镍渣混凝土的研究进展

段可可 宋小园 董子健 万颖 贾旭春 秦琳

【摘要】本文研究的镍渣正是从原材料角度切入，拓宽了碱激发胶凝材料的原材料范围。对比高炉矿渣和粉煤灰的化学组成，可以将高炉镍渣定义为“中钙”系统，这是一种全新的原料体系，而电炉镍渣的化学组成虽然与粉煤灰类似，但各元素的相对含量也存在着明显差异，另外利用镍渣因此研究碱激发后的镍渣高性能活性粉对胶凝材料的影响具有重要的科研意义。

【关键词】镍渣混凝土

目前，国内外在水泥替代材料的研究与应用方面已开展了大量的工作，其中快速冷却的冶炼渣如水淬高炉渣、钢渣、铜镍渣和锌渣等工业固体废物，因其具有一定的胶凝性能和火山灰活性制备胶凝材料的潜力很大. 这些渣用于水泥的生产只需磨矿和加入少量的激发剂，与正常的硅酸盐水泥的“两磨一烧”相比，可节省大量的能源，从理论上来说，一般具有火山灰性或潜在的水硬性的硅酸盐或硅铝酸盐类材料都可以用作碱激发胶凝材料的先导材料，与此同时，有不少研究尝试用两种及以上的复合材料作为碱激发胶凝材料的原材料，并且达到了优势互补的目的。随着现代化的发展，高楼建筑鳞次栉比，建设所需要的原材料也达到空前的规模，许多废弃材料也越来越多，废弃材料重新利用既节约又环保。镍渣即是指在冶炼金属镍过程中排放的一种工业废渣，生产1 t镍约排出6-10t镍渣。利用镍渣生产高性能活性粉，一旦实施不仅能够大量消耗工业固体废弃物，而且能够大大降低砂石、石灰和水泥等基础材料的消耗量。新型环保替代材料的开发和研制已变得刻不容缓，同时，粉体行业快速发展的刚性需求及绿色粉体产业链建设的迫切需要也要求我们进行新型绿色粉体材料的开发和研制。镍渣高性能活性粉可有效提高混凝土的抗压强度，降低混凝土的成本。同时对抑制碱骨料反应，降低水化热，减少混凝土结构早期温度裂缝，提高混凝土密实度， 提高抗渗和抗侵蚀能力有明显效果。

1、镍渣细度和掺量的变化对混凝土的影响

根据现有研究表明，在混凝土中加入镍渣会对水泥颗粒的密度产生影响，水泥颗粒密度随着镍渣细度的增加而提高，但是水泥的颗粒密度随着镍渣掺量的增加而减少。而且随着镍渣细度的提高，累计水化放热量逐渐增加。镍渣的掺量并不是越大越好，随着镍渣摻量的增加，试样胶砂抗压强度降低，且镍渣掺量越大，抗压强度降低的幅度越大，抗折强度随着镍渣掺量的增加而降低，且镍渣掺量越大，抗折强度降低的幅度越大，镍渣细度的提高有利于试样抗折强度的提升。胶凝材料在加入镍渣后，会产生橄榄石、镁黄长石、斜顽辉石等硅酸盐矿物，这些矿物水化反应后形成矿物骨架，结构稳定而不发生膨胀。而且镍渣细度会对水泥孔结构产生影响，细度较高的镍渣能有效填充于硬化水泥浆体的微小孔隙中，同时，随着镍渣细度的提高，其比表面积增大，水化反应更充分。

2、镍渣火山灰效应

越来越多的研究是在混凝土中加入镍渣和一种辅助物质，例如超细硅灰，首先镍渣和超细硅灰混掺在硅酸盐水泥中，能改善镍渣在硅酸盐水泥中的潜在火山灰活性。随着镍渣和超细硅灰掺量的增加，各体系的放热量越来越低，其主要原因是镍渣与硅灰并不是具有一定胶凝性的物质，但镍渣中含有一定量矿物成分，其中含有钙质原料，这些钙物质与硅灰中的硅物质发生火山灰反应，形成的水化产物对水泥强度的发展有一定的作用，使得各个体系的抗压强度不至降低太多。并且随着养护龄期的增长，孔径变得越来越小，平均孔径逐渐减小，两组体系的机械性能提高与孔结构的改善存在一定关系。镍渣与超细硅灰、熟料火山灰反应对孔结构的改善和孔隙率的降低有促进作用。

活性混合材超细硅灰和具有潜在火山灰活性的镍渣混合掺入到硅酸盐水泥中，可使体系的水化产物数量增多，水化程度提高，C-S-H 凝胶交织成致密的网状结构，AFt 发展成体积较大的针状结构，使得各体系的结构缺陷显著降低，显微结构致密。将低活性镍渣掺入到硅酸盐水泥材料中，并通过物理法激发镍渣潜在的活性，在较好保持水泥基材料物理化学性能前提下，用镍渣代替粉煤灰、火山灰和高炉矿渣等活性混合材，对于富硅镁冶金镍渣等工业废渣在水泥行业中应用具有重要意义。

3、碱激发电炉镍渣

目前，碱激发胶凝材料的原料主要包括天然火山灰、粉煤灰、偏高岭土、矿渣、磷渣和钢渣等，也有将这些原料混合后进行碱激发的，随着研究的深入，被尝试用进行碱激发的原材料也越来越多，尤其是工业废渣。与此同时，有不少研究尝试用两种及以上的复合材料作为碱激发胶凝材料的原材料，并且达到了优势互补的目的。高炉矿渣的碱激发原理早在 19 世纪 40 年代即被认识，但是有关这方面真正的研究始于 1960 年左右，期间许多研究者注意到碱性激发剂对不同来源矿渣水泥强度发展的选择性.例如，Na2CO3特别适合于激发富含 C2MS 的渣，而 NaOH 对富含 C2AS 的渣更加有效.铜渣的胶凝性能随 CaO 的含量增加而提高，当其 CaO 的质量分数达到 19% 时，在 NaOH 的激发下能够显示出很好的胶凝性能由此可以看出，有针对性地选择激发剂，从而有效地激发特定冶炼渣的潜在活性，是利用冶炼渣制备胶凝材料的重要因素。碱激发材料一般具有更高的强度、密实度和更低的反应热。许多实验表明，电炉镍渣存在一定的潜在活性，可以通过使用氢氧化钠和水玻璃进行碱激发。氢氧化钠和水玻璃激发电炉镍渣只生成非晶态的凝胶，没有晶态产物生成。氢氧化钠激发电炉镍渣生成的凝胶较水玻璃 激发生成的凝胶形貌更为致密，两种凝胶中都含有镁。氢氧化钠激发电炉镍渣前期反应较水玻璃激发电炉镍渣更剧烈，而水玻璃激发电炉镍渣的反应持续时间长于氢氧化钠激发电炉镍渣。

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