镍渣基地聚物的制备及其性能研究

张漪颖，谷延霞，王恒

(1.河北农业大学 城乡建设学院，河北 保定 071000；2.河北农业大学 理学院，河北 保定 071000)

0 前 言

镍渣是一种工业固体废弃物，来源于镍铁合金的冶炼过程。常规的采用堆置或者填埋等方式处理镍渣，不仅占用土地，引起环境污染，还会污染地下水源[1-2]。镍渣经高温熔融后急冷而得，含有较多的玻璃相，主要化学成分为SiO2、Fe2O3等，具有一定的胶凝活性。学者们对其资源化利用进行了研究。吴阳等[3]基于镍渣中的氧化铁含量高，利用镍渣代替铁粉制备硅酸盐水泥，并发现适量掺入镍渣不仅可改善生料的易烧性，还可提高硅酸盐水泥的抗折强度。刘甜甜等[4]以镍渣为主要原材料，复掺氧化铝和氧化硅等氧化物，制备了堇青石陶瓷，并且发现即使原材料中不添加造孔剂，也可获得存在大量孔洞的堇青石陶瓷。冯帧哲等[5]以镍渣为原材料制备泡沫玻璃，研究了镍渣掺量对泡沫玻璃气孔率、密度和组成等的影响，结果表明，镍渣掺量过高时，会导致气孔率降低、密度增大，但镍渣掺量对泡沫玻璃的组分及晶体种类无明显影响。李静等[6]和娄广辉等[7]以镍渣为主要原材料，经过压制成型和蒸压养护等处理方式制备蒸压砖，蒸压砖的抗压强度可达30 MPa 以上。

地聚物是一种新型绿色胶凝材料，具有制备工艺简单、能耗较低、二氧化碳排放量少、且强度发展快等特点，受到了研究者的青睐[8-9]。本试验以镍渣为原材料，研究了激发剂种类和模数对镍渣基地聚物性能的影响，探究镍渣基地聚物的最佳制备条件。

1 试 验

1.1 原材料

(1)镍渣：福建省镍冶炼厂，主要化学成分见表1，XRD 图谱见图1。

表1 镍渣的主要化学成分 %

图1 镍渣的XRD 图谱

由表1 和图1 可见，镍渣的主要化学成分为SiO2、MgO、Fe2O3、Al2O3、CaO，占总质量分数的97.27%。镍渣中的主要矿物为镁橄榄石，此外，在2θ=8°和32°左右存在明显的馒头峰，说明镍渣中还存在玻璃相。根据吴伟和谢刚[10]的研究，可采用质量系数K 表征镍渣的活性指数，计算方法如式(1)所示：

按照式(1)计算可知，本试验中镍渣的质量系数K=0.42，说明该镍渣虽然具有一定活性，但活性指数较低。因此，在制备镍渣基地聚物时，配比中掺入了20%矿渣。

(2)激发剂：氢氧化钠溶液、硅酸钠溶液和硅酸钾溶液，其中，硅酸钠溶液由工业水玻璃与氢氧化钠按比例混合调配而成，硅酸钾溶液由工业水玻璃与氢氧化钾按比例混合调配而成，模数均分别为 0.5、1.0、1.5、2.0，质量分数均为 30%。

1.2 试样制备与测试方法

根据GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》和JC/T 603—2004《水泥胶砂干缩试验方法》进行试样制备和性能测试，镍渣基地聚物的成型配比见表2，激发剂模数(nSiO2∶nNa2O)为0～2.0，液固比均为0.5。抗压与抗折强度试验试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm，干缩试验试件尺寸为25 mm×25 mm×280 mm。

表2 镍渣基地聚物的成型配比

2 试验结果与分析

2.1 抗压强度

采用硅酸钠溶液作为激发剂，研究激发剂模数对镍渣基地聚物抗压强度的影响，并与激发剂模数为0(以氢氧化钠溶液为激发剂)的试样进行对比，结果如图2 所示。

图2 激发剂模数对镍渣基地聚物抗压强度的影响

由图2 可见：

(1)在养护龄期相同条件下，随着激发剂模数从0 增大至2.0，地聚物的抗压强度均先提高后降低，当激发剂模数为1.0时抗压强度达到最高。28 d 龄期时，NS-0、NS-0.5、NS-1.0、NS-1.5 和 NS-2.0 的抗压强度分别为 10.1、17.7、23.2、21.1、17.3 MPa。

