汪 瀟，蔡尚勇，金 彪，楊留栓，陳 風(fēng)，剌 歡，詹學(xué)武，黃永恒(. 河南城建學(xué)院 材料與化工學(xué)院, 河南 平頂山 467036；. 平頂山市人民政府 用水節(jié)水管理辦公室，河南 平頂山 467036)

高強(qiáng)鎳渣混凝土磚的制備研究

汪 瀟1，蔡尚勇2，金 彪1，楊留栓1，陳 風(fēng)1，剌 歡1，詹學(xué)武1，黃永恒1
(1. 河南城建學(xué)院 材料與化工學(xué)院, 河南 平頂山 467036；2. 平頂山市人民政府 用水節(jié)水管理辦公室，河南 平頂山 467036)

以預(yù)處理后的鎳渣為主要原料、輔以42.5級(jí)硅酸鹽水泥和碎石，采用振動(dòng)成型、自然養(yǎng)護(hù)制備鎳渣混凝土磚，重點(diǎn)研究了鎳渣摻量、水泥用量和齡期對(duì)鎳渣混凝土磚強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明：鎳渣摻量和水泥摻量對(duì)鎳渣混凝土磚強(qiáng)度影響明顯。隨鎳渣摻量增大，試樣抗壓強(qiáng)度逐漸降低，抗折強(qiáng)度先增大后減小；當(dāng)鎳渣、水泥、碎石的質(zhì)量比為5 ∶3 ∶2時(shí)，自然養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)的抗壓、抗折強(qiáng)度分別為20.97 MPa和4.63 MPa，達(dá)到了免燒磚MU20強(qiáng)度等級(jí)的要求。

鎳渣；混凝土；高強(qiáng)磚；振動(dòng)成型；自然養(yǎng)護(hù)

鎳渣是工業(yè)提鎳后產(chǎn)生的廢渣。由于鎳是一種戰(zhàn)略物資，應(yīng)用廣泛，導(dǎo)致大量鎳渣產(chǎn)生，國(guó)內(nèi)僅某集團(tuán)每年鎳渣排放已超過(guò)100萬(wàn)t，主要處置方式為簡(jiǎn)單堆放，累計(jì)堆積量已超過(guò)1 000萬(wàn)t[1-2]。堆積的鎳渣不僅占用大量的土地，而且破壞周邊的生態(tài)環(huán)境，造成資源浪費(fèi)。

鎳渣主要由SiO2、MgO、Fe2O3、Al2O3、CaO等組成，多以玻璃態(tài)物質(zhì)存在，僅含有少量的鎂橄欖石和SiO2結(jié)晶相，具有潛在的火山灰活性[3]。目前，鎳渣綜合利用研究主要集中于鎳渣有價(jià)組元的回收、微晶玻璃及水泥混合材的制備[4-6]。George Wang[7]等以空冷鎳渣為集料，配制了公路混凝土，研究了其在混凝土中應(yīng)用的可能性；單昌鋒[8]對(duì)鎳渣取代建筑砂用于水泥混凝土進(jìn)行了研究，降低了混凝土的生產(chǎn)成本。總體而言，對(duì)于鎳渣的綜合利用研究仍處于探索階段。

目前，混凝土磚強(qiáng)度多為中低強(qiáng)度等級(jí)，使得其砌體強(qiáng)度也相對(duì)較低[9-10]。雖然利用鎳渣制備免燒磚也有一定的研究，但制備的免燒磚也為中低強(qiáng)度[11-12]。這使得混凝土砌體自燒結(jié)磚“禁實(shí)”、“禁黏”以來(lái)，市場(chǎng)上尚缺乏一種強(qiáng)度等級(jí)達(dá)MU20及以上的免燒結(jié)高強(qiáng)磚，以取代燒結(jié)磚“禁實(shí)”、“禁黏”后市場(chǎng)的不足，尤其是廣大農(nóng)村居民對(duì)住房建設(shè)的需求。鑒于此，本文以預(yù)處理后鎳渣為主要原料，研究高強(qiáng)鎳渣混凝土磚制備技術(shù)，以滿足建材市場(chǎng)對(duì)高強(qiáng)磚的需求，擴(kuò)大鎳渣的資源化利用。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

