論堿激發劑和礦渣對石粉-鎳渣聚合物砂漿性能的影響

毛文宮

(福建省凱景投資集團有限公司 福建福州 350002)

0 引言

我國冶金產業每年產生約4.5億噸固體廢棄物，其中礦渣、鋼渣、赤泥和鎳渣為四大冶煉工業廢渣。冶金廢渣無論是堆放處置或填埋處置，其中的有害重金屬成分都會對周圍的土壤和地下水造成污染，嚴重影響周圍環境。若能有效利用這些冶金廢渣，將其轉化為水泥膠凝材料，一方面可以使工業廢棄物無害化、資源化，有效改善周圍環境；另一方面可降低水泥生產環節的二氧化碳排放量，有效降低溫室效應，具有顯著的綠色生態效益和社會意義。

1 原材料

原材料包括鎳渣、礦渣、石粉、NaOH、無水Na2CO3、無水Na2SiO3、標準砂、自來水等。

礦渣采用山西礦業有限公司的S95級礦渣，其化學組成成分如表1所示。

鎳渣采用福建源鑫環保科技集團有限公司的水淬鎳渣，其化學組成成分(表1)。

石粉取自花崗巖石材加工廠。

試驗采用的固體堿激發劑分別為粉狀無水Na2SiO3，Na2SiO3含量大于99%，模數=1；NaOH為分析純，NaOH含量大于97.0%；無水Na2CO3為分析純，Na2CO3含量大于99.9%。

標準砂購自廈門艾思歐標準砂有限公司。

表1 礦渣和鎳渣的化學成分

2 試驗方法

2.1 力學性能

石粉-鎳渣聚合物砂漿抗壓強度強度實驗，按照水泥膠砂強度檢驗方法(GB/T17671-2011)中的規定，每組配合比制作3組試件，在實驗室靜置1 d后拆模，然后放置于標準養護室中，至齡期28 d后測定其抗壓強度。

2.2 孔結構測定

采用壓汞測孔法測定石粉-鎳渣聚合物凈漿水化產物的孔結構變化規律。根據表2的配合比，配置相應的凈漿產品，標準條件養護至28 d齡期。取5 mm的硬化凈漿碎片進行真空干燥后，對其進行孔徑孔隙率的測定。

3 試驗配合比

各組石粉-鎳渣聚合物砂漿的膠砂比為1∶3，水膠比均為0.35。摻入3種堿激發劑，分別編號為NS試件組(單摻Na2SiO3)、NH試件組(單摻NaOH)和NSC試件組(復摻Na2SiO3和Na2CO3)，摻入礦渣的試件組編號為NSC2-S。各組試件的具體配合比如表2所示。

表2 鎳渣聚合物砂漿配合比

4 結果和討論

4.1 堿激發劑對石粉-鎳渣聚合物砂漿抗壓強度的影響

從圖1中可以看出，NS組和NSC組堿激發劑可較好地激發鎳渣的強度，試件28 d抗壓強度最高可達19.2 MPa和25.5 MPa,NH組堿激發劑對鎳渣的強度激發作用較差,試件28 d抗壓強度最高值僅為6.5 MPa。對比7 d和28 d強度值，NS組和NH組試件表現出早強的特征，NS組7 d的抗壓強度為28d抗壓強度的55%～68%，NH組7 d的抗壓強度為28 d抗壓強度的64%～69%，NSC組7 d的抗壓強度僅為28 d抗壓強度的29%～38%。

圖1 堿激發劑對石粉-鎳渣聚合物砂漿抗壓強度影響

圖2 礦渣摻量對石粉-鎳渣聚合物砂漿抗壓強度影響

4.2 礦渣摻量對石粉-鎳渣聚合物砂漿抗壓強度的影響

從圖2可以看出，少量礦渣的摻入，即可有效提高試件的早齡期抗壓強度相對值。礦渣摻量為10%時，試件7d的抗壓強度已達28 d抗壓強度的52%，隨著礦渣摻量增加為20%、30%和40%時，試件7 d的抗壓強度分別為28 d抗壓強度的62%、58%和59%，早齡期抗壓強度相對值未見大幅度提高。

礦渣的摻入，可提高鎳渣聚合物砂漿7 d和28 d的抗壓強度。礦渣摻量越大，試件抗壓強度提高越多。當礦渣摻量為小于30%時，試件7 d和28 d的抗壓強度增長較快；當礦渣摻量超過30%時，試件的抗壓強度增長幅度明顯放緩。

綜上分析，摻入適量的礦渣，可有效提高鎳渣聚合物砂漿的7 d和28 d的抗壓強度。

4.3 礦渣對石粉-鎳渣聚合物凈漿孔結構的影響

根據孔隙直徑的大小，可將硬化漿體內部的孔分為四類：無害孔(<20 nm)、少害孔(20 nm～100 nm)、有害孔(100 nm～200 nm)和多害孔(>200 nm)[6]。孔隙直徑越小，對漿體結構的強度影響越小，甚至沒有影響。如果硬化漿體中存在有害孔和多害孔的數量過多，硬化漿體的強度就越小[7]。

圖3是28 d齡期時，摻30%礦渣NSC2-S30試件組，以及未摻礦渣的NSC2試件組硬化凈漿內的孔徑孔隙率分布情況。NSC2試件組硬化凈漿內的總孔隙率約為40%，其中有害孔、多害孔和少害孔約占1/2，無害孔占1/2。摻入30%的礦渣后，NSC2-S30試件組硬化漿體內的孔隙數量明顯下降，總孔隙率不到10%，其中有害孔、多害孔和少害孔約占1/3，無害孔占2/3，硬化漿體內部結構更為密實。

圖3 礦渣對石粉-鎳渣聚合物凈漿孔徑孔隙率的影響

5 結論

石粉-鎳渣聚合物砂漿具有早強特性。在石粉-鎳渣混合粉體中單摻Na2SiO3，或復摻Na2SiO3和Na2CO3的聚合物砂漿，可獲得較高的抗壓強度，單摻NaOH的聚合物砂漿抗壓強度較低。

在堿激發石粉-鎳渣地聚物漿體中摻入適量的礦渣，可有效降低硬化漿體內的總孔隙數量，降低有害孔、多害孔和少害孔的比例，提高無害孔的比例，硬化漿體內部結構更為密實，獲得較高的抗壓強度值。