富镁镍渣-粉煤灰基地质聚合物的制备及性能

孙志高，吴 渊，杨兴春，张栋梁，王觅堂

（上海理工大学材料与化学学院，上海 200093）

富镁镍渣（HMNS）是镍铁合金冶炼及提纯过程中产生的一种工业废渣[1］，属于SiO2-Al2O3-MgO 系熔渣。其化学成分主要有SiO2、MgO、Al2O3、Fe2O3、CaO 等，玻璃相含量比较高，具有潜在火山灰活性。据统计[2］，每生产1 t 镍铁合金可产生约14 t 富镁镍渣，中国每年排放富镁镍渣超过3 000万t，但其综合利用率仅为8%。因此，富镁镍渣已经成为中国排放的主要固体废弃物之一，目前，中国处理富镁镍渣的方式多为直接堆存和掩埋。然而，富镁镍渣中含有重金属离子，长时间堆积可能会出现渗透或浸出，从而污染土地和地下水源，甚至还会污染海洋环境（镍铁冶炼工厂多处于沿海地区）[3］。因此，科学又环保地处理富镁镍渣越来越受到学者们的重视。近年来一些研究表明[3-7］，富镁镍渣可用于制备骨料、补充胶凝材料和无机聚合物（胶凝材料）等，然而，骨料和补充胶凝材料的附加值较低，若将富镁镍渣制备成胶凝材料用于建材行业则可节约材料成本、减少资源与能源的浪费、减少环境污染等。

由于富镁镍渣中CaO 和非晶相含量较低，导致其火山灰活性较低，从而影响了富镁镍渣的资源化利用[8］。早期研究发现，提高冷却速率有助于提高熔渣活性[9］。随着后来研究的深入，发现熔渣的活性与玻璃体含量及硅酸盐网络聚合度相关[10］。研究表明[11-12］，在熔渣中添加碱土金属氧化物可以破坏硅酸盐网络，降低其聚合度，从而提高反应活性。因此，本工作通过添加MgO 并重熔水淬，制备了水淬样品；通过抗压强度实验验证了活化处理对富镁镍渣活性的改善作用，并通过正交实验确定了经活化处理的富镁镍渣基地质聚合物的最优配比；通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线能谱（EDS）及同步热分析（TG-DSC）等表征方法探究了经活化处理的富镁镍渣基胶凝材料的水化产物和水化机理。

1 实验部分

1.1 实验原料

研究所用富镁镍渣是使用电弧炉在1 500~1 600 ℃下生产镍铁合金得到的废渣[13］，使用前需用球磨机以480 r/min 的速率研磨90 min，然后筛分至粒径小于150 μm；研究所使用的粉煤灰（FA）是从发电厂获得的未经处理的FA；MgO（AR），纯度为98%；硅酸钠（Na2O·3SiO2），模数为3.2；NaOH（AR），纯度为99%。

通过AxiosPW4400型X射线荧光光谱仪（XRF）测定HMNS 和FA 的化学成分，结果见表1。由表1可知，HMNS 含有质量分数为46.66%的SiO2和质量分数为26.53%的MgO，为酸性渣，其反应活性较差；而FA 含有质量分数为53.33%的SiO2、19.64%的Al2O3、8.43%的Fe2O3，为F 级粉煤灰。图1 是HMNS和FA的XRD谱图。由图1可知，HMNS含有大量的镁铁橄榄石及少量的石英、硅酸镁，玻璃相占比约为50%；FA的主要结晶相为石英及少量的莫来石和游离氧化钙（f-CaO），以玻璃相为主。图2为HMNS和FA 的SEM 图。从图2 可以看出，HMNS 表面结构致密光滑，多为带棱角且形貌杂乱无序的不规则颗粒；FA是由分布均匀、大小不等的球状组成。

图1 HMNS和FA的XRD谱图Fig.1 XRD patterns of HMNS and FA

图2 HMNS（a）和FA（b）的SEM图Fig.2 SEM images of HMNS（a） and FA（b）

表1 HMNS和FA的化学组成Table 1 Chemical compositions of HMNS and FA %

1.2 实验步骤

1.2.1 富镁镍渣的活化处理过程

将富镁镍渣与质量分数为8%的MgO在高能球磨机中研磨5 min后混合均匀；随后将混合均匀的样品放入Al2O3坩埚中，并置于升降炉中在1 550 ℃下保温90 min，然后取出倒入水中；将水淬后的熔渣置于80 ℃干燥箱中烘干24 h，随后经高能球磨机球磨后筛分至粒径小于75 μm，所得样品记为W-HMNS。

