三種不同鎳渣混合生產復合摻合料的研究

殷素紅，馬健，顏波，李堅榮

（1.華南理工大學，廣東 廣州 510641；2.陽江市大地環保建材有限公司，廣東陽江 529500）

近年來，隨紅土鎳礦RKEF法鎳鐵不銹鋼一體化生產線的逐漸推廣[1]，鎳渣的種類根據其生產工藝分為高爐鎳鐵渣，電爐鎳鐵渣，不銹鋼精煉渣[2]。目前高爐鎳鐵渣可用于生產高爐鎳鐵渣粉[3-5]，電爐鎳鐵渣可用于生產電爐鎳鐵渣粉和機制砂[6-8]，不銹鋼精煉渣尚未有效利用。隨著JC/T 2503-2018《用于水泥和混凝土中的鎳鐵渣粉》標準的發布和正式實施，為高爐鎳鐵渣和電爐鎳鐵渣的利用提供了標準依據。復合摻合料既可保持單一種類礦物摻合料的優點，又可利用復合效應減少摻入低品質固廢后對摻合料性能的影響，實現低品質固廢在建材中的應用，同時解決優質摻合料短缺，價值高的問題。

本文以陽江市RKEF法鎳鐵不銹鋼生產線產出的不同鎳渣為研究對象，探究復摻制備不銹鋼精煉混合渣-高爐鎳鐵渣-電爐鎳鐵渣粉復合摻合料，以期實現不銹鋼精煉混合渣在生產建材中的利用。

1 原材料和試驗方法

1.1 原材料

三種鎳渣包括高爐鎳鐵渣、電爐鎳鐵渣及不銹鋼精煉混合渣（以下簡稱為高爐渣、電爐渣及精煉渣）均來自陽江市大地建材環保有限公司，其化學組成見表1，礦物組成見圖1。

圖1 三種鎳渣XRDFig. 1 XRD patterns of three kinds of nickel slags

表1 三種鎳渣化學成分/%Table 1 Chemical composition of three types of nickel slags

水泥采用廣州珠江水泥廠生產的P·II 42.5級硅酸鹽水泥，其物理力學性能見表2。標準砂為廈門艾思歐標準砂有限公司生產。

表2 水泥物理力學性能Table 2 Physical and mechanical properties of cement

1.2 實驗方法

采用實驗室水泥標準球磨機對鎳渣進行粉磨，型號為SM (500×500) mm，磨球為磨機出廠原配鋼磨球，采用標準級配和裝球量，每次入磨物料3 kg。

摻合料細度按照GB/T 1345《水泥細度檢驗方法篩析法》測定；比表面積按照GB/T 8074《水泥比表面積測定方法 勃氏法》測定；粒度分布采用丹東百特儀器有限公司生產的BT-9300S型激光粒度分析儀測定，分散劑為酒精。

摻合料的膠砂流動度比和活性指數依據JG/T 486《混凝土用復合摻合料》進行。

2 結果與討論

2.1 不同鎳渣的特性

2.1.1 粉磨特性

為探討不同鎳渣的粉磨特性，將三種鎳渣進行不同時間的粉磨，并分別測定其比表面積，結果見圖2。

圖2 不同鎳渣比表面積隨粉磨時間的變化Fig. 2 Changes of specific surface area of different nickel slags with grinding time

由圖2可知，高爐渣和電爐渣的比表面積隨粉磨時間延長而增加，高爐渣主要由玻璃體組成，易磨性較差，比表面積隨粉磨時間延長而緩慢增長；電爐渣晶體礦物含量更多，易磨性優于高爐渣，比表面積隨粉磨時間延長而快速增大。精煉渣由于經過特殊處理工藝[2]，未粉磨之前顆粒已較細且有團聚現象，其粉磨15 min比表面積即可達到400 m2/kg，由于粉體團聚使其比表面積與粉磨時間無明顯關聯，但隨粉磨時間延長仍呈增大趨勢。

