摻高鎂鎳渣的硅酸鹽水泥力學性能和微觀結構研究

董堯韡 李 偉

（1.山西建筑職業技術學院，山西 太原 030619；2.太原理工大學建筑與土木工程學院，山西 太原 030024）

高鎂鎳渣是鎳鐵冶煉過程中常見的固體廢棄物，排放量巨大［1］。由于缺少高效、成熟的處理技術，高鎂鎳渣的資源化利用率較低，大量的高鎂鎳渣露天堆放，對自然環境及人類生命健康造成一定的威脅，尋找高鎂鎳渣新的應用途徑以提高其綜合利用率已成為目前的研究熱點之一［2-4］。

高鎂鎳渣中的礦物相多以玻璃態存在，因而具有潛在的火山灰效應，可用作水泥混合料使用［5］。季韜等［6］探究了粉煤灰、礦渣的引入與堿激發鎳渣基膠凝材料流變性發展的關系，研究發現，與粉煤灰相比，礦渣的摻入增加了鎳渣基膠凝材料的標準稠度用水量，延長了其凝結時間，降低了其流動度；WANG等［7］開展了含高鎂鎳渣粉的磷酸鉀鎂水泥性能試驗研究，結果顯示，高鎂鎳渣的摻入改善了堿組分粉體級配，磷酸鉀鎂水泥漿體的流變性、體積穩定性得以優化，同時，由于高鎂鎳渣的微集料效應和玻璃態礦物相，使水泥硬化體更為致密，力學性能隨之提高；張立力等［8］研究了高鎂鎳渣-磷石膏基膠凝材料對鹽漬土的固化和改良效果，研究發現，隨著高鎂鎳渣摻入量的增加，固化體各齡期飽水的水穩系數明顯提高，經15次凍融循環后依然保持較好的完整性，膠凝材料改良后的鹽漬土pH值降低，固化體理化性能得以改善；李浩等［9］研究了高鎂鎳渣對混凝土耐磨性能的影響，結果表明，單摻40%的鎳渣砂，混凝土的耐磨性能較好，同時發現，當鎳渣粉、粉煤灰與鎳渣砂三元復合摻入時，混凝土的耐磨性能得到進一步改善。結合國內外的研究，不難發現，高鎂鎳渣在水泥基材料中表現出一定的應用潛力。

現有關于高鎂鎳渣在硅酸鹽水泥中應用的研究多集中在鎳渣對水泥強度、耐磨性等物理性能及微觀形貌方面的影響，而鎳渣對水泥硬化體其他微觀性能尤其是孔結構發展的研究還未見報道。因此，關于高鎂鎳渣原料理化特性、高鎂鎳渣/水泥漿體基礎性能及微觀性能的全面研究值得關注?；诖?，本試驗開展了高鎂鎳渣/硅酸鹽水泥的研究，探究了高鎂鎳渣摻量對水泥漿體凝結時間及硬化體力學性能的影響，結合XRD、SEM研究了高鎂鎳渣摻量對硬化體的物相組成、微觀形貌的影響，通過比表面積分析儀分析了高鎂鎳渣的摻入與硬化體孔結構發展的關系。該研究對高鎂鎳渣在水泥基材料中的應用、推廣具有一定的參考價值。

1 試驗原料、試樣制備及方法

1.1 試驗原料

高鎂鎳渣取自廣西欽州某冶煉廠，其比表面積為465 m2/kg；水泥為海螺牌P·O 42.5級普通硅酸鹽水泥。高鎂鎳渣和水泥的化學組成分析結果見表1。

圖1和圖2分別為高鎂鎳渣的粒度分布曲線及XRD譜圖。

由圖1及圖2可知，高鎂鎳渣的平均粒徑為35.38μm，主要礦物有鎂橄欖石、鎂鐵榴石以及少量的斜頑輝石。

1.2 試樣制備及性能測試

水泥/高鎂鎳渣試件的配合比設計如表2所示，按照表2所設計的配合比準確稱取原料，在0.40的恒定液固比條件下制備水泥凈漿漿體，將攪拌好的漿體倒入尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的三聯模中，經振動臺振動密實后放入標準養護室中養護24 h后脫模，試件脫膜后置于標準養護室中進一步養護，養護至7 d、28 d齡期后取出進行力學性能測試。

