鎳渣混凝土的研究進展

段可可 宋小園 董子健 萬穎 賈旭春 秦琳

【摘要】本文研究的鎳渣正是從原材料角度切入，拓寬了堿激發膠凝材料的原材料范圍。對比高爐礦渣和粉煤灰的化學組成，可以將高爐鎳渣定義為“中鈣”系統，這是一種全新的原料體系，而電爐鎳渣的化學組成雖然與粉煤灰類似，但各元素的相對含量也存在著明顯差異，另外利用鎳渣因此研究堿激發后的鎳渣高性能活性粉對膠凝材料的影響具有重要的科研意義。

【關鍵詞】鎳渣混凝土

目前，國內外在水泥替代材料的研究與應用方面已開展了大量的工作，其中快速冷卻的冶煉渣如水淬高爐渣、鋼渣、銅鎳渣和鋅渣等工業固體廢物，因其具有一定的膠凝性能和火山灰活性制備膠凝材料的潛力很大. 這些渣用于水泥的生產只需磨礦和加入少量的激發劑，與正常的硅酸鹽水泥的“兩磨一燒”相比，可節省大量的能源，從理論上來說，一般具有火山灰性或潛在的水硬性的硅酸鹽或硅鋁酸鹽類材料都可以用作堿激發膠凝材料的先導材料，與此同時，有不少研究嘗試用兩種及以上的復合材料作為堿激發膠凝材料的原材料，并且達到了優勢互補的目的。隨著現代化的發展，高樓建筑鱗次櫛比，建設所需要的原材料也達到空前的規模，許多廢棄材料也越來越多，廢棄材料重新利用既節約又環保。鎳渣即是指在冶煉金屬鎳過程中排放的一種工業廢渣，生產1 t鎳約排出6-10t鎳渣。利用鎳渣生產高性能活性粉，一旦實施不僅能夠大量消耗工業固體廢棄物，而且能夠大大降低砂石、石灰和水泥等基礎材料的消耗量。新型環保替代材料的開發和研制已變得刻不容緩，同時，粉體行業快速發展的剛性需求及綠色粉體產業鏈建設的迫切需要也要求我們進行新型綠色粉體材料的開發和研制。鎳渣高性能活性粉可有效提高混凝土的抗壓強度，降低混凝土的成本。同時對抑制堿骨料反應，降低水化熱，減少混凝土結構早期溫度裂縫，提高混凝土密實度， 提高抗滲和抗侵蝕能力有明顯效果。

1、鎳渣細度和摻量的變化對混凝土的影響

根據現有研究表明，在混凝土中加入鎳渣會對水泥顆粒的密度產生影響，水泥顆粒密度隨著鎳渣細度的增加而提高，但是水泥的顆粒密度隨著鎳渣摻量的增加而減少。而且隨著鎳渣細度的提高，累計水化放熱量逐漸增加。鎳渣的摻量并不是越大越好，隨著鎳渣摻量的增加，試樣膠砂抗壓強度降低，且鎳渣摻量越大，抗壓強度降低的幅度越大，抗折強度隨著鎳渣摻量的增加而降低，且鎳渣摻量越大，抗折強度降低的幅度越大，鎳渣細度的提高有利于試樣抗折強度的提升。膠凝材料在加入鎳渣后，會產生橄欖石、鎂黃長石、斜頑輝石等硅酸鹽礦物，這些礦物水化反應后形成礦物骨架，結構穩定而不發生膨脹。而且鎳渣細度會對水泥孔結構產生影響，細度較高的鎳渣能有效填充于硬化水泥漿體的微小孔隙中，同時，隨著鎳渣細度的提高，其比表面積增大，水化反應更充分。

2、鎳渣火山灰效應

越來越多的研究是在混凝土中加入鎳渣和一種輔助物質，例如超細硅灰，首先鎳渣和超細硅灰混摻在硅酸鹽水泥中，能改善鎳渣在硅酸鹽水泥中的潛在火山灰活性。隨著鎳渣和超細硅灰摻量的增加，各體系的放熱量越來越低，其主要原因是鎳渣與硅灰并不是具有一定膠凝性的物質，但鎳渣中含有一定量礦物成分，其中含有鈣質原料，這些鈣物質與硅灰中的硅物質發生火山灰反應，形成的水化產物對水泥強度的發展有一定的作用，使得各個體系的抗壓強度不至降低太多。并且隨著養護齡期的增長，孔徑變得越來越小，平均孔徑逐漸減小，兩組體系的機械性能提高與孔結構的改善存在一定關系。鎳渣與超細硅灰、熟料火山灰反應對孔結構的改善和孔隙率的降低有促進作用。

活性混合材超細硅灰和具有潛在火山灰活性的鎳渣混合摻入到硅酸鹽水泥中，可使體系的水化產物數量增多，水化程度提高，C-S-H 凝膠交織成致密的網狀結構，AFt 發展成體積較大的針狀結構，使得各體系的結構缺陷顯著降低，顯微結構致密。將低活性鎳渣摻入到硅酸鹽水泥材料中，并通過物理法激發鎳渣潛在的活性，在較好保持水泥基材料物理化學性能前提下，用鎳渣代替粉煤灰、火山灰和高爐礦渣等活性混合材，對于富硅鎂冶金鎳渣等工業廢渣在水泥行業中應用具有重要意義。

3、堿激發電爐鎳渣

目前，堿激發膠凝材料的原料主要包括天然火山灰、粉煤灰、偏高嶺土、礦渣、磷渣和鋼渣等，也有將這些原料混合后進行堿激發的，隨著研究的深入，被嘗試用進行堿激發的原材料也越來越多，尤其是工業廢渣。與此同時，有不少研究嘗試用兩種及以上的復合材料作為堿激發膠凝材料的原材料，并且達到了優勢互補的目的。高爐礦渣的堿激發原理早在 19 世紀 40 年代即被認識，但是有關這方面真正的研究始于 1960 年左右，期間許多研究者注意到堿性激發劑對不同來源礦渣水泥強度發展的選擇性.例如，Na2CO3特別適合于激發富含 C2MS 的渣，而 NaOH 對富含 C2AS 的渣更加有效.銅渣的膠凝性能隨 CaO 的含量增加而提高，當其 CaO 的質量分數達到 19% 時，在 NaOH 的激發下能夠顯示出很好的膠凝性能由此可以看出，有針對性地選擇激發劑，從而有效地激發特定冶煉渣的潛在活性，是利用冶煉渣制備膠凝材料的重要因素。堿激發材料一般具有更高的強度、密實度和更低的反應熱。許多實驗表明，電爐鎳渣存在一定的潛在活性，可以通過使用氫氧化鈉和水玻璃進行堿激發。氫氧化鈉和水玻璃激發電爐鎳渣只生成非晶態的凝膠，沒有晶態產物生成。氫氧化鈉激發電爐鎳渣生成的凝膠較水玻璃 激發生成的凝膠形貌更為致密，兩種凝膠中都含有鎂。氫氧化鈉激發電爐鎳渣前期反應較水玻璃激發電爐鎳渣更劇烈，而水玻璃激發電爐鎳渣的反應持續時間長于氫氧化鈉激發電爐鎳渣。

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