混凝土用摻合料一般粉磨至比表面積為400 ～450 m2/kg，針對三種鎳渣的粉磨特性，相同粉磨條件下，粉磨至比表面積450 m2/kg左右，高爐渣需要60 min，電爐渣需要45 min，精煉渣需要30 min，易磨性不同導致三種鎳渣實際工業生產混合粉磨相同時間下細度不一致，影響粉體的性能發揮，所以要考慮合適的摻比、粉磨工藝和助磨劑。

2.1.2 流動度比

比表面積為300 ～ 500 m2/kg的三種鎳渣粉的膠砂流動度比結果見圖3。

圖3 不同比表面積下三種鎳渣粉的流動度比Fig .3 Fluidity ratio of three kinds of nickel slag powaer unadr no specific surface area

相近比表面積情況下三種鎳渣粉的粒度頻率分布曲線見圖4，中位徑及粒徑累積分布見表3。

圖4 相近比表面積下三種鎳渣粉粒度頻率分布Fig. 4 Frequency distribution curve of three kinds of nickel slag powders with similar specific surface area

表3 相近比表面積下三種鎳渣粉的中位徑及顆粒含量分布Table 3 Median diameter and particle content distribution of three kinds of nickel slag powders with similar specific surface area

由圖3可知，三種鎳渣粉的膠砂流動度比均隨比表面積（粉磨時間）先增加后下降。其主要原因為：鎳渣經過粉磨后，其顆粒形貌得到改善，顆粒級配趨于合理，隨著其比表面積增加，細顆粒增加填充了更多的空隙，且由于鎳渣粉初期幾乎不發生水化反應，相當于惰性摻合料，增加了系統中自由水的含量，但隨著其比表面積的提高，浸潤鎳渣粉顆粒表面需要更多的水，降低了自由水含量，使其流動度下降。

相同用水量條件下，三種鎳渣在比表面積相近時，電爐渣膠砂的流動度最大，高爐渣次之，而精煉渣膠砂的流動度最小。從表3和圖4可看出，在比表面積相近的情況下，電爐渣中小于20 μm的顆粒最少，且中位徑最大，相比高爐渣及精煉渣顆粒更粗，潤濕鎳渣粉顆粒表面用水量少，體系中自由水含量較多，所以流動性較好；高爐渣中小于20 μm的顆粒最多，中位徑最小，相對最細，潤濕顆粒表面用水量較多，但其與水泥顆粒堆積形成的粉體體系更緊密，空隙較小，用于填充空隙的水較少，所以其膠砂流動度也較大，但低于電爐渣；與高爐渣相比，精煉渣中小于3 μm顆粒含量大于高爐渣，潤濕表面需要的水量更多，同時精煉渣中大于45 μm顆粒又明顯大于高爐渣，其顆粒分布較寬，與水泥顆粒堆積形成的粉體體系空隙率更大，填充空隙需要的水較多，故其膠砂流動度最差。

2.1.3 活性指數

JG/T 486《混凝土用復合摻合料》中未對復合摻合料的比表面積進行限定，而在實際使用中礦物摻合料的比表面積一般選擇在350 ～ 500 m2/kg。為研究三種鎳渣粉在比表面積為300 ～ 500m2/kg范圍時的膠凝活性變化，參照JG/T 486測試三種鎳渣粉的7 d、28 d活性指數，結果見圖5。

圖5 不同比表面積下三種鎳渣粉的活性指數Fig. 5 Activity indexes of three kinds of nickel slag powder under different specific surface areas

由圖5 可知，三種鎳渣粉的活性指數不同。在比表面積相近時，高爐渣粉的28 d活性指數遠高于電爐渣粉和精煉渣粉，較高可達到114%。這是因為高爐渣中含有部分鋁硅酸鈣礦物玻璃體，從熱力學的觀點分析，玻璃態是不穩定的，具有較高的化學潛能，活性高。電爐渣中SiO2，MgO，Fe2O3含量占到87%，主要以鎂橄欖石存在，其膠凝活性較差，且玻璃體含量較少，使其活性指數較低。精煉渣活性最差，其主要礦物為γ-C2S，膠凝活性低，同時由于其經堆冷至一定溫度后噴水冷卻，再經水洗粉磨選金屬處理，在這個過程中，活性物質與水發生反應降低了其活性，使得其活性指數最低。