參照《水泥標準用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》（GB/T 1346—2011），使用維卡儀對新攪拌的水泥漿體進行凝結時間測試。抗壓、抗折強度的測試參照《水泥膠砂強度檢驗方法》（GB/T 17671—2011）進行。通過X射線衍射儀測定養護28 d試樣的物相組成，采用比表面積測定儀確定養護28 d試樣的孔結構，利用掃描電子顯微鏡觀察養護28 d試樣的形貌特征。

2 試驗結果與討論

2.1 高鎂鎳渣摻量對水泥凝結時間的影響

圖3為水泥漿體凝結時間與高鎂鎳渣摻量之間的關系。

由圖3可知：①純硅酸鹽水泥漿體的初凝、終凝時間分別為62 min、185 min。②隨著高鎂鎳渣摻量的增加，鎳渣/水泥漿體的初凝、終凝時間先增大后減?。划敻哝V鎳渣摻量為30%時，漿體的初終凝時間最長，分別為103 min、314 min，相比未添加高鎂鎳渣時分別延長了66.13%、69.73%。與硅酸鹽水泥相比，高鎂鎳渣較低的活性延緩了水泥的水化進程以及水化產物生成，凝結時間隨之增長。③隨著高鎂鎳渣摻量的進一步增加，鎳渣微顆粒潛在的分散效應及其礦物相減水作用明顯強化［10］，水泥熟料顆粒與水之間的接觸更加充分，從而加速了硅酸鹽水泥的水化，凝結時間隨之縮短。④在30%高鎂鎳渣的摻入情況下，水泥漿體的初終凝時間仍然能滿足《GB 175—92》和《GB 1344—92》國家標準對硅酸鹽水泥凝結時間技術指標的要求，即水泥的最大終凝時間不得遲于390 min。

2.2 高鎂鎳渣摻量對硬化體力學性能的影響

圖4為不同高鎂鎳渣摻量的硬化體養護7 d、28 d的抗壓強度、抗折強度。

由圖4（a）可知，空白組純硅酸鹽水泥養護7 d、28 d的抗壓強度分別為33.5 MPa、45.2 MPa；隨著高鎂鎳渣的摻入，各齡期硬化體抗壓強度先增大后減小，當高鎂鎳渣摻量為20%時，硬化體7 d、28 d抗壓強度分別為39.4 MPa、52.8 MPa，比空白組分別高出17.61%、16.82%。由圖4（b）可知，各齡期硬化體的抗折強度的發展規律與其抗壓強度的發展規律類似，空白組純硅酸鹽水泥7 d、28 d抗折強度分別為5.6 MPa、7.6 MPa；高鎂鎳渣摻量為20%時的試樣養護7 d、28 d后抗折強度分別達到6.5 MPa、8.2 MPa，與空白組相比，分別提高了16.07%、7.89%。

從高鎂鎳渣對硬化體力學性能發展的影響來看，適量高鎂鎳渣的摻入有利于其力學性能的提升，抗壓強度、抗折強度均獲得不同程度的提高，這主要與高鎂鎳渣與水化產物間的二次水化以及高鎂鎳渣微顆粒潛在的填充效應有關［5，11-12］。基于力學性能的發展規律，高鎂鎳渣的適宜摻量為20%。

3 物相與微觀結構分析

3.1 物相組成分析

圖5為養護28 d不同高鎂鎳渣摻量硬化體的XRD圖譜。

由圖5可知：①鎳渣/水泥硬化體的主要物相包括硅鈣石、方解石、石英、鎂橄欖石、鎂鐵榴石和水化氫氧化鈣；純硅酸鹽水泥硬化體中幾乎不存在鎂橄欖石、鎂鐵榴石相。②隨著高鎂鎳渣摻量的增加，鎂橄欖石、鎂鐵榴石相衍射峰強度明顯增強；與未添加高鎂鎳渣時相比，水化氫氧化鈣的衍射峰強度僅僅在45°～50°處出現減弱，表明高鎂鎳渣的摻入對水化程度有一定的影響；硅鈣石衍射峰強度的增強可能與水化產物與高鎂鎳渣之間的二次水化有關。X射線衍射分析結果表明，高鎂鎳渣的摻入對水泥漿體本身的水化進程有一定影響，從而影響硬化體微觀結構的致密性，力學性能隨之變化。

