堿激發(fā)技術(shù)可成功制備鎳渣基地聚物。同時，采用水玻璃作為激發(fā)劑時，鎳渣基地聚物的抗壓強度和抗折強度都比較高，但是干燥收縮值也比較大，而采用氫氧化鈉作為激發(fā)劑時，鎳渣基地聚物的干燥收縮比較小，但強度發(fā)展緩慢。因此，如需實現(xiàn)鎳渣基地聚物在實際工程中應用，還需克服鎳渣基地聚物干燥收縮較大的問題。

3 結(jié) 論

(1)隨著激發(fā)劑模數(shù)增大，鎳渣基地聚物的抗壓和抗折強度都先提高后降低，最佳模數(shù)為1.0，試樣NS-1.0-Na 的28 d抗壓、抗折強度分別為23.2、4.9 MPa。

(2)對于同一試樣，鎳渣基地聚物的前7 d 干燥收縮急劇增大，而后趨于平緩；齡期相同時，隨著模數(shù)增大，試樣的干燥收縮也逐漸增大。

(3)采用氫氧化鈉溶液作為激發(fā)劑時，鎳渣基地聚物的抗壓和抗折強度發(fā)展最慢，但強度會隨著養(yǎng)護齡期延長持續(xù)提高，同時干燥收縮最小，試樣NS-0-Na 的28 d 干燥收縮值為0.65 mm/m；采用硅酸鈉溶液或者硅酸鉀溶液作為激發(fā)劑時，鎳渣基地聚物的抗壓和抗折強度前期發(fā)展速度較快，但后期增長幅度降低，同時，NS-1.0-Na 和NS-1.0-K 的干燥收縮都比NS-0-Na 大。