鎳渣活性對(duì)混凝土性能影響的研究綜述

胡愛(ài)年，劉明軒，李欣欣，曹西安，邱佳琪，王宇

（宿遷學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 宿遷 223800）

0 前言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，混凝土作為目前建筑工程中用量較大的材料致使砂石的需求量居高不下，而天然砂石的資源供給與持續(xù)攀升的需求之間的失衡現(xiàn)象也越來(lái)越明顯。開(kāi)采碎石可以在一定程度上緩解這種現(xiàn)象，但會(huì)導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重破壞，其產(chǎn)生的大量粉塵會(huì)污染大氣和水體，同時(shí)占?jí)翰霓r(nóng)田，影響居民生產(chǎn)生活；另一方面其成本也相對(duì)較高。

鎳渣是冶煉鎳鐵合金時(shí)產(chǎn)生的固體廢渣，由于其利用途徑少、排放量大，很多企業(yè)生產(chǎn)的鎳渣并沒(méi)有得到合理的處置，不僅大面積地占用土地資源，還因長(zhǎng)期堆放及雨水沖刷侵蝕等問(wèn)題，導(dǎo)致大量重金屬離子進(jìn)入土壤和水體，給周邊的生態(tài)環(huán)境造成了極大的壓力[1]。而另一方面，鎳渣也有其優(yōu)勢(shì)，鎳渣的物化性能指標(biāo)與天然砂極為接近，且當(dāng)下主流的RKEF法鎳鐵冶煉工藝排出的廢渣具有排量大、易獲取、成本低的特點(diǎn)[2]，可以很好地代替天然砂作為混凝土制備的原料。因此，研究鎳渣對(duì)混凝土的制備和性能影響，不僅可以在一定程度上解決建筑施工領(lǐng)域河砂短缺的問(wèn)題，也可以很好地緩解當(dāng)下社會(huì)因鎳渣大量堆放所造成的環(huán)保壓力。

1 鎳渣的預(yù)處理

目前，國(guó)內(nèi)部分企業(yè)正在采用鎳渣制備機(jī)制砂，也有部分企業(yè)利用鎳渣制備鎳渣微粉作為混合材使用，二者都對(duì)鎳渣資源化利用做出了很大的貢獻(xiàn)[3]。但是在實(shí)際生產(chǎn)生活中，由于未經(jīng)加工過(guò)的鎳渣活性較低，存在鐵質(zhì)礦物、不易加工等問(wèn)題，導(dǎo)致上述利用方式?jīng)]有得到廣泛推廣。以下分析了兩種常見(jiàn)的預(yù)處理方式，并探究預(yù)處理工藝對(duì)鎳渣活性的影響，以期總結(jié)出提高鎳渣活性的方法。

1.1 物理粉磨

在提高摻合料活性的過(guò)程中，一般采用物理磨細(xì)的方法來(lái)提高鎳渣的細(xì)度，使礦物晶格產(chǎn)生錯(cuò)位、缺陷，礦物顆粒的比表面積得到增大，以達(dá)到提高活性的效果[4]。但是在處理鎳渣時(shí)，由于鎳渣的礦物結(jié)晶度高、結(jié)構(gòu)致密且含有一定的鐵質(zhì)礦物，使其易磨性較差，影響著鎳鐵渣的綜合利用[5]。

針對(duì)鎳鐵渣中所含有的鐵質(zhì)礦物導(dǎo)致的易磨性較差的問(wèn)題，可以提前對(duì)鎳渣進(jìn)行除鐵處理[6]。劉梁友等人[7]提出將鎳鐵渣用顎式破碎機(jī)破碎至7mm以下，選取一部分鎳鐵渣，預(yù)粉磨至比表面積為200m2/kg左右，隨后用強(qiáng)力磁鐵除去其中的鐵。此外，還可以用熔融還原的方法將鎳鐵渣中高含量的鐵提取出來(lái)，使鐵的還原率、還原效率均達(dá)到較高水平[8]。

在粉磨過(guò)程中，選擇合適的粉磨工藝也能夠提高鎳渣的粉磨效率。有學(xué)者提出用萊歇公司的LM2＋2或3＋3磨的方式，將磨輥分為主棍和輔棍，前面的小棍為輔棍，進(jìn)行高速低壓預(yù)備粉磨；后面的大棍為主棍，負(fù)責(zé)主要的粉磨工作。通過(guò)這種方式可使料床的形成容易控制，同時(shí)磨盤(pán)還有專門(mén)的除鐵孔，能夠有效提高粉磨效率[9]。相較于傳統(tǒng)的球磨工藝，這種粉磨工藝效率大于球磨工藝，可以有效地改善并充分粉磨。

1.2 化學(xué)激發(fā)

提高鎳渣的活性不僅可以用物理粉磨的方法，還可以通過(guò)化學(xué)激發(fā)的方法來(lái)提高鎳渣的活性。在堿激發(fā)的過(guò)程中，可以通過(guò)提高堿度來(lái)提高其前期的抗壓強(qiáng)度，而想要提高鎳渣后期的抗壓強(qiáng)度則需要提高其中的硅酸根離子。

