高强镍渣混凝土砖的制备研究

汪 潇，蔡尚勇，金 彪，杨留栓，陈 风，剌 欢，詹学武，黄永恒(. 河南城建学院 材料与化工学院, 河南 平顶山 467036；. 平顶山市人民政府 用水节水管理办公室，河南 平顶山 467036)

高强镍渣混凝土砖的制备研究

汪 潇1，蔡尚勇2，金 彪1，杨留栓1，陈 风1，剌 欢1，詹学武1，黄永恒1
(1. 河南城建学院 材料与化工学院, 河南 平顶山 467036；2. 平顶山市人民政府 用水节水管理办公室，河南 平顶山 467036)

以预处理后的镍渣为主要原料、辅以42.5级硅酸盐水泥和碎石，采用振动成型、自然养护制备镍渣混凝土砖，重点研究了镍渣掺量、水泥用量和龄期对镍渣混凝土砖强度的影响。结果表明：镍渣掺量和水泥掺量对镍渣混凝土砖强度影响明显。随镍渣掺量增大，试样抗压强度逐渐降低，抗折强度先增大后减小；当镍渣、水泥、碎石的质量比为5 ∶3 ∶2时，自然养护28 d时的抗压、抗折强度分别为20.97 MPa和4.63 MPa，达到了免烧砖MU20强度等级的要求。

镍渣；混凝土；高强砖；振动成型；自然养护

镍渣是工业提镍后产生的废渣。由于镍是一种战略物资，应用广泛，导致大量镍渣产生，国内仅某集团每年镍渣排放已超过100万t，主要处置方式为简单堆放，累计堆积量已超过1 000万t[1-2]。堆积的镍渣不仅占用大量的土地，而且破坏周边的生态环境，造成资源浪费。

镍渣主要由SiO2、MgO、Fe2O3、Al2O3、CaO等组成，多以玻璃态物质存在，仅含有少量的镁橄榄石和SiO2结晶相，具有潜在的火山灰活性[3]。目前，镍渣综合利用研究主要集中于镍渣有价组元的回收、微晶玻璃及水泥混合材的制备[4-6]。George Wang[7]等以空冷镍渣为集料，配制了公路混凝土，研究了其在混凝土中应用的可能性；单昌锋[8]对镍渣取代建筑砂用于水泥混凝土进行了研究，降低了混凝土的生产成本。总体而言，对于镍渣的综合利用研究仍处于探索阶段。

目前，混凝土砖强度多为中低强度等级，使得其砌体强度也相对较低[9-10]。虽然利用镍渣制备免烧砖也有一定的研究，但制备的免烧砖也为中低强度[11-12]。这使得混凝土砌体自烧结砖“禁实”、“禁黏”以来，市场上尚缺乏一种强度等级达MU20及以上的免烧结高强砖，以取代烧结砖“禁实”、“禁黏”后市场的不足，尤其是广大农村居民对住房建设的需求。鉴于此，本文以预处理后镍渣为主要原料，研究高强镍渣混凝土砖制备技术，以满足建材市场对高强砖的需求，扩大镍渣的资源化利用。

1 试 验

1.1 试验原料

1.1.1 镍渣

镍渣由国内某镍业有限公司提供，其化学组成如表1 所示。

表1 镍渣化学组成

利用球磨机(HLXMQ-240*90型)对镍渣进行球磨，将球磨后的镍渣进行筛分，80目以上的粗镍渣，参照砂子筛分析方法，测得其细度模数MX=1.5，试验时部分取代砂子；80 目以下的细镍渣作为胶凝材料，试验时部分取代水泥。

1.1.2 骨料

参照(GB/T14684-2011)《建筑用砂》标准， 细集料由粒径为80目以上的粗镍渣和砂子组成，粗骨料用石灰岩碎石，其粒径范围为4.75～9.5 mm，连续级配，密度2 600 kg/m3，含水率为0.13%。

1.1.3 水泥

水泥为PO42.5级普通硅酸盐水泥，其技术指标如表2所示，符合《通用硅酸盐水泥》(GB175-2007)标准要求。

表2 水泥的物理和力学性能

注：试验用水为自来水。

1.2 试验方法

1.2.1 试样组成

参照《砌墙砖试验方法》(GB/T 2542-2012)相关技术标准，样砖规格为240 mm×115 mm×53 mm标准砖，采用振动成型，其组成配比如表3所示。

表3 镍渣混凝土砖配比

1.2.2 试样制备与性能测试

将球磨、筛分后的镍渣分别计量并按照表3配比进行配料，加水混合搅拌均匀，然后将搅拌均匀的混合料装入磨具振动成型，24 h后拆模并进行自然养护，即可获得试样。

其具体制备工艺流程如图1所示。

制备的镍渣混凝土砖试样抗压、抗折强度测试参照《砌墙砖试验方法》(GB/T 2542-2012)执行。

2 结果与讨论

2.1 镍渣掺量对镍渣混凝土砖强度的影响

渣掺量对镍渣混凝土砖试样强度的影响见表4。当保持水泥用量不变时，随镍渣掺量的增加，其抗折强度先增大后减小；在镍渣掺量为40%～50%时，抗折强度相对较大。抗压强度随镍渣掺量的增加逐渐降低，当镍渣掺量超过50%时，强度下降明显加快。

图1 镍渣混凝土砖制备工艺流程

表4 镍渣掺量对镍渣混凝土砖强度的影响

与镍渣掺量为50%的镍渣混凝土砖试样相比，镍渣掺量为60%的试样抗折强度降低27%，抗压强度降低38%，且低于MU15强度等级，强度下降明显。相比而言，在镍渣掺量为40%～50%时，抗折强度相对较大，抗压强度虽有下降，但仍高于MU20强度等级。综合考虑镍渣的减量化和市场对高强砖的需求，以镍渣掺量为50%制备镍渣混凝土砖较为适宜。

