論堿激發(fā)劑和礦渣對石粉-鎳渣聚合物砂漿性能的影響

毛文宮

(福建省凱景投資集團(tuán)有限公司 福建福州 350002)

0 引言

我國冶金產(chǎn)業(yè)每年產(chǎn)生約4.5億噸固體廢棄物，其中礦渣、鋼渣、赤泥和鎳渣為四大冶煉工業(yè)廢渣。冶金廢渣無論是堆放處置或填埋處置，其中的有害重金屬成分都會(huì)對周圍的土壤和地下水造成污染，嚴(yán)重影響周圍環(huán)境。若能有效利用這些冶金廢渣，將其轉(zhuǎn)化為水泥膠凝材料，一方面可以使工業(yè)廢棄物無害化、資源化，有效改善周圍環(huán)境；另一方面可降低水泥生產(chǎn)環(huán)節(jié)的二氧化碳排放量，有效降低溫室效應(yīng)，具有顯著的綠色生態(tài)效益和社會(huì)意義。

1 原材料

原材料包括鎳渣、礦渣、石粉、NaOH、無水Na2CO3、無水Na2SiO3、標(biāo)準(zhǔn)砂、自來水等。

礦渣采用山西礦業(yè)有限公司的S95級礦渣，其化學(xué)組成成分如表1所示。

鎳渣采用福建源鑫環(huán)保科技集團(tuán)有限公司的水淬鎳渣，其化學(xué)組成成分(表1)。

石粉取自花崗巖石材加工廠。

試驗(yàn)采用的固體堿激發(fā)劑分別為粉狀無水Na2SiO3，Na2SiO3含量大于99%，模數(shù)=1；NaOH為分析純，NaOH含量大于97.0%；無水Na2CO3為分析純，Na2CO3含量大于99.9%。

標(biāo)準(zhǔn)砂購自廈門艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司。

表1 礦渣和鎳渣的化學(xué)成分

2 試驗(yàn)方法

2.1 力學(xué)性能

石粉-鎳渣聚合物砂漿抗壓強(qiáng)度強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，按照水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(GB/T17671-2011)中的規(guī)定，每組配合比制作3組試件，在實(shí)驗(yàn)室靜置1 d后拆模，然后放置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中，至齡期28 d后測定其抗壓強(qiáng)度。

2.2 孔結(jié)構(gòu)測定

采用壓汞測孔法測定石粉-鎳渣聚合物凈漿水化產(chǎn)物的孔結(jié)構(gòu)變化規(guī)律。根據(jù)表2的配合比，配置相應(yīng)的凈漿產(chǎn)品，標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)至28 d齡期。取5 mm的硬化凈漿碎片進(jìn)行真空干燥后，對其進(jìn)行孔徑孔隙率的測定。

3 試驗(yàn)配合比

各組石粉-鎳渣聚合物砂漿的膠砂比為1∶3，水膠比均為0.35。摻入3種堿激發(fā)劑，分別編號(hào)為NS試件組(單摻Na2SiO3)、NH試件組(單摻NaOH)和NSC試件組(復(fù)摻Na2SiO3和Na2CO3)，摻入礦渣的試件組編號(hào)為NSC2-S。各組試件的具體配合比如表2所示。

表2 鎳渣聚合物砂漿配合比

4 結(jié)果和討論

4.1 堿激發(fā)劑對石粉-鎳渣聚合物砂漿抗壓強(qiáng)度的影響

從圖1中可以看出，NS組和NSC組堿激發(fā)劑可較好地激發(fā)鎳渣的強(qiáng)度，試件28 d抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)19.2 MPa和25.5 MPa,NH組堿激發(fā)劑對鎳渣的強(qiáng)度激發(fā)作用較差,試件28 d抗壓強(qiáng)度最高值僅為6.5 MPa。對比7 d和28 d強(qiáng)度值，NS組和NH組試件表現(xiàn)出早強(qiáng)的特征，NS組7 d的抗壓強(qiáng)度為28d抗壓強(qiáng)度的55%～68%，NH組7 d的抗壓強(qiáng)度為28 d抗壓強(qiáng)度的64%～69%，NSC組7 d的抗壓強(qiáng)度僅為28 d抗壓強(qiáng)度的29%～38%。

圖1 堿激發(fā)劑對石粉-鎳渣聚合物砂漿抗壓強(qiáng)度影響

圖2 礦渣摻量對石粉-鎳渣聚合物砂漿抗壓強(qiáng)度影響

4.2 礦渣摻量對石粉-鎳渣聚合物砂漿抗壓強(qiáng)度的影響

從圖2可以看出，少量礦渣的摻入，即可有效提高試件的早齡期抗壓強(qiáng)度相對值。礦渣摻量為10%時(shí)，試件7d的抗壓強(qiáng)度已達(dá)28 d抗壓強(qiáng)度的52%，隨著礦渣摻量增加為20%、30%和40%時(shí)，試件7 d的抗壓強(qiáng)度分別為28 d抗壓強(qiáng)度的62%、58%和59%，早齡期抗壓強(qiáng)度相對值未見大幅度提高。

礦渣的摻入，可提高鎳渣聚合物砂漿7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度。礦渣摻量越大，試件抗壓強(qiáng)度提高越多。當(dāng)?shù)V渣摻量為小于30%時(shí)，試件7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度增長較快；當(dāng)?shù)V渣摻量超過30%時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度增長幅度明顯放緩。

綜上分析，摻入適量的礦渣，可有效提高鎳渣聚合物砂漿的7 d和28 d的抗壓強(qiáng)度。

4.3 礦渣對石粉-鎳渣聚合物凈漿孔結(jié)構(gòu)的影響

根據(jù)孔隙直徑的大小，可將硬化漿體內(nèi)部的孔分為四類：無害孔(<20 nm)、少害孔(20 nm～100 nm)、有害孔(100 nm～200 nm)和多害孔(>200 nm)[6]。孔隙直徑越小，對漿體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度影響越小，甚至沒有影響。如果硬化漿體中存在有害孔和多害孔的數(shù)量過多，硬化漿體的強(qiáng)度就越小[7]。

圖3是28 d齡期時(shí)，摻30%礦渣NSC2-S30試件組，以及未摻礦渣的NSC2試件組硬化凈漿內(nèi)的孔徑孔隙率分布情況。NSC2試件組硬化凈漿內(nèi)的總孔隙率約為40%，其中有害孔、多害孔和少害孔約占1/2，無害孔占1/2。摻入30%的礦渣后，NSC2-S30試件組硬化漿體內(nèi)的孔隙數(shù)量明顯下降，總孔隙率不到10%，其中有害孔、多害孔和少害孔約占1/3，無害孔占2/3，硬化漿體內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為密實(shí)。

圖3 礦渣對石粉-鎳渣聚合物凈漿孔徑孔隙率的影響

5 結(jié)論

石粉-鎳渣聚合物砂漿具有早強(qiáng)特性。在石粉-鎳渣混合粉體中單摻Na2SiO3，或復(fù)摻Na2SiO3和Na2CO3的聚合物砂漿，可獲得較高的抗壓強(qiáng)度，單摻NaOH的聚合物砂漿抗壓強(qiáng)度較低。

在堿激發(fā)石粉-鎳渣地聚物漿體中摻入適量的礦渣，可有效降低硬化漿體內(nèi)的總孔隙數(shù)量，降低有害孔、多害孔和少害孔的比例，提高無害孔的比例，硬化漿體內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為密實(shí)，獲得較高的抗壓強(qiáng)度值。