(2)在激发剂模数相同条件下，随着养护龄期的延长，地聚物的抗压强度均逐渐提高。

(3)对比试样NS-0 和NS-1.0 各龄期的抗压强度可知，随龄期的延长，试样NS-0 的抗压强度增幅先增大后减小；试样NS-1.0 的抗压强度增幅早龄期较大，然后逐渐减小。表明以硅酸钠溶液为激发剂时(NS-1.0)，试样的早期强度增长率较大，而后趋于稳定，而当以氢氧化钠溶液作为激发剂时(NS-0)，试样的早期强度增长率比试样NS-1.0 缓慢，但后期抗压强度还会持续增大。

分别以氢氧化钠溶液、硅酸钠溶液和硅酸钾溶液为激发剂，研究激发剂种类对镍渣基地聚物抗压强度的影响，结果如图3 所示。

图3 激发剂种类对镍渣基地聚物抗压强度的影响

由图 3 可知，28 d 龄期时，试样 NS-0-Na、NS-1.0-Na 和NS-1.0-K 的抗压强度分别为 10.1、23.2、23.9 MPa；对比 3 组试样的抗压强度可知，以氢氧化钠作为激发剂时，抗压强度发展最慢，抗压强度最低；以硅酸钠溶液或者硅酸钾溶液作为激发剂时，2 组试样的抗压强度相当，说明无论采用钠基激发剂还是钾基激发剂，对于镍渣基地聚物的抗压强度发展影响较小。陆荟等[11]在研究激发剂种类对地聚物抗压强度的影响时也发现，在氧化钠含量一定时，采用氢氧化钠作为激发剂制备的地聚物抗压强度比采用硅酸钠溶液作为激发剂制备的地聚物抗压强度低。这是因为相同液固比条件下，虽然氢氧化钠溶液和硅酸钠溶液中的氧化钠含量一样，但是硅酸钠溶液中还存在硅酸根离子，因此采用硅酸钠溶液作为激发剂时，地聚物的抗压强度更高。

2.2 抗折强度

采用硅酸钠溶液作为激发剂，研究激发剂模数对镍渣基地聚物抗折强度的影响，并与激发剂模数为0(以氢氧化钠溶液为激发剂)的试样进行对比，结果如图4 所示。

图4 激发剂模数对镍渣基地聚物抗折强度的影响

由图4 可见：3 d 龄期时，试样的抗折强度为1 MPa 左右，激发剂模数对地聚物的3 d 抗折强度影响较小。7～28 d 龄期时，随着激发剂模数从0 增大至1.0，试样的抗折强度急剧提高，7 d 抗折强度从 1.2 MPa 提高至3.5 MPa，28 d 抗折强度从1.7 MPa 提高至4.9 MPa；随着激发剂模数从1.0 增大至2.0，试样的抗折强度逐渐降低，7 d 抗折强度从3.5 MPa 降低至3.3 MPa，28 d 抗折强度从 4.9 MPa 降低至 3.7 MPa。总体而言，相同龄期下，随着激发剂模数增大，试样的抗折强度先提高后降低，与抗压强度的变化规律相同。

分别以氢氧化钠溶液、硅酸钠溶液和硅酸钾溶液为激发剂，研究激发剂种类对镍渣基地聚物抗折强度的影响，结果如图5 所示。

图5 激发剂种类对镍渣基地聚物抗折强度的影响

由图 5 可知，试样 NS-0-Na、NS-1.0-Na 和 NS-1.0-K 的3 d 抗折强度分别为 0.5、1.5、1.7 MPa，7 d 抗折强度分别为1.2、3.5、3.6 MPa，28 d 抗折强度分别为 1.7、4.9、4.9 MPa。对比可知，采用氢氧化钠作为激发剂时，试样的抗折强度最低，而采用硅酸钠溶液和硅酸钾溶液作为激发剂时，试样的抗折强度相当，该结果与抗压强度的规律一致。实际工程中，胶凝材料往往需要较快获得较高的强度，因此综合上述结果可知，制备镍渣基地聚物时，宜使用硅酸钠溶液或者硅酸钾溶液作为激发剂，最佳模数为1.0。