1.1.1 鎳渣

鎳渣由國(guó)內(nèi)某鎳業(yè)有限公司提供，其化學(xué)組成如表1 所示。

表1 鎳渣化學(xué)組成

利用球磨機(jī)(HLXMQ-240*90型)對(duì)鎳渣進(jìn)行球磨，將球磨后的鎳渣進(jìn)行篩分，80目以上的粗鎳渣，參照砂子篩分析方法，測(cè)得其細(xì)度模數(shù)MX=1.5，試驗(yàn)時(shí)部分取代砂子；80 目以下的細(xì)鎳渣作為膠凝材料，試驗(yàn)時(shí)部分取代水泥。

1.1.2 骨料

參照(GB/T14684-2011)《建筑用砂》標(biāo)準(zhǔn)， 細(xì)集料由粒徑為80目以上的粗鎳渣和砂子組成，粗骨料用石灰?guī)r碎石，其粒徑范圍為4.75～9.5 mm，連續(xù)級(jí)配，密度2 600 kg/m3，含水率為0.13%。

1.1.3 水泥

水泥為PO42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，其技術(shù)指標(biāo)如表2所示，符合《通用硅酸鹽水泥》(GB175-2007)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 水泥的物理和力學(xué)性能

注：試驗(yàn)用水為自來(lái)水。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試樣組成

參照《砌墻磚試驗(yàn)方法》(GB/T 2542-2012)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，樣磚規(guī)格為240 mm×115 mm×53 mm標(biāo)準(zhǔn)磚，采用振動(dòng)成型，其組成配比如表3所示。

表3 鎳渣混凝土磚配比

1.2.2 試樣制備與性能測(cè)試

將球磨、篩分后的鎳渣分別計(jì)量并按照表3配比進(jìn)行配料，加水混合攪拌均勻，然后將攪拌均勻的混合料裝入磨具振動(dòng)成型，24 h后拆模并進(jìn)行自然養(yǎng)護(hù)，即可獲得試樣。

其具體制備工藝流程如圖1所示。

制備的鎳渣混凝土磚試樣抗壓、抗折強(qiáng)度測(cè)試參照《砌墻磚試驗(yàn)方法》(GB/T 2542-2012)執(zhí)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 鎳渣摻量對(duì)鎳渣混凝土磚強(qiáng)度的影響

渣摻量對(duì)鎳渣混凝土磚試樣強(qiáng)度的影響見(jiàn)表4。當(dāng)保持水泥用量不變時(shí)，隨鎳渣摻量的增加，其抗折強(qiáng)度先增大后減??；在鎳渣摻量為40%～50%時(shí)，抗折強(qiáng)度相對(duì)較大?？箟簭?qiáng)度隨鎳渣摻量的增加逐漸降低，當(dāng)鎳渣摻量超過(guò)50%時(shí)，強(qiáng)度下降明顯加快。

圖1 鎳渣混凝土磚制備工藝流程

表4 鎳渣摻量對(duì)鎳渣混凝土磚強(qiáng)度的影響

與鎳渣摻量為50%的鎳渣混凝土磚試樣相比，鎳渣摻量為60%的試樣抗折強(qiáng)度降低27%，抗壓強(qiáng)度降低38%，且低于MU15強(qiáng)度等級(jí)，強(qiáng)度下降明顯。相比而言，在鎳渣摻量為40%～50%時(shí)，抗折強(qiáng)度相對(duì)較大，抗壓強(qiáng)度雖有下降，但仍高于MU20強(qiáng)度等級(jí)。綜合考慮鎳渣的減量化和市場(chǎng)對(duì)高強(qiáng)磚的需求，以鎳渣摻量為50%制備鎳渣混凝土磚較為適宜。