3.2 微觀形貌分析

圖6（a）為養護28 d的試樣1斷面的SEM照片，圖6（b）、6（c）分別為養護28 d的試樣3、試樣5斷面的SEM照片。

由圖6（a）可知，在試樣1的斷面中，可以觀察到明顯的針狀水化產物及片狀產物，結合X射線衍射圖譜分析，片狀產物主要為水化生成的氫氧化鈣。由圖6（b）可知，摻入20%的高鎂鎳渣，試樣3的針狀、片狀明顯減少，密實性提高，這可能是由于未完全反應的高鎂鎳渣顆粒填充在水化產物之間所致。由圖6（c）可知，摻入過量的高鎂鎳渣，硬化體斷面的密實性下降明顯，產生了較多的孔隙、微裂紋，不利于力學性能的發展?？紤]到高鎂鎳渣本身較低的反應活性，過量的高鎂鎳渣摻入時，高鎂鎳渣/水泥漿體的水化反應緩慢，較多的高鎂鎳渣微顆粒未填充在孔隙間而是被水化產物包裹，一定程度上延緩了水化凝膠的形成，從而對微觀結構的密實性造成不利影響，綜合來看，在此研究體系中高鎂鎳渣的用量不宜超過20%。

3.3 孔結構分析

圖7為養護28 d的試樣1、試樣3及試樣5的孔體積分布圖。

由圖7可知，試樣3中微孔（10～100 nm）的孔體積明顯低于空白組，而試樣5中微孔的孔體積明顯高于空白組。這是由于高鎂鎳渣中微顆粒的填充作用，試樣孔徑的細化促進了微觀結構的密實化；而當高鎂鎳渣摻量超過20%時，由于其自身較低的活性，延緩了水化進程，凝膠相生產量亦受到影響，微孔的孔體積含量增加。綜合來看，適量摻入高鎂鎳渣能夠有效地改善硬化水泥體的微觀結構，過量的高鎂鎳渣對水泥性能的發展產生負面影響，將高鎂鎳渣應用于硅酸鹽水泥應慎重考慮其用量。

4 結 論

（1）高鎂鎳渣的摻入，延緩了漿體的凝結時間；在摻入30%高鎂鎳渣的情況下，高鎂鎳渣/水泥硬化體的初凝和終凝時間分別為103 min、314 min，相比未添加高鎂鎳渣時分別延長了66.13%、69.73%。

（2）隨著高鎂鎳渣的摻入，各齡期硬化體抗壓強度先增大后減小；當高鎂鎳渣摻量為20%時，硬化體7 d、28 d抗壓強度分別為39.4 MPa、52.8 MPa，比空白組分別高出17.61%、16.82%。隨著高鎂鎳渣的摻入，各齡期硬化體抗折強度先增大后減小；當高鎂鎳渣摻量為20%時，硬化體7 d、28 d抗折強度分別達到6.5 MPa、8.2 MPa，與空白組相比，分別提高16.07%、7.89%。

（3）X射線衍射分析表明，高鎂鎳渣的摻入促進了二次水化的發生；掃描電子顯微照片反映了高鎂鎳渣對硬化體微觀結構密實化的優化作用；孔結構分析證明了高鎂鎳渣微顆粒的填充作用，細化了孔隙。

（4）從綜合硬化體7 d、28 d力學性能的發展、水化產物的組成、微觀形貌以及孔分布情況來看，高鎂鎳渣的適宜摻量為20%，在此摻量下，硬化體力學性能最優，微觀結構密實程度最佳。