高爐渣粉的活性指數隨比表面積的增加先增加而后趨于穩定，粉磨至467 m2/kg后繼續增加比表面積對活性影響不大；電爐渣粉的活性指數隨比表面積增加而增加，粉磨至比表面積達到521 m2/kg時，其28 d活性指數為76%；精煉渣的7 d活性指數隨比表面積增加呈增加的趨勢，28 d活性指數隨比表面積增加先增加后下降，但活性指數均低于65%，這可能是由于比表面積大活性組分早期反應完全，而后期沒有更多活性組分繼續反應的緣故。

隨齡期延長，高爐渣粉和電爐渣粉的活性指數均增加，表明活性組分持續反應，水化程度不斷增加。而精煉渣卻存在28 d活性指數低于7 d活性指數的現象，即雖然摻精煉渣的膠砂28 d抗壓強度絕對值高于7 d抗壓強度，但相比于基準膠砂，其強度增長慢，活性指數出現倒縮，這是因為精煉渣經水磨處理工藝后，含有部分很細小的顆粒，這部分顆粒的反應活性高，在早期很快發生水化反應，而后，由于精煉渣中的主要礦物為γ-C2S，其膠凝活性很低，所以后期沒有更多活性組分繼續反應，導致強度增長慢。

2.2 不同鎳渣復摻混合粉磨制備復合摻合料的性能

由于三種鎳渣粉磨特性不同，粉磨后膠砂流動度、活性指數均有差異，高爐渣活性較高，電爐渣流動度比最大，而精煉渣的膠砂流動度和活性指數均為最差。為改善精煉渣資源化利用的局限性，采用三種鎳渣復摻混合粉磨制備復合摻合料。根據三種鎳渣的產量及資源化利用途徑，設定高爐渣和電爐渣在與精煉渣復合時摻量均小于40%，粉磨時間為45 min，研究三種鎳渣兩兩復摻及三者復摻制備的復合摻合料的比表面積、膠砂流動度比和活性指數。

2.2.1 兩種鎳渣復摻制備的復合摻合料性能

圖6、7為不同復摻比例鎳渣混合粉磨后的比表面積、流動度比和7 d、28 d活性指數。

圖6 兩種鎳渣復摻的復合摻合料的比表面積和流動度比Fig. 6 Specific surface area and fluidity ratio of the composite admixture mixed with two kinds of nickel slag

由圖6可知，精煉渣和高爐渣或電爐渣復摻時，隨著高爐渣或電爐渣摻量的增加，復合微粉的比表面積呈現下降的趨勢，且摻量為10%時，復合粉體的比表面積均比精煉渣單獨粉磨時的比表面積高。這是因為高爐渣和電爐渣的易磨性均比精煉渣差，它們的摻入量越多，復合粉體越難磨，其比表面積降低；但在混合粉磨時，易磨性更差的高爐渣和電爐渣具有“微磨球”的作用，使精煉渣顆粒被粉磨得更細，復合微粉的比表面積高于精煉渣單獨粉磨時的比表面積。電爐渣和高爐渣復摻時，復合微粉比表面積隨電爐渣摻量增加而呈增長趨勢，這是因為電爐渣的易磨性優于高爐渣，其摻量增加，復合微粉比表面積呈增長趨勢。

精煉渣與高爐渣或電爐渣復摻時，膠砂流動度比隨高爐渣或電爐渣摻量提高呈增長趨勢，高爐渣或電爐渣中細顆粒含量較精煉渣少，摻入后可降低潤濕顆粒表面的需水量，使得膠砂流動性變好；相比于精煉渣單獨作為摻合料時，摻入不同比例的高爐渣，膠砂流動度比等于或高于精煉渣單獨粉磨時的流動度比（98%），可改善精煉渣流動度較差的問題；摻入電爐渣時，摻入比例為10% ～ 30%時，膠砂流動度比等于或小于精煉渣單獨作為摻合料時的流動度比，摻入比例為40%，膠砂流動度比為100%，即摻入電爐渣粉也可改善精煉渣粉的流動度，但作用弱于高爐渣。電爐渣和高爐渣復摻時，由于電爐渣的流動性較好，所以隨電爐渣摻量提高，膠砂的流動度呈增加趨勢。