2.2 水泥摻量對(duì)鎳渣混凝土磚強(qiáng)度的影響

已有研究表明，水泥用量對(duì)鎳渣潛在膠凝性能的發(fā)揮具有一定的影響，進(jìn)而對(duì)鎳渣混凝土磚的強(qiáng)度產(chǎn)生影響[13-14]。因此，研究水泥用量對(duì)鎳渣混凝土磚強(qiáng)度的影響是必要的。圖2是鎳渣摻量分別為50%和60%時(shí)不同水泥用量下制備的鎳渣混凝土磚試樣28 d的抗壓、抗折強(qiáng)度。

圖2 水泥用量對(duì)鎳渣混凝土磚強(qiáng)度的影響

對(duì)于鎳渣量50%的鎳渣混凝土磚試樣，隨著水泥用量的增加，其抗壓強(qiáng)度先升高后趨于穩(wěn)定，抗折強(qiáng)度則呈先增加后降低的變化趨勢(shì)。當(dāng)水泥用量為30%時(shí)，其28 d抗壓、抗折強(qiáng)度均相對(duì)較高，與水泥用量為20%的試樣相比，其抗壓強(qiáng)度提高46%，抗折強(qiáng)度提高103%，但進(jìn)一步增加水泥摻量到40%，試樣抗壓強(qiáng)度無(wú)明顯變化，抗折強(qiáng)度反而有所降低。

對(duì)于鎳渣量60%的鎳渣混凝土磚試樣，隨著水泥用量的增加，其抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度均逐步提高。當(dāng)水泥用量為40%時(shí)，試樣的抗壓、抗折強(qiáng)度均相對(duì)最大，分別達(dá)20.35 MPa、4.44 MPa。

與鎳渣摻量50%、水泥用量30%制備的鎳渣混凝土磚試樣相比，對(duì)于鎳渣摻量60%、水泥摻量40%的試樣，盡管其強(qiáng)度也達(dá)到了MU20 的要求，但抗壓、抗折強(qiáng)度均有所降低，且水泥用量的增加，將導(dǎo)致鎳渣混凝土磚生產(chǎn)成本的提高。這與表4的分析結(jié)果相一致。因此，以鎳渣摻量50%，水泥用量30%時(shí)制備的鎳渣混凝土磚試樣綜合性能相對(duì)較優(yōu)。

2.3 齡期對(duì)鎳渣混凝土磚強(qiáng)度的影響

由于鎳渣具有潛在的膠凝性，其水化速度及水化產(chǎn)物將可能對(duì)鎳渣混凝土磚的強(qiáng)度產(chǎn)生影響，因而，進(jìn)一步研究齡期對(duì)鎳渣混凝土磚強(qiáng)度的影響是有意義的。為此，對(duì)鎳渣摻量50%，水泥用量30%的鎳渣混凝土磚試樣進(jìn)行不同齡期養(yǎng)護(hù)后，測(cè)得其抗壓、抗折強(qiáng)度如圖3所示。

由圖3可知，鎳渣混凝土磚試樣初期強(qiáng)度發(fā)展較快，其7 d抗壓、抗折強(qiáng)度分別達(dá)19.9 MPa和3.0 MPa；隨著齡期的延長(zhǎng)，其強(qiáng)度進(jìn)一步增加，但在7～28 d齡期中，鎳渣混凝土磚抗壓、抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢。隨齡期進(jìn)一步延長(zhǎng)到60 d時(shí)，鎳渣混凝土磚試樣抗壓強(qiáng)度又有明顯增加，達(dá)25.3 MPa，而抗折強(qiáng)度卻有所降低，但仍達(dá)3.74 MPa。

