镍渣活性对混凝土性能影响的研究综述

胡爱年，刘明轩，李欣欣，曹西安，邱佳琪，王宇

（宿迁学院建筑工程学院，江苏 宿迁 223800）

0 前言

随着我国城市化进程的加快，混凝土作为目前建筑工程中用量较大的材料致使砂石的需求量居高不下，而天然砂石的资源供给与持续攀升的需求之间的失衡现象也越来越明显。开采碎石可以在一定程度上缓解这种现象，但会导致生态环境的严重破坏，其产生的大量粉尘会污染大气和水体，同时占压并毁坏农田，影响居民生产生活；另一方面其成本也相对较高。

镍渣是冶炼镍铁合金时产生的固体废渣，由于其利用途径少、排放量大，很多企业生产的镍渣并没有得到合理的处置，不仅大面积地占用土地资源，还因长期堆放及雨水冲刷侵蚀等问题，导致大量重金属离子进入土壤和水体，给周边的生态环境造成了极大的压力[1]。而另一方面，镍渣也有其优势，镍渣的物化性能指标与天然砂极为接近，且当下主流的RKEF法镍铁冶炼工艺排出的废渣具有排量大、易获取、成本低的特点[2]，可以很好地代替天然砂作为混凝土制备的原料。因此，研究镍渣对混凝土的制备和性能影响，不仅可以在一定程度上解决建筑施工领域河砂短缺的问题，也可以很好地缓解当下社会因镍渣大量堆放所造成的环保压力。

1 镍渣的预处理

目前，国内部分企业正在采用镍渣制备机制砂，也有部分企业利用镍渣制备镍渣微粉作为混合材使用，二者都对镍渣资源化利用做出了很大的贡献[3]。但是在实际生产生活中，由于未经加工过的镍渣活性较低，存在铁质矿物、不易加工等问题，导致上述利用方式没有得到广泛推广。以下分析了两种常见的预处理方式，并探究预处理工艺对镍渣活性的影响，以期总结出提高镍渣活性的方法。

1.1 物理粉磨

在提高掺合料活性的过程中，一般采用物理磨细的方法来提高镍渣的细度，使矿物晶格产生错位、缺陷，矿物颗粒的比表面积得到增大，以达到提高活性的效果[4]。但是在处理镍渣时，由于镍渣的矿物结晶度高、结构致密且含有一定的铁质矿物，使其易磨性较差，影响着镍铁渣的综合利用[5]。

针对镍铁渣中所含有的铁质矿物导致的易磨性较差的问题，可以提前对镍渣进行除铁处理[6]。刘梁友等人[7]提出将镍铁渣用颚式破碎机破碎至7mm以下，选取一部分镍铁渣，预粉磨至比表面积为200m2/kg左右，随后用强力磁铁除去其中的铁。此外，还可以用熔融还原的方法将镍铁渣中高含量的铁提取出来，使铁的还原率、还原效率均达到较高水平[8]。

在粉磨过程中，选择合适的粉磨工艺也能够提高镍渣的粉磨效率。有学者提出用莱歇公司的LM2＋2或3＋3磨的方式，将磨辊分为主棍和辅棍，前面的小棍为辅棍，进行高速低压预备粉磨；后面的大棍为主棍，负责主要的粉磨工作。通过这种方式可使料床的形成容易控制，同时磨盘还有专门的除铁孔，能够有效提高粉磨效率[9]。相较于传统的球磨工艺，这种粉磨工艺效率大于球磨工艺，可以有效地改善并充分粉磨。

1.2 化学激发

提高镍渣的活性不仅可以用物理粉磨的方法，还可以通过化学激发的方法来提高镍渣的活性。在碱激发的过程中，可以通过提高碱度来提高其前期的抗压强度，而想要提高镍渣后期的抗压强度则需要提高其中的硅酸根离子。

经过水淬急冷生成的镍渣具有潜在的碱激发活性，一般用NaOH和水玻璃作为激发剂来对镍渣进行碱激发。当NaOH的含量较高时，碱激发前期反应剧烈，但是在高含量的基础上再去增加NaOH的含量对于前期反应的加速有限，而且不利于后期反应的进行。而水玻璃激发镍渣更加稳定，其反应程度稳定的时间远大于NaOH，且反应后期依然能够持续稳定地进行[10]。因此，采用水玻璃作为激发剂更有利于对镍渣活性的激发。

2 镍渣活性对混凝土的性能影响

随着冶炼镍合金技术的愈发成熟，镍废渣中的有价金属含量越发降低，这导致了镍渣的利用效率逐年下降。而镍渣作为一种具备潜在火山灰活性的掺合料，研究如何利用镍渣的火山灰活性来制备混凝土，对于提高镍废渣的剩余利用价值、环境和社会经济都有巨大的益处。

所谓火山灰活性，指的是材料本身不能进行水化反应，但在常温下加水后能与氢氧化钙等碱激发剂反应生成水硬性产物的性质。影响镍渣火山灰活性的主要因素是镍渣中活性组分的含量和利用率[11]。这是因为不同工艺制备的镍渣化学成分不尽相同，活性组分的含量也有较大差别；细度、掺量等物理性质的改变会导致镍渣中活性组分利用率的上下浮动。这两方面都会对镍渣混凝土的性能产生影响，适量地掺加可以有效提高镍渣混凝土的各项性能，过量地掺入则会导致严重的负面影响。

