蒸压条件对镍渣基蒸压材料抗压强度的影响试验

李静，曹德光，刘文威

（1.广西大学 材料科学与工程学院，广西 南宁　530004；2.广西建筑材料科学研究设计院，广西 南宁　530004）

蒸压条件对镍渣基蒸压材料抗压强度的影响试验

李静1，曹德光1，刘文威2

（1.广西大学 材料科学与工程学院，广西 南宁530004；2.广西建筑材料科学研究设计院，广西 南宁530004）

以m（镍渣）∶m（熟石灰）∶m（水泥）=70∶15∶15为基础配方，通过强度试验、XRD、SEM等研究分析了蒸压温度、保温时间对试样抗压强度、软化系数等性能的影响。结果表明：该体系在蒸压温度为30℃下保温4 h，试样抗压强度即可达到18 MPa左右；蒸压温度＞100℃时，试样抗压强度可达30MPa以上；总体而言，试样抗压强度随着蒸压温度升高而提高。试样在110℃下保温2h、4h、6h、8h，抗压强度都在30MPa左右浮动，延长保温时间使试样的抗压强度略有提高。该体系主要水化物为CSH、托勃莫来石、硬硅钙石等。

镍渣；蒸压温度；保温时间；抗压强度

随着红土镍矿消耗量越来越大，采用酸浸法工艺提取镍产生的红土镍渣堆置数量也日益增大，若不及时综合利用将对土壤、地下水等环境造成严重污染［1］。余涛等［2］研究了影响镍渣蒸压制品性能的因素，Yang Tao等［3］探究了以镍渣制备地聚物的可行性及适宜条件，段光福等［4］探索了将镍渣磨细后作为水泥混合材使用时对水泥性能的影响。但这些研究针对的都是火法冶金工艺提取镍所留下的残留物，其形貌、结构特征等与红土酸浸镍渣存在较大区别。基于红土镍渣含大量硅质材料，因此本文采用蒸压法综合利用该镍渣。

蒸压条件不仅对蒸压材料性能影响较大，还与生产成本有直接联系。因此，基于之前的研究［5］，选取m（镍渣）∶m（熟石灰）∶m（水泥）=70∶15∶15作为基础配方，探究不同蒸压条件下，试样抗压强度、软化系数等的变化趋势，为该类蒸压材料产业化提供生产依据。

1　试验原材料

本试验中的镍渣来自某酸浸法提镍厂，熟石灰为生石灰经熟化所得，水泥为P·Ⅰ52.5硅酸盐水泥。所有粗颗粒原料经烘干后粉磨，粉磨后颗粒粒径＜0.2 mm。表1为镍渣的主要化学成分，其中主要氧化物为SiO2、MgO和Fe2O3。

表1　镍渣的主要化学成分　%

镍渣、水泥和熟石灰的XRD图谱如图1所示。

图1　镍渣、水泥、熟石灰的XRD图谱

从图1可以看出，镍渣中存在大量玻璃态物质，主要矿物为石英和叶蛇纹石；水泥中主要矿物为A矿和B矿；熟石灰主要成分为氢氧化钙，有效成分达90%以上。

2　试验方法

（1）将镍渣、水泥和熟石灰按质量比70∶15∶15混合均匀；（2）每100 g混合料中加入20 g水并搅拌均匀；（3）称取10 g搅拌均匀的物料放入内径为Φ20 mm模具中，在成型压力为20 MPa下压制成型，坯体尺寸约为Φ20 mm×20 mm；（4）将坯体放入蒸压釜内进行蒸压养护。

其中，探究蒸压温度对试样抗压强度影响时，蒸压温度为30～180℃，蒸压保温时间为4 h，自然冷却；探究保温时间对试样抗压强度影响时，蒸压温度为110℃，保温时间分别为2、4、6和8 h，自然冷却，具体试验设计如表2所示。

所有试样蒸压养护结束后都放入烘箱于45℃烘干，然后进行抗压强度、XRD（铜靶）及SEM等测试分析。软化系数按照GB/T 2542—2012《砌墙砖试验方法》进行测试。

