鎳渣基地聚物的制備及其性能研究

張漪穎，谷延霞，王恒

(1.河北農業大學 城鄉建設學院，河北 保定 071000；2.河北農業大學 理學院，河北 保定 071000)

0 前 言

鎳渣是一種工業固體廢棄物，來源于鎳鐵合金的冶煉過程。常規的采用堆置或者填埋等方式處理鎳渣，不僅占用土地，引起環境污染，還會污染地下水源[1-2]。鎳渣經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，并發現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，并且發現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，經過壓制成型和蒸壓養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，研究了激發劑種類和模數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，占總質量分數的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。根據吳偉和謝剛[10]的研究，可采用質量系數K 表征鎳渣的活性指數，計算方法如式(1)所示：

按照式(1)計算可知，本試驗中鎳渣的質量系數K=0.42，說明該鎳渣雖然具有一定活性，但活性指數較低。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，硅酸鈉溶液由工業水玻璃與氫氧化鈉按比例混合調配而成，硅酸鉀溶液由工業水玻璃與氫氧化鉀按比例混合調配而成，模數均分別為 0.5、1.0、1.5、2.0，質量分數均為 30%。

1.2 試樣制備與測試方法

根據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，激發劑模數(nSiO2∶nNa2O)為0～2.0，液固比均為0.5。抗壓與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 試驗結果與分析

2.1 抗壓強度

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

圖2 激發劑模數對鎳渣基地聚物抗壓強度的影響

由圖2 可見：

(1)在養護齡期相同條件下，隨著激發劑模數從0 增大至2.0，地聚物的抗壓強度均先提高后降低，當激發劑模數為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)在激發劑模數相同條件下，隨著養護齡期的延長，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小；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劑時(NS-1.0)，試樣的早期強度增長率較大，而后趨于穩定，而當以氫氧化鈉溶液作為激發劑時(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劑，研究激發劑種類對鎳渣基地聚物抗壓強度的影響，結果如圖3 所示。

圖3 激發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劑時，抗壓強度發展最慢，抗壓強度最低；以硅酸鈉溶液或者硅酸鉀溶液作為激發劑時，2 組試樣的抗壓強度相當，說明無論采用鈉基激發劑還是鉀基激發劑，對于鎳渣基地聚物的抗壓強度發展影響較小。陸薈等[11]在研究激發劑種類對地聚物抗壓強度的影響時也發現，在氧化鈉含量一定時，采用氫氧化鈉作為激發劑制備的地聚物抗壓強度比采用硅酸鈉溶液作為激發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劑，研究激發劑模數對鎳渣基地聚物抗折強度的影響，并與激發劑模數為0(以氫氧化鈉溶液為激發劑)的試樣進行對比，結果如圖4 所示。

圖4 激發劑模數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，激發劑模數對地聚物的3 d 抗折強度影響較小。7～28 d 齡期時，隨著激發劑模數從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；隨著激發劑模數從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。總體而言，相同齡期下，隨著激發劑模數增大，試樣的抗折強度先提高后降低，與抗壓強度的變化規律相同。

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

圖5 激發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劑時，試樣的抗折強度相當，該結果與抗壓強度的規律一致。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劑，最佳模數為1.0。

2.3 干燥收縮

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

圖6 激發劑模數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]在研究激發劑模數對礦渣-粉煤灰基地聚物的干燥收縮影響時也發現，激發劑模數越大，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劑，研究激發劑種類對鎳渣基地聚物干燥收縮的影響，結果如圖7 所示。

圖7 激發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劑時，試樣的干燥收縮較大。根據文獻[8，12]可知，采用氫氧化鈉作為激發劑時，由于激發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，激發劑模數都為1.0，帶入的硅酸根離子數量一樣，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，說明采用堿激發技術可成功制備鎳渣基地聚物。同時，采用水玻璃作為激發劑時，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劑時，鎳渣基地聚物的干燥收縮比較小，但強度發展緩慢。因此，如需實現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 論

(1)隨著激發劑模數增大，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劑時，鎳渣基地聚物的抗壓和抗折強度發展最慢，但強度會隨著養護齡期延長持續提高，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劑時，鎳渣基地聚物的抗壓和抗折強度前期發展速度較快，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。