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钙硅比对水热合成镍矿渣加气混凝土性能的影响.pdf
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1、 1 2 6 材料导报 B: 研究篇 2 0 1 6年 5月( B ) 第 3 0卷第 5期 钙硅 比对水热合成镍矿渣加气混凝土性能的影响 邹 小童 , 吴其胜 , 光鉴淼。 , 刘小艳。 ( 1 安徽理工大学材料科学与工程学院,淮南 2 3 2 0 0 1 ; 2 盐城工学院材料科学与工程学院, 盐城 2 2 4 0 5 1 ; 3 河海大学力学与材料学院, 南京 2 1 0 0 9 8 ) 摘要 废弃的镍矿渣与水泥、 石灰等按一定比例混掺 , 通过水热合成的方法可制备 出镍矿渣加气混凝土。研 究了钙硅 比对镍矿 渣加 气混凝土力学性能 的影响及其 机理 , 对镍 矿渣加 气混凝 土进行 了
2、 X R D、 F T - I R、 S E M 微观 测 试。结果表明: 随着钙硅比的降低, 镍矿渣加气混凝土的干密度逐渐增加, 强度先增大后减小, 钙硅比为 0 6 5时达到 峰值; 托勃莫来石和硬石膏的 X射线衍射峰逐渐增强; 红外图谱 中硅氧四面体及含硅基团的聚合程度增加; 水化产物 的形 貌由针棒 状结构向片状结构过渡 。 关键词 钙硅比镍矿渣加气混凝土砌块 固废资源化 中图分类号 : T U5 2 2 3 2 文献标识码 : A D O 1 : 1 0 1 1 8 9 6 j i s s n 1 0 0 5 0 2 3 X 2 0 1 6 1 0 0 2 8 I n f l u e
3、 nc e o f Ca l c i u m- Si l i c o n Ra t i o o n Pe r f o r ma nc e o f Hy d r o t he r ma l l y S y n t h e s i z e d Ni c ke l S l a g Ae r a t e d Co nc r e t e Z OU Xi a o t o n g ,W U Qi s h e n g ,GUANG J i a n mi a o 。 ,LI U Xi a o y a n 3 ( 1 S c h o o l o f Ma t e r i a l S c i e n c e a n
4、 d En g i n e e r i n g,An h u i Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y ,Hu a i n a n 2 3 2 0 0 1 ; 2 S c h o o l o f M a t e r ia l S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ,Ya n c h e n g I n s t i t u t e o f Te c h n o l o g y,Ya n c h e n g 2 2 4 0 5 1 ; 3 S c h o o l o
5、f Me c h a n i c s a n d M a t e r i a l s ,Ho h a i Un i v e r s i t y ,Na n ) i n g 2 1 0 0 9 8 ) Ab s t r a c t W a s t e n i c k e l s l a g a n d c e me n t ,l i me , e t c wa s mi x e d a c c o r d i n g t o a c e r t a i n p r o p o r t i o n t o p r e p a r e n i c - k e l s l a g a u t o c
6、l a v e d a e r a t e d c o n c r e t e b y h y d r o t h e r ma l s y n t h e s i s me t h o d I n f l u e n c e o f c a l c i u m- s i l i c o n r a t i o o n ma c r o s c o p i c a n d mi c r o s c o p i c p r o p e r t i e s o f n i c k e l s l a g a e r a t e d c o n c r e t e we r e r e s e a
7、r c h e d S t r u c t u r e a n d mo r p h o l o g y c h a r a c t e - r i s t i c o f a e r a t e d c o n c r e t e s a mp l e s we r e a n a l y z e d b v XRD,FT I R a n d S E MRe s u l t s s h o w t h a t wi t h t h e d e c r e a s e o f c a l c i u m- s i l i c o n r a t i o,d r y d e n s i t y