3　试验结果与分析

3.1蒸压温度和保温时间对试样抗压强度的影响

（见表2）

从表2可知，在蒸压温度为30～90℃时，试样抗压强度维持在18 MPa左右；蒸压温度为110℃时，试样抗压强度急速提高至30.59 MPa，比T90试样提高了55.3%。蒸压温度高于110℃之后，随着蒸压温度升高，试样抗压强度缓慢增长。该结果表明，蒸压温度是否高于110℃对试样抗压强度至关重要，这是由于100℃为标况下水沸腾的温度点，110℃时会有大量水蒸气，达到饱和蒸气压，确保有足够的水蒸气与坯体发生反应。蒸压温度为180℃时，试样抗压强度达到最大值37.28 MPa。相较Alaa Rashad等［6］制备的蒸压材料抗压强度不到30 MPa，本试验中的蒸压材料具有极大优势。

表2　蒸压温度和保温时间对试样体积密度和抗压强度的影响

在试样抗压强度达30 MPa的基础上，以低能耗、环保为出发点选择蒸压温度为110℃进行进一步研究，探索保温时间对镍渣基蒸压材料性能影响。从表2可知，随着保温时间延长，试样抗压强度变化不大，皆在30 MPa左右变化。该结果说明，蒸压温度为110℃时，尺寸约为Φ20×20 mm的试样仅需2 h就可基本反应完全。

3.2蒸压温度和保温时间对试样软化系数的影响

软化系数是非烧结制品的一个重要指标，反映试样耐水性强弱。图2和图3分别为蒸压温度和保温时间对试样软化系数的影响。

图2　蒸压温度对试样软化系数的影响

图3　保温时间对试样软化系数影响

从图2可知，试样浸水后抗压强度均降低，湿强变化趋势与表2相似，但浸水后试样的强度损失不同，其中蒸压温度为30～50℃或者150～170℃的试样耐水性较好，软化系数大于0.75，其中T160试样的软化系数达0.84。可能是由于该蒸压温度下水化产物较稳定，耐水性较好。

由图3可知，试样在蒸压温度为110℃的条件下，软化系数先随着保温时间的延长而增大，保温时间为6 h时软化系数达到最大值0.79，继续延长保温时间，软化系数下降至0.64，该结果说明尽管延长保温时间对试样抗压影响不明显，但适宜的保温时间可提高试样耐水性。

3.3XRD分析

不同蒸压温度和保温时间下试样的XRD图谱分别见图4和图5。

图4 不同蒸压温度下试样的XRD图谱

图5　不同保温时间下试样的XRD图谱

从图4可知，T30试样在30℃下蒸压养护4 h后并未完全反应，经Jade软件分析后发现该试样中还存在原料矿物的衍射峰，如石英、熟石灰及叶蛇纹石等矿物。当蒸压温度升至70℃时，熟石灰及叶蛇纹石基本被消耗掉，水化产物主要为无定型态。当蒸压温度升高至90℃，出现了水石榴石及CSH等水化产物。当温度提高到110℃，采用XRD定量分析可知，水化产物总量提高，且水石榴石逐渐减少，托勃莫来石、细结晶状的CSH、纤硅钙石数量增加，其中纤硅钙石也是一种水化硅酸钙，化学式为Ca5Si6O16（OH）2，水化产物数量增加是抗压强度迅速提高的根本原因。蒸压温度升至170℃时，水化产物主要为CSH、托勃莫来石和硬硅钙石。

从图5可知，不同保温时间试样的水化产物种类基本不变，但各水化产物所占比例及结晶程度不同，保温6 h时，水化产物中存在大量细结晶态的CSH、凝胶态CSH、托勃莫来石等，提高了颗粒间胶结力，特别是其中托勃莫来石具有较好的耐水性，从而使得试样耐水性提高。

3.4SEM分析

图6～图10分别为T170、T110（t4）、T50、t2、t8试样的SEM照片。

图6　T170试样的SEM照片

图7　T110（t4）试样的SEM照片

图8　T50试样的SEM照片

比较图6（a）、图7（a）和图8（a）可知，T50试样致密度最差，该结果与表2中试样体积密度相匹配。T170试样的主要水化产物为纤维网状的CSH和层状的托勃莫来石，孔隙分布均匀，网状结构把颗粒紧密地胶结在一起，因此试样抗压强度高，耐水性好。T110（t4）试样的水化产物形貌为层状结构，其中层状结构表面布满了纤维状结构水化物，颗粒间结合程度相较T170试样差，因此抗压强度低于T170试样。T50试样的水化产物形貌为小片板状结构，水化物间孔隙大，未能将颗粒紧密连接在一起，其抗压强度不到20 MPa。