1.2.2 富镁镍渣基地质聚合物胶凝材料的制备

采用正交实验法（正交实验因素水平及配合比见表2 和表3）研究了富镁镍渣与粉煤灰的质量比[m（W-HMNS）∶m（FA）］、水玻璃（通过硅酸钠与NaOH按一定比例调配而成）掺量[w（水玻璃）］与模数对活化富镁镍渣制备的地质聚合物的工程性能及水化产物的影响。制备过程如下：

表2 正交实验因素水平Table 2 Orthogonal test factor level

表3 正交实验配合比Table 3 Mix proportion of orthogonal test

1）将硅酸钠（粉末）、NaOH（片状）按一定比例溶解在水中，冷却至室温，形成均匀的活化剂溶液；

2）将干燥的W-HMNS 和FA 按一定比例混合均匀；

3）将混合均匀的W-HMNS和FA加入到活化剂溶液中，并使用电动搅拌器搅拌（转速为300 r/min），得到净浆；

4）将净浆浇筑到棱柱形模具中（20 mm×20 mm×20 mm）[2，14-15］，使用振实台振实120 s，然后使用刮刀刮去多余浆料并抹平，放置到养护箱中养护（温度为20 ℃、湿度为95%）24 h 后脱模，将脱模试样养护至规定期龄（3 d、7 d和28 d），等待测试。

1.3 性能测试与表征

1.3.1 工程性能

根据ASTM C109/C109M—2013，使用DYE-300微机伺服压力机测定地质聚合物样品的3、7、28 d抗压强度[2，14-15］。根据JC/T 603—2004，使用数显比长仪进行试样的3、7、28 d体积安定性测试。地质聚合物试件各龄期的线性膨胀率（S）可以表征其体积安定性，计算公式为S=（L1-L0）/L0×100%（其中L1为某龄期测量读数，mm；L0为初始试件测量读数，mm）。每次测试时需检测3批同等配比和养护条件的样品，取3批样品的平均值作为最终结果。

1.3.2 表征方法

采用Ultima Ⅳ型X 射线衍射仪分析样品的晶相和非晶态特征，扫描范围为10°~80°，步长为0.2°；采用SPE CTRUM 100 型傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR）分析样品的结构变化和基团的类型；使用GeminiSEM 300 型扫描电子显微镜（SEM）和Oxford 7573 型电子探针（EDS）分析样品的微观形貌和微区元素成分；采用STA 449F3 型同步热分析仪（TG-DSC）测试样品的热稳定性。

2 结果与讨论

2.1 正交实验结果

2.1.1 抗压强度

抗压强度的正交实验结果如表4 所示。从表4可以看出，各试件的抗压强度均随着养护期龄的增加而逐渐增强。以养护期龄28 d为标准，S9号试件的抗压强度达到最大值，为28.40 MPa。为了探究正交实验各影响因素对抗压强度的影响程度，根据表4 的结果分别计算了养护28 d 各因素的极差，结果见表5。各编号养护28 d试样照片见图3。

图3 养护28 d试样Fig.3 Sample cured for 28 d

表4 各期龄抗压强度结果Table 4 Results of compressive strength at different ages

表5 养护28 d的抗压强度均值与极差分析结果Table 5 Average and range analysis results of compressive strength at 28 d curing

根据表5可知，以养护28 d的抗压强度为标准，最佳方案为A2B3C3，即m（W-HMNS）∶m（FA）为7∶3、水玻璃掺量为20%、水玻璃模数为1.4；m（W-HMNS）∶m（FA）（A）、水玻璃掺量（B）、水玻璃模数（C）的极差分别为3.79、14.96、9.82 MPa，故影响抗压强度的因素主次顺序依次为水玻璃掺量（B）、水玻璃模数（C）、m（W-HMNS）∶m（FA）（A）。