由圖7可知，精煉渣與高爐渣復摻時，膠砂7 d、28 d活性指數隨高爐渣摻量提高而升高，這是因為高爐渣的活性明顯優于精煉渣。且摻入高爐渣后，復合微粉的活性明顯優于精煉渣單獨作為摻合料時的活性，摻入10%的高爐渣后，相較于精煉渣單獨作為摻合料，復合微粉的7 d活性指數提高15%，28 d活性指數提高16%；摻入40%后，復合微粉的7 d活性指數提高28%，達80%，28 d活性指數提高33%，達82%，可達到Ⅱ級復合摻合料的要求。

圖7 兩種鎳渣復摻的復合摻合料的活性指數Fig. 7 Activity indexes of composite admixtures mixed with two kinds of nickel slag

精煉渣與電爐渣復摻時，膠砂7 d活性指數均較電爐渣和精煉渣單獨作為摻合料時的好，28 d活性指數可達到與電爐渣單獨作為摻合料時的效果；且隨電爐鎳渣摻量的提高，膠砂7 d活性指數下降，28 d活性指數升高至65%趨于穩定。這是因為電爐渣相對精煉渣易磨性差，在粉磨過程中電爐渣對精煉渣有“微磨球”的作用，使得精煉渣中細顆粒增多，細顆粒反應活性高，所以復合微粉的7 d活性指數較電爐渣和精煉渣單獨作為摻合料時的好；但隨電爐渣摻量提高，反應活性高的精煉渣細顆粒含量減少，使得復合微粉的上述效果降低，所以7 d活性指數呈下降趨勢，但仍優于電爐渣和精煉渣單獨作為摻合料時的活性指數。復合微粉28 d活性指數隨電爐渣摻量提高而升高則是因為單獨電爐渣作為摻合料時28 d活性指數為65%，優于精煉渣，當電爐渣摻量提高復合微粉28 d活性指數也相應提高，且精煉渣中細顆粒填充了空隙，改善了復合微粉與水泥組成的粉體體系的級配，使得復合微粉的28 d活性指數趨近于電爐渣單獨作為摻合料時的活性指數。摻入電爐渣對精煉渣活性改善效果較差，摻入40%后其性能也未達到Ⅲ級復合摻合料活性指數要求。

高爐渣與電爐渣復摻時，膠砂7 d、28 d活性指數均較電爐渣單獨作為摻合料時的顯著提高，較高爐渣單獨作為摻合料時的有所下降，但仍能達到I級復合摻合料的要求，當高爐渣:電爐渣=6:4時，膠砂7 d活性指數仍可達77%，28d活性指數仍可達94%。隨高爐渣摻量增加，復合微粉的7 d、28 d活性指數提高，因為三種渣中高爐渣的活性較高。當高爐渣:電爐渣=8:2時，復合微粉的7 d、28 d活性指數接近于高爐渣單獨作為摻合料時的活性指數，雖然復摻了活性更低的電爐渣，但電爐渣改善了復合微粉與水泥組成的粉體體系的級配，所以活性指數相近。

綜上所述，三種鎳渣兩兩復摻，當精煉渣:高爐渣=6:4，7 d活性指數為80%，28 d活性指數為82%，流動度比為100%，可達到行業標準JG/T 486中普通型II級復合摻合料的技術要求。當精煉渣:電爐渣=6:4，也仍未能達到行業標準JG/T486中普通型Ⅲ級復合摻合料的技術要求，既復摻電爐渣后，未能改善精煉渣的性能。

2.2.2 三種鎳渣復摻制備的復合摻合料性能

圖8為三種鎳渣復摻制備的復合摻合料的比表面積、流動度比、7 d、28 d活性指數。

由圖8可以看出，（1）H1、H2、H3與H4、H5、H6及H7、H8、H9，為電爐渣摻量一定，精煉渣摻量逐漸減少、高爐渣摻量逐漸增多的三個系列，每個系列的復合微粉的比表面積逐漸下降（精煉渣摻量減少，細顆粒含量減少），膠砂流動度比逐漸增加，活性指數逐漸提高（高爐渣摻量增大，三種鎳渣中其活性較高）。當高爐渣摻量為10%時（H1、H4、H7），復合微粉的比表面積更大，表明高爐渣易磨性差，其摻量越小，復合微粉磨得越細；當高爐渣摻量為30%時（H3、H6、H9），復合微粉的活性更高，表明高爐渣活性高，其摻量越大，復合微粉活性越好。