图9　t2试样的SEM照片

图10　t8试样的SEM照片

比较图7（a）、图9（a）和图10（a）可知，试样的致密度基本一致。t2试样的水化产物形貌为纤维柱状结构和立方结构，其中纤维柱状结构与t4试样的结构相似，但完整程度较差，可能是由于保温时间短，晶体未完全生长；后者为水石榴石，在蒸压保温2 h时大量存在，与张志杰等［7］描述的一致。t8试样为层状结构及网状结构，与T170试样类似，但颗粒包裹程度较T170试样差，但总体而言，该网状结构较板层状结构和立方结构对颗粒的凝聚作用更大，因此t8试样具有相对较高的抗压强度。另外，在图7和图10中没有出现立方结构，说明随着保温时间延长，该结构转化为纤维状或者板状水化硅酸钙。

4　结论

（1）在本试验条件下，镍渣基蒸压材料在蒸压温度为30℃下保温4 h（T30试样），试样的抗压强度即可达18 MPa，蒸压温度110℃时的T110（t4）试样的抗压强度可达30.59 MPa，总体而言，在保温时间一定的前提下，试样抗压强度随着蒸压温度升高而增大。

（2）在蒸压温度为110℃的前提下，保温时间为2～8 h时，试样的抗压强度变化不大。

（3）该体系具有较好的耐水性，试样软化系数均大于0.64，其中T160试样软化系数可达0.84，t6试样可达0.79。

（4）该体系主要的水化产物为CSH、托勃莫来石、水石榴石等。试样50℃下保温4 h（T50试样）的水化产物主要形貌为小片板状结构，温度升高至110℃（T110试样）时，水化产物发展成相对完整的板状结构，并出现了纤维状水化物，温度为170℃（T170试样）时，水化产物主要为纤维网状结构及层状结构。试样在110℃下保温2 h（t2试样）时，水化产物形貌主要为层柱状结构和规则的立方结构，随着保温时间延长至8 h，水化产物转变为紧凑的层状结构和网状结构。

［1］吴其胜，光鉴淼，诸华军，等.利用镍渣制备加气混凝土砌块的研究［C］//中国硅酸盐学会水泥分会.第五届学术年会论文摘要集.柳州：2014.

［2］余涛，曹德光，刘文威，等.影响镍渣蒸压制品抗压强度的因素研究［J］.新型建筑材料，2013（7）：56-58.

［3］ Yang Tao，Yao Xiao，Zhang Zuhua.Geopolymer prepared with high-magnesium nickel slag：Characterization of properties and microstructure［J］.Construction and Building Materials，2014，59 （5）：188-194.

［4］段光福，刘万超，陈湘清，等.江西某红土镍矿冶炼炉渣作水泥混合材［J］.金属矿山，2012（11）：159-162.

［5］李静，曹德光，农荣，等.坯体制备条件对蒸压红土镍渣材料抗压强度的影响试验研究［J］.新型建筑材料，2015（4）：11-13.

［6］Alaa Rashad，Sayieda Zeedan，Hassan A.A preliminary study of autoclaved alkali-activated slag blended with quartz powder［J］. Construction and Building Materials，2012，33：70-77.

［7］张志杰，柯昌君，刘平安，等.蒸压反应水石榴石形成与转变的分析表征及机理研究［J］.分析测试学报，2009，28（9）：1008-1011.

The effect of autoclave conditions on the compressive strength of autoclaved materials prepared with nickel residue

LI Jing1，CAO Deguang1，LIU Wenwei2
（1.College of Materials Science and Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，Guangxi，China；2.Guangxi Building Materials Science Research and Design Institute，Nanning 530004，Guangxi，China）

The basic formula is m（nickel residue）∶m（slaked lime）∶m（cement）=70∶15∶15，the samples'properties such as compressive strength and softening coefficient have been studied by strength test，XRD，SEM，et al.The results showed that the compressive strength of samples was about 18 MPa when autoclave temperature was 30℃ with 4 h；when autoclave temperature＞100℃，the compressive strength of sample can reach more than 30 MPa；in a word，the compressive strength was improved with the autoclave temperature increased.While prolonged autoclave holding time couldn't help the samples'compressive strength much because the strength is around 30 MPa even if the holding time prolong from 2 h to 8 h with an increment of 2 h.The main hydration products are CSH，tobermorite，xonotlite and so on.

nickel residue，autoclave temperature，holding time，compressive strength

TU52

A

1001-702X（2015）11-0069-05

广西自然科学基金项目（2014GXNSFAA118291）

2015-08-14

李静，女，1992年生，广西全州人，硕士研究生。