圖3 齡期對(duì)鎳渣混凝土磚強(qiáng)度的影響

2.4 鎳渣水化機(jī)理及其對(duì)混凝土磚強(qiáng)度影響分析

有研究表明，對(duì)于主要化學(xué)組成為SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO等，以玻璃態(tài)存在的堿性礦渣，均具有潛在活性，在堿激發(fā)劑作用下，將發(fā)生水化反應(yīng)[15-16]。由于鎳渣混凝土磚中含有一定量的水泥，遇水后將發(fā)生水化反應(yīng)，生成Ca(OH)2，從而為鎳渣的活性激發(fā)提供了激發(fā)劑，使其與鎳渣表面的活性SiO2和Al2O3發(fā)生反應(yīng)，生成C-S-H和C-A-H凝膠，使得溶液中OH-濃度增加，鎳渣中以玻璃態(tài)存在的鐵、鎂被解聚，形成較多的Fe3+、Fe2+與Mg2+，與OH-反應(yīng)生成Fe(OH)3、Fe(OH)2和Mg(OH)2，進(jìn)而生成鈣礬石填充到水化產(chǎn)物中[14,17]。這是鎳渣混凝土磚具有較高強(qiáng)度的原因所在。

當(dāng)鎳渣和水泥用量適宜時(shí)，將形成較多的C-S-H、C-A-H凝膠和鈣礬石，使得鎳渣混凝土磚抗壓、抗折強(qiáng)度均得以提高。當(dāng)水泥用量相對(duì)鎳渣不足時(shí)，水泥水化后產(chǎn)生的Ca(OH)2較少，使鎳渣的活性難以充分激發(fā)，試樣強(qiáng)度降低，表4的試驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)。但當(dāng)水泥用量相對(duì)鎳渣過(guò)量時(shí)，由于鎳渣中CaO含量較低，生成C-S-H、C-A-H凝膠和鈣礬石的鈣源不足。這可能是導(dǎo)致圖2中鎳渣摻量為50%，水泥用量40%的鎳渣混凝土磚試樣，其抗壓強(qiáng)度較水泥用量為30%的試樣并無(wú)明顯變化，而抗折強(qiáng)度反而有所降低的原因所在。

隨著齡期的延長(zhǎng)，水泥水化反應(yīng)基本完成，鎳渣的水化反應(yīng)也更加徹底，C-A-H凝膠與水泥中的石膏不斷反應(yīng)，其含量逐漸減少，生成更多的鈣礬石填充在其他水化產(chǎn)物中，提高了試樣致密度[15]。因此，C-A-H凝膠的減少和更多鈣礬石的產(chǎn)生，使得28 d齡期后鎳渣混凝土磚試樣的抗壓強(qiáng)度繼續(xù)增長(zhǎng)，抗折強(qiáng)度又有所降低，但這還需進(jìn)一步研究證實(shí)。

3 結(jié)論

(1)以鎳渣為主要原料、輔以硅酸鹽水泥和碎石，可以制備強(qiáng)度較高的鎳渣混凝土磚。當(dāng)鎳渣、水泥、碎石的質(zhì)量比為5 ∶3 ∶2時(shí)，其28 d抗折、抗壓強(qiáng)度分別為4.63 MPa和20.97 MPa，達(dá)到免燒磚MU20強(qiáng)度等級(jí)要求。

(2)鎳渣摻量和水泥摻量對(duì)鎳渣混凝土磚抗折、抗壓強(qiáng)度影響明顯。隨著鎳渣摻量的增大，試樣抗壓強(qiáng)度逐漸降低，抗折強(qiáng)度先增大后減小。

[1] 段光福, 劉萬(wàn)超, 陳湘清, 等. 江西某紅土鎳礦冶煉爐渣作水泥混合材[J]. 金屬礦山, 2012(11):159-162.

[2] 倪文, 賈巖, 鄭斐, 等. 金川鎳棄渣鐵資源回收綜合利用[J]. 北京科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 32(8):975-980.

[3] 楊全兵, 羅永斌, 張雅欽, 等. 鎳渣的粉磨特性和活性研究[J]. 粉煤灰綜合利用, 2013(2):23-26.

[4] 肖景波, 夏嬌彬, 陳居玲. 從煉鎳廢渣中綜合回收有價(jià)金屬[J]. 濕法冶金, 2014, 33(2):124-127.

[5] Zhongjie Wang,Wen Ni, Yan Jia, et al. Crystallization behavior of glass ceramics prepared from the mixture of nickel slag, blast furnace slag and quartz sand[J]. Journal of Non-Crystalline Solids, 2010, 356(31-32):1554-1558.