圖8 三種鎳渣復摻的復合摻合料的比表面積、流動度比和活性指數Fig. 8 Specific surface area, fluidity ratio and activity index of the composite admixtures mixed with three kinds of nickel slag

（2）H1、H4、H7與H2、H5、H8及H3、H6、H9，為高爐渣摻量一定，精煉渣摻量逐漸減少、電爐渣摻量逐漸增多的三個系列，每個系列的復合微粉的比表面積逐漸下降（精煉渣摻量減少，細顆粒含量減少），膠砂流動度比為增加趨勢，活性指數有提高趨勢（電爐渣摻量增大，電爐渣活性稍高于精煉渣）。當電爐渣摻量為20%時（H4、H5、H6），復合微粉的膠砂流動度比更大，表明此時復合微粉與水泥組成的粉體體系級配較好，空隙率小。當精煉渣：電爐渣：高爐渣為4:3:3時（H9），復合微粉的膠砂流動度比最大，此時精煉渣的摻量最小，細顆粒最少，且復合微粉與水泥組成的粉體體系級配較好。

（3）H2、H4與H3、H5、H7及H6、H8，為精煉渣摻量一定，高爐渣摻量逐漸減少、電爐渣摻量逐漸增多的三個系列，每個系列的復合微粉的比表面積趨于相近（精煉渣摻量一定，細顆粒含量一定），膠砂流動度比無明顯規律，活性指數逐漸下降（高爐渣摻量減少，三種鎳渣中其活性較高）。

綜上可知，性能較優的配合比為精煉渣：電爐渣：高爐渣為4:3:3，其比表面積為474 m2/kg，流動度比為103%，7 d活性指數為81%，28d活性指數為88%，可達到行業標準JG/T486中普通型II級復合摻合料的技術要求，其性能除遜于高爐渣單獨作為摻合料時的性能之外，比其他單摻及兩兩復摻的摻合料性能都明顯提高。

綜合考慮利用更多的精煉渣及復合摻合料性能，適宜配合比為精煉渣：電爐渣：高爐渣為5:2:3，其比表面積為493 m2/kg，流動度比為102%，7 d活性指數為80%，28 d活性指數為80%，可達到行業標準JG/T486中普通型II級復合摻合料的技術要求。

3 結 論

（1）三種鎳渣粉磨特性和用作摻合料的性能均有差異，精煉渣易磨性較好，電爐渣次之，高爐渣最差；粉磨45 min時，高爐渣活性較高，膠砂28 d活性指數可達106%，電爐渣的膠砂流動度比最大，可達103%；而精煉渣的膠砂流動度和28 d活性指數均為最差，分別為98%和57%。

（2）三種鎳渣兩兩復摻，當精煉渣:高爐渣= 6:4，7d活性指數為80%，28 d活性指數為82%，流動度比為100%，可達到行業標準JG/T486中普通型II級復合摻合料的技術要求。當精煉渣:電爐渣=6:4，也仍未能達到行業標準JG/T486中普通型Ⅲ級復合摻合料的技術要求，既復摻電爐渣后，未能改善精煉渣的性能。

（3）綜合考慮利用更多的精煉渣及復合摻合料性能，適宜配合比為精煉渣：電爐渣：高爐渣為5:2:3，其比表面積為493 m2/kg，流動度比為102%，7 d活性指數為80%，28 d活性指數為80%，可達到行業標準JG/T 486中普通型II級復合摻合料的技術要求。

（4）三種鎳渣制備復合摻合料的性能較優配合比為精煉渣：電爐渣：高爐渣為4:3:3，其比表面積為474 m2/kg，流動度比為103%，7 d活性指數為81%，28 d活性指數為88%，可達到行業標準JG/T486中普通型II級復合摻合料的技術要求。