經(jīng)過(guò)水淬急冷生成的鎳渣具有潛在的堿激發(fā)活性，一般用NaOH和水玻璃作為激發(fā)劑來(lái)對(duì)鎳渣進(jìn)行堿激發(fā)。當(dāng)NaOH的含量較高時(shí)，堿激發(fā)前期反應(yīng)劇烈，但是在高含量的基礎(chǔ)上再去增加NaOH的含量對(duì)于前期反應(yīng)的加速有限，而且不利于后期反應(yīng)的進(jìn)行。而水玻璃激發(fā)鎳渣更加穩(wěn)定，其反應(yīng)程度穩(wěn)定的時(shí)間遠(yuǎn)大于NaOH，且反應(yīng)后期依然能夠持續(xù)穩(wěn)定地進(jìn)行[10]。因此，采用水玻璃作為激發(fā)劑更有利于對(duì)鎳渣活性的激發(fā)。

2 鎳渣活性對(duì)混凝土的性能影響

隨著冶煉鎳合金技術(shù)的愈發(fā)成熟，鎳廢渣中的有價(jià)金屬含量越發(fā)降低，這導(dǎo)致了鎳渣的利用效率逐年下降。而鎳渣作為一種具備潛在火山灰活性的摻合料，研究如何利用鎳渣的火山灰活性來(lái)制備混凝土，對(duì)于提高鎳廢渣的剩余利用價(jià)值、環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)都有巨大的益處。

所謂火山灰活性，指的是材料本身不能進(jìn)行水化反應(yīng)，但在常溫下加水后能與氫氧化鈣等堿激發(fā)劑反應(yīng)生成水硬性產(chǎn)物的性質(zhì)。影響鎳渣火山灰活性的主要因素是鎳渣中活性組分的含量和利用率[11]。這是因?yàn)椴煌に囍苽涞逆囋瘜W(xué)成分不盡相同，活性組分的含量也有較大差別；細(xì)度、摻量等物理性質(zhì)的改變會(huì)導(dǎo)致鎳渣中活性組分利用率的上下浮動(dòng)。這兩方面都會(huì)對(duì)鎳渣混凝土的性能產(chǎn)生影響，適量地?fù)郊涌梢杂行岣哝囋炷恋母黜?xiàng)性能，過(guò)量地?fù)饺雱t會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的負(fù)面影響。

2.1 制備方式

鎳渣的主要成分為SiO2和Al2O3，由于生產(chǎn)鎳合金的生產(chǎn)工藝和處理廢渣的方式不同，鎳渣的物化性質(zhì)也有很大的差別[12]。我國(guó)生產(chǎn)的鎳渣主要有高爐鎳鐵渣和電爐鎳鐵渣，大部分的鎳渣都經(jīng)過(guò)水淬降溫，也有部分企業(yè)因?qū)嶋H生產(chǎn)的限制選擇直接外排風(fēng)冷。這些鎳渣因?yàn)椴Ａ嗪团懦鰰r(shí)降溫溫度的不同，化學(xué)組分含量和礦物相都有所不同，在實(shí)際生產(chǎn)中如果不加以區(qū)分利用，則會(huì)造成很?chē)?yán)重的后果。

殷素紅等人對(duì)比了高爐鎳鐵渣和電爐鎳鐵渣的區(qū)別[13]，其中高爐鎳鐵渣以氧化鈣、氧化鋁含量較高，相比于電爐鎳鐵渣高出了20%左右，其礦物相以硅酸三鈣、硅酸二鈣為主。這兩者都能參與水泥的水化反應(yīng)，生成C-S-H凝膠填充在其他水泥水化產(chǎn)物之間，從而提高結(jié)構(gòu)的致密度，減少材料之間的孔隙，為鎳渣混凝土的強(qiáng)度提供了結(jié)構(gòu)保障[14]；而電爐鎳鐵渣化學(xué)成分以氧化鎂含量較高，礦物相以鎂橄欖石為主，性質(zhì)比較穩(wěn)定，本身的水化活性相對(duì)較低，但是通過(guò)使用Ca(OH)2或水玻璃進(jìn)行堿激發(fā)處理，可以有效增強(qiáng)前期的抗壓強(qiáng)度[15]，也是當(dāng)下實(shí)際生產(chǎn)中常用的手段。

此外，鎳渣冷卻方式的不同也會(huì)影響鎳渣的火山灰活性。水淬的鎳渣因經(jīng)過(guò)急速降溫，熔融鎳渣中的液相來(lái)不及晶析，會(huì)有一定量的CaO、Al2O3在氫氧化鈣的激發(fā)作用下參與水化反應(yīng)，而風(fēng)冷的鎳渣降溫緩慢，因而不具有水化活性，只能作為水泥混凝土集料來(lái)使用[5]。