[6] Nobuyuki Imanishi, Ryo Watanabe. Pelletizing of nickel residue from laterite for direct reduction process[J]. International Journal of Mineral Processing, 1987, 19(1-4):115-126.

[7] George Wang, Russell G. Hot-Mix asphalt that contains nickel slag aggregate- laboratory evaluation of use in highway construction[J]. Transportation Research Record Journal of the Transportation Research Board, 2011(2):1-8.

[8] 單昌鋒, 王鍵, 鄭金福, 等. 鎳渣在混凝土中的應(yīng)用研究[J]. 硅酸鹽通報(bào), 2012, 31(5): 1263-1268.

[9] 曹萬(wàn)林，王卿，周中一，等. 再生混凝土磚砌體抗壓性能試驗(yàn)研究[J]，世界地震工程，2011, 27(3): 17-22.

[10] 鄭山鎖，宋哲盟，趙鵬，等. 凍融循環(huán)對(duì)再生混凝土磚砌體抗壓性能的影響[J]，建筑材料學(xué)報(bào)，2016, 19(1): 131-136.

[11] 張?jiān)粕? 郭盼盼, 劉國(guó)建. 一種鎳渣混凝土磚及其制備方法[P]. CN103408277A, 2013.

[12] 侯汝欣. 高強(qiáng)磚的砌體抗壓試驗(yàn)研究[J]，四川建筑科學(xué)研究，2004, 30(3): 108-110

[13] 王佳佳, 劉廣宇, 倪文, 等. 激發(fā)劑對(duì)金川水淬二次鎳渣膠結(jié)料強(qiáng)度的影響[J]. 金屬礦山，2013(4):159-163.

[14] 高術(shù)杰, 倪文, 李克慶, 等. 用水淬二次鎳渣制備礦山充填材料及其水化機(jī)理[J]. 硅酸鹽學(xué)報(bào), 2013, 41(5):612-619.

[15] 盛廣宏, 翟建平. 鎳工業(yè)冶金渣的資源化[J]. 金屬礦山, 2005(10):69-71.

[16] 徐彬, 蒲心誠(chéng). 礦渣分相結(jié)構(gòu)與礦渣潛在水硬活性本質(zhì)研究[J]. 硅酸鹽學(xué)報(bào), 1997(6):729-733.

[17] 彭華. 諾蘭達(dá)爐渣的綜合利用研究(下)[J]. 金屬礦山, 2004 (3):62-66.

Preparation of high strong concrete bricks added nickel slag

WANG Xiao1, CAI Shang-yong2, JIN Biao1, YANG Liu-shuan1, CHEN Feng1, LA Huan1, ZHAN Xue-wu1, HUANG Yong-heng1
(1.SchoolofMaterialandChemicalEngineering,HenanUniversityofUrbanConstruction,Pingdingshan467036,China; 2.WaterSavingManagementOffice,PingdingshanMunicipalGovernment,Pingdingshan467036,China)

Taking pretreatment of nickel slag as the main raw material, supplemented by 42.5 grade Portland cement and gravel, using vibration molding, natural conservation preparation of nickel slag concrete brick, the effects of nickel slag content, cement dosage and age on the strength of nickel slag concrete brick were studied emphatically. The results show that the content of nickel slag and the content of cement have obvious influence on the strength of nickel slag concrete brick. With the increase of nickel slag content, the compressive strength of the sample decreases gradually, and the flexural strength increases first and then decreases. When the mass ratio of nickel slag, cement and gravel is 5 ∶ 3 ∶2, the compressive strength and flexural strength of natural dredging are 20.97 MPa and 4.63 MPa respectively, which meet the requirements of MU20 strength grade.

nickel slag; concrete; high strength brick; vibration molding; natural curing

2017-01-03

河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目(15A560015)；河南省教育廳基金項(xiàng)目(14A560006)

汪 瀟(1975—)，男，陜西漢中人，博士，副教授。

1674-7046(2017)02-0023-05

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.02.005

TU522

A