2.2 水泥掺量对镍渣混凝土砖强度的影响

已有研究表明，水泥用量对镍渣潜在胶凝性能的发挥具有一定的影响，进而对镍渣混凝土砖的强度产生影响[13-14]。因此，研究水泥用量对镍渣混凝土砖强度的影响是必要的。图2是镍渣掺量分别为50%和60%时不同水泥用量下制备的镍渣混凝土砖试样28 d的抗压、抗折强度。

图2 水泥用量对镍渣混凝土砖强度的影响

对于镍渣量50%的镍渣混凝土砖试样，随着水泥用量的增加，其抗压强度先升高后趋于稳定，抗折强度则呈先增加后降低的变化趋势。当水泥用量为30%时，其28 d抗压、抗折强度均相对较高，与水泥用量为20%的试样相比，其抗压强度提高46%，抗折强度提高103%，但进一步增加水泥掺量到40%，试样抗压强度无明显变化，抗折强度反而有所降低。

对于镍渣量60%的镍渣混凝土砖试样，随着水泥用量的增加，其抗折强度、抗压强度均逐步提高。当水泥用量为40%时，试样的抗压、抗折强度均相对最大，分别达20.35 MPa、4.44 MPa。

与镍渣掺量50%、水泥用量30%制备的镍渣混凝土砖试样相比，对于镍渣掺量60%、水泥掺量40%的试样，尽管其强度也达到了MU20 的要求，但抗压、抗折强度均有所降低，且水泥用量的增加，将导致镍渣混凝土砖生产成本的提高。这与表4的分析结果相一致。因此，以镍渣掺量50%，水泥用量30%时制备的镍渣混凝土砖试样综合性能相对较优。

2.3 龄期对镍渣混凝土砖强度的影响

由于镍渣具有潜在的胶凝性，其水化速度及水化产物将可能对镍渣混凝土砖的强度产生影响，因而，进一步研究龄期对镍渣混凝土砖强度的影响是有意义的。为此，对镍渣掺量50%，水泥用量30%的镍渣混凝土砖试样进行不同龄期养护后，测得其抗压、抗折强度如图3所示。

由图3可知，镍渣混凝土砖试样初期强度发展较快，其7 d抗压、抗折强度分别达19.9 MPa和3.0 MPa；随着龄期的延长，其强度进一步增加，但在7～28 d龄期中，镍渣混凝土砖抗压、抗折强度增长缓慢。随龄期进一步延长到60 d时，镍渣混凝土砖试样抗压强度又有明显增加，达25.3 MPa，而抗折强度却有所降低，但仍达3.74 MPa。

图3 龄期对镍渣混凝土砖强度的影响

2.4 镍渣水化机理及其对混凝土砖强度影响分析

有研究表明，对于主要化学组成为SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO等，以玻璃态存在的碱性矿渣，均具有潜在活性，在碱激发剂作用下，将发生水化反应[15-16]。由于镍渣混凝土砖中含有一定量的水泥，遇水后将发生水化反应，生成Ca(OH)2，从而为镍渣的活性激发提供了激发剂，使其与镍渣表面的活性SiO2和Al2O3发生反应，生成C-S-H和C-A-H凝胶，使得溶液中OH-浓度增加，镍渣中以玻璃态存在的铁、镁被解聚，形成较多的Fe3+、Fe2+与Mg2+，与OH-反应生成Fe(OH)3、Fe(OH)2和Mg(OH)2，进而生成钙矾石填充到水化产物中[14,17]。这是镍渣混凝土砖具有较高强度的原因所在。

当镍渣和水泥用量适宜时，将形成较多的C-S-H、C-A-H凝胶和钙矾石，使得镍渣混凝土砖抗压、抗折强度均得以提高。当水泥用量相对镍渣不足时，水泥水化后产生的Ca(OH)2较少，使镍渣的活性难以充分激发，试样强度降低，表4的试验结果也证实了这一点。但当水泥用量相对镍渣过量时，由于镍渣中CaO含量较低，生成C-S-H、C-A-H凝胶和钙矾石的钙源不足。这可能是导致图2中镍渣掺量为50%，水泥用量40%的镍渣混凝土砖试样，其抗压强度较水泥用量为30%的试样并无明显变化，而抗折强度反而有所降低的原因所在。

随着龄期的延长，水泥水化反应基本完成，镍渣的水化反应也更加彻底，C-A-H凝胶与水泥中的石膏不断反应，其含量逐渐减少，生成更多的钙矾石填充在其他水化产物中，提高了试样致密度[15]。因此，C-A-H凝胶的减少和更多钙矾石的产生，使得28 d龄期后镍渣混凝土砖试样的抗压强度继续增长，抗折强度又有所降低，但这还需进一步研究证实。

3 结论

(1)以镍渣为主要原料、辅以硅酸盐水泥和碎石，可以制备强度较高的镍渣混凝土砖。当镍渣、水泥、碎石的质量比为5 ∶3 ∶2时，其28 d抗折、抗压强度分别为4.63 MPa和20.97 MPa，达到免烧砖MU20强度等级要求。

(2)镍渣掺量和水泥掺量对镍渣混凝土砖抗折、抗压强度影响明显。随着镍渣掺量的增大，试样抗压强度逐渐降低，抗折强度先增大后减小。

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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

河南省高等学校重点科研项目(15A560015)；河南省教育厅基金项目(14A560006)

汪 潇(1975—)，男，陕西汉中人，博士，副教授。

1674-7046(2017)02-0023-05

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.02.005

TU522

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