2.1.2 体积安定性

线性膨胀率的正交实验结果如表6 所示。由表6 可知，经活化处理的富镁镍渣基地质聚合物的线性膨胀率均低于6%，表明经活化处理的富镁镍渣基地质聚合物具有良好的体积安定性。为了探究正交实验各影响因素对体积安定性的影响程度，根据表6 结果分别计算了养护28 d 各因素的极差，结果见表7。

表6 各期龄体积安定性结果Table 6 Volume stability results at different ages

表7 养护28 d的线性膨胀率均值与极差分析结果Table 7 Average and range analysis results of linear expansion rate for 28 d curing

根据表7 可知，影响体积安定性的因素主次顺序依次为水玻璃掺量（B）、m（W-HMNS）∶m（FA）（A）、水玻璃模数（C）。由于m（W-HMNS）∶m（FA）、水玻璃掺量、水玻璃模数对碱激发富镁镍渣（活化）胶凝材料的体积安定性影响程度均较小，因此可以忽略不计。由此说明，经活化处理的富镁镍渣作为碱活化地质聚合物时具有良好的体积安定性。

2.2 活化处理对富镁镍渣基地质聚合物力学性能的影响

在m（W-HMNS）∶m（FA）=7∶3、w（水玻璃）=20%、水玻璃模数=1.2、水灰比为0.24、养护方式为标准养护条件下将W-HMNS 制成地质聚合物，其力学性能如图4 所示。为了便于比较，将文献[16］得到的未经处理的富镁镍渣基地质聚合物（最优配比）的力学性能也叠加在图4中，记为HMNS。从图4 可以看出，经活化处理后富镁镍渣基地质聚合物的各期龄抗压强度均有大幅度提升，固化28 d后抗压强度达到35.60 MPa，较活化处理前提高60.7%。

图4 活化处理前后富镁镍渣基地质聚合物胶凝材料的抗压强度对比Fig.4 Comparison of compressive strength of high-magnesium nickel slag base polymer cementitious materials beforeand after activation treatment

2.3 富镁镍渣与粉煤灰的质量比对碱基地质聚合物力学性能的影响

为了分析原料质量比对碱激发W-HMNS 基地质聚合物抗压强度的影响规律，对表4 中m（WHMNS）∶m（FA）在不同水平下各组号试件的平均抗压强度进行了计算，结果如图5所示。从图5可以看出，养护3、28 d后不同m（W-HMNS）∶m（FA）下地质聚合物抗压强度均随着FA 掺量的增加呈现先增加后减小的趋势，且在m（W-HMNS）∶m（FA）=7∶3时达到最大值。这是由于FA 的加入能够促进地聚合反应的进行。通过计算碱性指数可以辅助预测胶凝材料的反应活性，一般情况下碱度比｛n=[w（CaO）+w（MgO）］/[w（SiO2）+w（Al2O3）］｝越高，相应的碱-硅酸反应活性越高[17］。研究表明[16］，石英相的地聚合反应很微弱。XRD结果显示FA中含有大量的石英相，这些石英相在胶凝材料内部堆积会导致胶凝材料空隙增加，从而降低胶凝材料的抗压强度，这也是FA 掺量过多时强度下降的主要原因。养护7 d 后，抗压强度随着FA 掺量的增加而增加。这主要是由于粉煤灰可以提升体系碱度，有利于早期水化反应的进行。

图5 不同m（W-HMNS）∶m（FA）下地质聚合物各养护龄期的平均抗压强度Fig.5 Average compressive strength of geopolymers with different m（W-HMNS）∶m（FA） ratios at different curing ages

2.4 水玻璃掺量对碱基地质聚合物胶凝材料力学性能的影响

为了分析水玻璃掺量对碱激发W-HMNS 基地质聚合物抗压强度的影响规律，对表4 中水玻璃掺量在不同水平下各组号试件的平均抗压强度进行了计算，结果如图6所示。从图6可以看出，养护3、7、28 d后，W-HMNS 基地质聚合物抗压强度均随着水玻璃掺量的增加而增加。这主要是因为水玻璃不仅为地聚合反应提供了碱性环境，使得富镁镍渣、粉煤灰中的部分铝硅酸盐相解聚，还提供了地聚合反应所需要的[SiO4］，因此增加水玻璃掺量会提高胶凝材料的抗压强度。