2.2 物理性能指標(biāo)

2.2.1 細(xì)度

李大方等人[4]研究了細(xì)度對(duì)鎳渣混凝土性能的影響，研究表明在相同摻量時(shí)，鎳渣的細(xì)度與活性成正相關(guān)，即細(xì)度越大活性越大。這是因?yàn)榱皆叫≡接欣阪囋谢钚越M分的析出，從而在相同時(shí)間內(nèi)形成更多的水化產(chǎn)物。而由于鎳渣中的鎂橄欖石在常溫下非常穩(wěn)定，在水泥水化反應(yīng)早期幾乎不參與反應(yīng)，非常影響鎳渣的早期活性。針對(duì)這種情況，可以通過(guò)機(jī)械粉磨或?qū)㈡囋尤氲剿嗍炝现羞M(jìn)行二次球磨的方法來(lái)進(jìn)一步提高細(xì)度。許鳳廣等人[16]檢測(cè)了粉磨前后鎳渣砂的活性變化，結(jié)果顯示，經(jīng)過(guò)機(jī)械粉磨后的鎳渣相比未經(jīng)粉磨的鎳渣活性提高了將近10%，這說(shuō)明提高細(xì)度可以在一定程度上改善鎳渣的早期活性。

2.2.2 摻量

隨著鎳渣摻量的提高，鎳渣混凝土的強(qiáng)度會(huì)降低。摻量越大，混凝土早期強(qiáng)度降低越明顯，同時(shí)會(huì)影響水泥其他因素的變化，如標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間和安定性等。這是由于鎳渣的粒徑高于摻合料中天然砂的粒徑[17]，導(dǎo)致混凝土各組分之間產(chǎn)生了空隙[18]。而鎳渣在水化反應(yīng)早期相對(duì)穩(wěn)定，只產(chǎn)生少量填充空隙的C-S-H凝膠，導(dǎo)致混凝土的致密性下降，從而影響混凝土早期強(qiáng)度。

而在水化反應(yīng)后期，鎳渣中SiO2、Fe2O3等組分在水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的Ca(OH)2的激發(fā)作用下，逐步參與到水化反應(yīng)當(dāng)中，生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣。隨著鎳渣摻入量的提高，這些水化產(chǎn)物與摻加的鎳渣之間的二次水化更加充分[19]，鎳渣的火山灰活性逐步釋放。此外，提高鎳渣的摻入量可以充分發(fā)揮鎳渣的微集料效應(yīng)，使得混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密、趨于穩(wěn)定。這讓混凝土后期強(qiáng)度有所增加，防侵蝕能力、耐磨性能等都得到提高。

2.3 反應(yīng)環(huán)境

鎳渣水化反應(yīng)環(huán)境的酸堿度也會(huì)對(duì)鎳渣活性產(chǎn)生一定的影響[20]。目前，不論通過(guò)何種工藝制備而成的鎳渣，其堿度皆小于1，屬酸性渣。在堿性條件下，酸性鎳渣的玻璃體結(jié)構(gòu)更容易被破壞，易于溶出活性硅、鈣、鋁等活性組分參與到水化反應(yīng)當(dāng)中[21]。針對(duì)這樣的特性，在制備鎳渣混凝土的過(guò)程中，摻加適量的堿激發(fā)劑，或者其他堿性物質(zhì)，如石灰石等，一起來(lái)制備摻合料，可以進(jìn)一步提高鎳渣混凝土的性能。

此外，鎳渣在高溫環(huán)境下自身的網(wǎng)絡(luò)聚合度會(huì)有一定程度的改變[22]，使用經(jīng)過(guò)高溫處理后的鎳渣所制備的水泥在任意齡期的活性指數(shù)都比未經(jīng)處理的鎳渣高出10%左右。

3 結(jié)論和展望

將鎳渣作為摻合料配制的混凝土，與天然砂配制的混凝土性能基本一致，因此鎳渣與其他高爐礦渣擁有相同的潛力作為混凝土制備的原料，這也是未來(lái)混凝土行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。本文主要分析了鎳渣的活性對(duì)混凝土的性能影響，因鎳渣本身的活性較低，可以先對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，包括物理粉磨和化學(xué)激發(fā)的方式，來(lái)使鎳渣的活性得到一個(gè)較好的提升。同時(shí)，鎳渣的活性還受到細(xì)度、摻量和反應(yīng)環(huán)境等多方面因素的影響，要想制得性能良好的混凝土，就必須嚴(yán)格控制影響因素的限度條件。

為使鎳渣發(fā)揮出更大的價(jià)值，有必要對(duì)鎳渣的活性作進(jìn)一步深入的研究，在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上探尋各影響因素之間的平衡點(diǎn)，以期找出高活性鎳渣的產(chǎn)生條件，最終應(yīng)用于制備高性能的混凝土工程中，是今后鎳渣資源化利用的技術(shù)難點(diǎn)。