2.3 干燥收缩

采用硅酸钠溶液作为激发剂，研究激发剂模数对镍渣基地聚物干燥收缩的影响，并与激发剂模数为0(以氢氧化钠溶液为激发剂)的试样进行对比，结果如图6 所示。

图6 激发剂模数对镍渣基地聚物干燥收缩的影响

由图6 可见：对于同一试样，镍渣基地聚物的前7 d 干燥收缩急剧增大，而后趋于平缓；龄期相同时，随着模数增大，试样的干燥收缩也逐渐增大，以试样NS-0 的28 d 干燥收缩值为基准(0.65 mm/m)，试样 NS-0.5、NS-1.0、NS-1.5、NS-2.0 的28 d 干燥收缩值分别是 NS-0 的 2.72、2.88、2.97、3.25 倍，说明当激发剂中存在大量硅酸根离子时，镍渣基地聚物的干燥收缩急剧增大。王桂生[12]在研究激发剂模数对矿渣-粉煤灰基地聚物的干燥收缩影响时也发现，激发剂模数越大，带入的硅酸根离子越多，干燥收缩也越大，与本文的试验结果一致。

分别以氢氧化钠溶液、硅酸钠溶液和硅酸钾溶液为激发剂，研究激发剂种类对镍渣基地聚物干燥收缩的影响，结果如图7 所示。

图7 激发剂种类对镍渣基地聚物干燥收缩的影响

由图 7 可见，试样 NS-0-Na、NS-1.0-Na 和 NS-1.0-K 的28 d 干燥收缩值分别为 0.65、1.87、1.92 mm/m，采用氢氧化钠溶液作为激发剂时，试样的干燥收缩最小，而采用硅酸钠溶液或者硅酸钾溶液作为激发剂时，试样的干燥收缩较大。根据文献[8，12]可知，采用氢氧化钠作为激发剂时，由于激发剂中不存在干燥收缩较大的硅凝胶，因此试样NS-0-Na 的干燥收缩较小，而对于试样NS-1.0-Na 和NS-1.0-K，激发剂模数都为1.0，带入的硅酸根离子数量一样，因此二者的干燥收缩值相近。

综上可知，以镍渣作为主要原材料制备镍渣基地聚物时，其28 d 抗压、抗折强度最高分别达到23.9、4.9 MPa，说明采用碱激发技术可成功制备镍渣基地聚物。同时，采用水玻璃作为激发剂时，镍渣基地聚物的抗压强度和抗折强度都比较高，但是干燥收缩值也比较大，而采用氢氧化钠作为激发剂时，镍渣基地聚物的干燥收缩比较小，但强度发展缓慢。因此，如需实现镍渣基地聚物在实际工程中应用，还需克服镍渣基地聚物干燥收缩较大的问题。

3 结 论

(1)随着激发剂模数增大，镍渣基地聚物的抗压和抗折强度都先提高后降低，最佳模数为1.0，试样NS-1.0-Na 的28 d抗压、抗折强度分别为23.2、4.9 MPa。

(2)对于同一试样，镍渣基地聚物的前7 d 干燥收缩急剧增大，而后趋于平缓；龄期相同时，随着模数增大，试样的干燥收缩也逐渐增大。

(3)采用氢氧化钠溶液作为激发剂时，镍渣基地聚物的抗压和抗折强度发展最慢，但强度会随着养护龄期延长持续提高，同时干燥收缩最小，试样NS-0-Na 的28 d 干燥收缩值为0.65 mm/m；采用硅酸钠溶液或者硅酸钾溶液作为激发剂时，镍渣基地聚物的抗压和抗折强度前期发展速度较快，但后期增长幅度降低，同时，NS-1.0-Na 和NS-1.0-K 的干燥收缩都比NS-0-Na 大。