2.1 制备方式

镍渣的主要成分为SiO2和Al2O3，由于生产镍合金的生产工艺和处理废渣的方式不同，镍渣的物化性质也有很大的差别[12]。我国生产的镍渣主要有高炉镍铁渣和电炉镍铁渣，大部分的镍渣都经过水淬降温，也有部分企业因实际生产的限制选择直接外排风冷。这些镍渣因为玻璃相和排出时降温温度的不同，化学组分含量和矿物相都有所不同，在实际生产中如果不加以区分利用，则会造成很严重的后果。

殷素红等人对比了高炉镍铁渣和电炉镍铁渣的区别[13]，其中高炉镍铁渣以氧化钙、氧化铝含量较高，相比于电炉镍铁渣高出了20%左右，其矿物相以硅酸三钙、硅酸二钙为主。这两者都能参与水泥的水化反应，生成C-S-H凝胶填充在其他水泥水化产物之间，从而提高结构的致密度，减少材料之间的孔隙，为镍渣混凝土的强度提供了结构保障[14]；而电炉镍铁渣化学成分以氧化镁含量较高，矿物相以镁橄榄石为主，性质比较稳定，本身的水化活性相对较低，但是通过使用Ca(OH)2或水玻璃进行碱激发处理，可以有效增强前期的抗压强度[15]，也是当下实际生产中常用的手段。

此外，镍渣冷却方式的不同也会影响镍渣的火山灰活性。水淬的镍渣因经过急速降温，熔融镍渣中的液相来不及晶析，会有一定量的CaO、Al2O3在氢氧化钙的激发作用下参与水化反应，而风冷的镍渣降温缓慢，因而不具有水化活性，只能作为水泥混凝土集料来使用[5]。

2.2 物理性能指标

2.2.1 细度

李大方等人[4]研究了细度对镍渣混凝土性能的影响，研究表明在相同掺量时，镍渣的细度与活性成正相关，即细度越大活性越大。这是因为粒径越小越有利于镍渣中活性组分的析出，从而在相同时间内形成更多的水化产物。而由于镍渣中的镁橄榄石在常温下非常稳定，在水泥水化反应早期几乎不参与反应，非常影响镍渣的早期活性。针对这种情况，可以通过机械粉磨或将镍渣加入到水泥熟料中进行二次球磨的方法来进一步提高细度。许凤广等人[16]检测了粉磨前后镍渣砂的活性变化，结果显示，经过机械粉磨后的镍渣相比未经粉磨的镍渣活性提高了将近10%，这说明提高细度可以在一定程度上改善镍渣的早期活性。

2.2.2 掺量

随着镍渣掺量的提高，镍渣混凝土的强度会降低。掺量越大，混凝土早期强度降低越明显，同时会影响水泥其他因素的变化，如标准稠度用水量、凝结时间和安定性等。这是由于镍渣的粒径高于掺合料中天然砂的粒径[17]，导致混凝土各组分之间产生了空隙[18]。而镍渣在水化反应早期相对稳定，只产生少量填充空隙的C-S-H凝胶，导致混凝土的致密性下降，从而影响混凝土早期强度。

而在水化反应后期，镍渣中SiO2、Fe2O3等组分在水泥水化反应产生的Ca(OH)2的激发作用下，逐步参与到水化反应当中，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙。随着镍渣掺入量的提高，这些水化产物与掺加的镍渣之间的二次水化更加充分[19]，镍渣的火山灰活性逐步释放。此外，提高镍渣的掺入量可以充分发挥镍渣的微集料效应，使得混凝土内部结构更加致密、趋于稳定。这让混凝土后期强度有所增加，防侵蚀能力、耐磨性能等都得到提高。

2.3 反应环境

镍渣水化反应环境的酸碱度也会对镍渣活性产生一定的影响[20]。目前，不论通过何种工艺制备而成的镍渣，其碱度皆小于1，属酸性渣。在碱性条件下，酸性镍渣的玻璃体结构更容易被破坏，易于溶出活性硅、钙、铝等活性组分参与到水化反应当中[21]。针对这样的特性，在制备镍渣混凝土的过程中，掺加适量的碱激发剂，或者其他碱性物质，如石灰石等，一起来制备掺合料，可以进一步提高镍渣混凝土的性能。

此外，镍渣在高温环境下自身的网络聚合度会有一定程度的改变[22]，使用经过高温处理后的镍渣所制备的水泥在任意龄期的活性指数都比未经处理的镍渣高出10%左右。

3 结论和展望

将镍渣作为掺合料配制的混凝土，与天然砂配制的混凝土性能基本一致，因此镍渣与其他高炉矿渣拥有相同的潜力作为混凝土制备的原料，这也是未来混凝土行业发展的必然趋势。本文主要分析了镍渣的活性对混凝土的性能影响，因镍渣本身的活性较低，可以先对其进行预处理，包括物理粉磨和化学激发的方式，来使镍渣的活性得到一个较好的提升。同时，镍渣的活性还受到细度、掺量和反应环境等多方面因素的影响，要想制得性能良好的混凝土，就必须严格控制影响因素的限度条件。

为使镍渣发挥出更大的价值，有必要对镍渣的活性作进一步深入的研究，在现有的基础上探寻各影响因素之间的平衡点，以期找出高活性镍渣的产生条件，最终应用于制备高性能的混凝土工程中，是今后镍渣资源化利用的技术难点。