图6 不同水玻璃掺量下地质聚合物各养护期龄的平均抗压强度Fig.6 Average compressive strength of geopolymer with different water glass contents at different curing periods

2.5 水玻璃模数对碱基地质聚合物胶凝材料力学性能的影响

为了分析水玻璃模数对碱激发W-HMNS 基地质聚合物抗压强度的影响规律，对表4 中水玻璃模数在不同水平下各组号试件的平均抗压强度进行了计算，结果如图7所示。从图7可以看出，养护3、7、28 d后，W-HMNS 基地质聚合物抗压强度均随着水玻璃模数的增加而增加。这是由于当水玻璃模数较低时，激发剂碱度较高，导致原料的解聚速率高于缩聚速率，从而阻碍水化反应的进行；同时，较低的模数也会导致体系中[SiO4］的含量减少，无法为水化反应提供足够的反应物，从而降低胶凝材料的抗压强度。

图7 不同水玻璃模数下地质聚合物各养护期龄的平均抗压强度Fig.7 Average compressive strength of geopolymers with different water glass modulus at different curing ages

2.6 地质聚合物的物相组成和微观形貌

2.6.1 XRD分析

图8为原料和最佳配比下得到的地质聚合物胶凝材料各养护期龄的XRD 谱图。由图8可知，碱激发后仍检测到明显的石英和镁铁橄榄石的衍射峰，说明石英和镁铁橄榄石几乎不参与碱激发反应；碱基W-HMNS 地质聚合物的结晶产物主要是水化钙铝黄长石、水化硅酸钙、钠钙镁硅酸盐等，且随着养护时间的延长其含量逐渐增多；HMNS经碱活化后，25°~35°处的馒头峰变成了弥散的宽峰（25°~40°），这主要是由铝硅酸盐凝胶的形成造成的[18-19］，表明无定型的铝硅酸盐凝胶是碱基地质聚合物的主要矿物相。在地质聚合物的XRD 谱图中没有检测到导致结构膨胀的Mg（OH）2结晶产物[20］，说明富镁镍渣中的Mg2+经活化处理后不会在地聚合过程中产生Mg（OH）2。该结果也与线性膨胀率的测试结果一致。

图8 原料和碱基地质聚合物各养护期龄的XRD谱图Fig.8 XRD patterns of raw materials and basic geopolymers at different curing ages

2.6.2 FT-IR分析

采用FT-IR技术可以有效地了解地质聚合物前体和反应产物中化学键的变化[21-22］。图9为最佳配比下得到的碱基地质聚合物各养护期龄的FT-IR图。由图9可知，以3 426 cm-1为中心的宽频带是由于吸附水的对称拉伸（3 280 cm-1）和不对称拉伸（3 490 cm-1）重叠造成的[23］；1 637 cm-1处的振动峰归属于—OH，该—OH 在铝硅酸盐凝胶中以结合水的形式存在[24］；1 400 cm-1处的特征谱带归属于，这是由于体系中残留的碱与空气中CO2反应生成了碳酸氢钠和碳酸钠[23］；504 cm-1处的振动峰归属于Si—O 的弯曲振动；1 052 cm-1处的振动峰归属于Si—O—Si 的不对称拉伸振动[25］，养护7 d 后该振动峰消失，表明W-HMNS 中的玻璃相溶解，生成胶凝相；998 cm-1处的振动峰归属于Q2的不对称振动；887 cm-1处的特征谱带归属于Al—OH[26］，说明地聚合反应的生成产物是由[SiO4］四面体和[AlO4］四面体为基体形成的铝硅酸盐凝胶；612 cm-1处的特征谱带是由于Si—O—Al 的弯曲振动引起的[11］；464 cm-1处的特征峰归属于Mg—O振动[27］，其与504 cm-1处的Si—O振动峰形成一个宽峰，这是由于Mg2+、Al3+取代了Si4+形成了Na-Al（Mg）-Si-O-H（N-M-A-S-H）凝胶。

图9 碱基地质聚合物各养护期龄的FT-IR图Fig.9 FT-IR spectra of basic geopolymer at different curing ages

2.6.3 SEM分析

为了进一步研究碱激发W-HMNS 基地质聚合物的水化产物和微观形貌，对最优方案制得的W-HMNS 基地质聚合物各养护期龄后的形貌进行了表征，结果见图10。由图10 可知，随着养护期龄的增加，胶凝材料变得更加密实，空隙逐渐被填满，开裂逐渐减少，因此宏观上表现为强度逐渐增强。养护3 d后可以观察到不规则块状物，但是其随着养护时间的延长逐渐消失。EDS 结果表明，该不规则块状物主要元素为O、Mg、Si，由此可判定其为未参与反应的W-HMNS，说明活化处理有利于铝硅酸盐原料的溶解及地质聚合反应程度的提高。3号区域和4 号区域的EDS 谱图显示O、Na、Mg、Al 和Si 的峰值较高，表明W-HMNS 基地质聚合物在养护3 d 后就生成了钠镁铝硅酸盐凝胶（N-M-A-S-H）[24，28］，且随着养护时间的延长，N-M-A-S-H 凝胶量逐渐增多。同时，W-HMNS 中高含量的Mg 在地聚合过程中主要用于生成N-M-A-S-H，因此，活化后的富镁镍渣基地质聚合物具有良好的体积安定性。从各养护期龄样品的SEM 图中均观察到球状物；EDS 结果显示该球状物含有大量的O、Si、Al 等元素，结合SEM 图可以判定其为FA，表明在碱激发剂作用下FA 并未完全参与反应。从图10 还可以观察到FA周围包裹着大量的胶凝相，表明未反应的FA在地质聚合物中充当骨架作用，大量的钠镁铝硅酸盐胶凝相包裹着未反应的FA形成致密的凝胶-晶相结构。研究表明[29］，以晶体为骨架、胶体为黏结介质形成的凝胶-晶相结构比基于胶凝的结构更加合理。这种结构增加了地质聚合物的密度，形成了具有更高强度的硬化体。

图10 碱基地质聚合物材料各养护期龄的SEM图及EDS谱图Fig.10 SEM images and EDS spectra of basic geopolymer materials at different curing ages

2.6.4 TG-DSC分析

图11 是最优试样的TG-DSC 曲线。由图11 可知，在DSC 曲线上107 ℃附近出现了1个吸热峰，这主要是由于N-M-A-S-H中自由水和吸附水的蒸发引起的[30］。在200 ℃之前，各期龄样品的质量急速下降，同时养护时间越久下降越多，养护28 d后质量损失率达到了8.68%，说明地质聚合物的水化程度随着养护时间的延长逐渐增加，这也与SEM结果一致。在200~600 ℃，质量损失速率减小并趋于平稳，该阶段质量损失率达到2.49%，这主要是由材料中的铝硅酸盐相分解造成的。在600 ℃以后，地质聚合物的质量基本趋于稳定。

图11 碱基地质聚合物材料各养护期龄的TG-DSC曲线Fig.11 TG-DSC curves of basic geopolymer materials at different curing ages

3 结论

本研究以富镁镍渣、粉煤灰为主要原料，对富镁镍渣进行活化处理，并将活化后的富镁镍渣通过水玻璃激发制备成地质聚合物，得到以下结论。

1）经活化处理后，富镁镍渣基地质聚合物28 d抗压强度可达35.60 MPa，较未活化处理的富镁镍渣基地质聚合物抗压强度提升60.7%。

2）影响碱激发W-HMNS 基地质聚合物抗压强度的因素主次顺序依次为水玻璃掺量（B）、水玻璃模数（C）、m（W-HMNS）∶m（FA）（A）。m（W-HMNS）∶m（FA）、水玻璃掺量及水玻璃模数对碱激发WHMNS基地质聚合物的体积安定性影响均较小。

3）主要水化产物为钠镁铝硅酸盐凝胶，还有少部分铝硅酸盐及水化硅酸钙等组成的凝胶相和结晶相，未发现Mg（OH）2。大量的N-M-A-S-H 胶凝相包裹着未反应的FA 形成致密的凝胶-晶相结构。该研究为富镁镍渣作为原料制备地质聚合物的实际应用提供了一定的指导，并为提高矿渣的火山灰活性提供了一种新思路。