8、o f n i c k e l s l a g a e r a t e d c o n c r e t e i s r e d u c e d c o n t i n u o u s l y whi l e c o mp r e s s i v e a n d f l e x u r a l s t r e n g t h f i r s t i n c r e a s e s a n d t h e n d e c r e a s e s ,i t r e a c h e s a p e a k s t r e n g t h wh e n t h e c a l c i u m- s i
9、l i c o n r a t i o i s 0 6 5 X- r a y d i f f r a c t i o n p e a k o f t o b e r mo r i t e a n d a n h y d r i t e a r e g r a d u a l l y s t r e n g t h e n e d I n f r a r e d s p e c t r u m o f s i l i c o n - o x y g e n t e t r a h e d r o n a n d t h e d e g r e e o f p o l y me r i z a t
10、 i o n o f s i l i c o n - h a s e d g r o u p s a r e i n c r e a s e d Mo r p h o l o g y o f h y d r a t i o n p r o d u c t s t r a n s f e r e d f r o m l a me l l a r s t r u c t u r e t o t h e r o d - l i k e s t r u c t u r e s t e a d i l y Ke y wo r d s c a l c i u m s i l i c o n r a t i
11、 o,n i c k e l s l a g,a e r a t e d c o n c r e t e b l o c k,u t i l i z a t i o n o f s o l i d wa s t e 0 引言 镍冶金矿渣是指在冶炼金属镍过程 中排放的一种工业 废渣, 即在冶炼镍过程中所形 成的以 F e O - S i 0 。 为主要成分 的熔融物经水淬后形成的粒化炉渣, 其 中的主要矿物相有含 镁的辉石和橄榄石等。镍矿渣的化学成分与高炉矿渣类似, 但在含量上有较大的差异 , 并且随镍冶炼方法和矿石来源的 不 同而不 同, 采用闪速炉熔炼法 生产 1 t 镍 排 出 1 O 1
12、 6 t 渣 。 我国镍产量近几年增长较迅速 , 1 9 9 7 年仅为近 4 万 t , 而 2 0 0 4 年则达 6 7 万 t 。2 0 1 4 年江苏沿海 的主要港 区大丰、 响 水、 连云港等镍及其合金年产量已达 8 O万 t , 同时产生大量 的冶金废渣镍矿渣 ( 1 0 0 0万 t 左右 ) 。镍矿渣如果没有 得到有效利用 , 将 占用大量土地, 并由于其含 N i 、 C o 、 C u 等重 金属离子将对环境造成严重的污染 。目前镍矿渣 主要应用 于提取 N 、 F e 、 C o等有用金属口 , 制备微晶玻璃或作为混 合材生产水泥及井下填充材料 等 。随着镍冶炼业工艺
13、的改进 , 所排放的废渣 中镍钴等含量很低 , 不具备提取价值 , 导致很多镍矿渣只能填埋处理 , 回收利用价值很低 , 因此有 必要对镍矿渣的资源化利用进行深入的研究 。 为了更有效并能最大限度地将历年堆积的镍 矿渣进行 利用 , 针对镍矿渣水化活性较低的特点 , 本实验选用蒸压 工 艺探索镍矿渣作为制备蒸压制 品的原材料, 掺入粉煤灰、 石 灰和少量硅酸盐水泥, 在适当的激发剂作用下制备镍矿渣加 *国家 自然科学基金( 5 1 5 7 2 2 3 4 ) 邹小童: 女, 1 9 9 0年生, 硕士生, 研究方向为无机非金属材料E - ma i l : 9 7 2 8 1 2 2 1 6 q
14、 q c o m吴其胜: 通讯作者, 男, 1 9 6 5年生, 博 士, 教授, 研究方向为无机非金属材料E - ma i l : q i s h e n g wu y c i t c n zzzPsgiolePfrp 钙硅比对水热合成镍矿渣加气混凝土性能的影响 邹小童等 1 2 7 气混凝土 1 2 , 重点研究了钙硅比对镍矿渣加气混凝土的干 密度、 强度 、 水化产物及其结构的影响, 为镍矿渣蒸压制 品的 工艺设计提供技术参数。 1 实验 1 1 原 材料 实验所用的水泥为江苏八菱海螺水泥有 限公 司提供 的 4 2 5 级普通硅酸盐水泥; 粉煤灰为华能南京电厂的二级粉煤 灰, 细度 1
15、 8 0 2 0 0目; 镍矿渣来 自江苏盐城响水经济开发 区 德龙镍业有 限公 司镍渣堆场 , 粉磨至细度 1 0 0 1 2 0目; 生石 灰为宜兴天利化工生产 , 细度 3 2 5目; 石膏为无锡 钥炜建筑 材料有限公司生产的天然二水石膏 ; 铝粉为分析纯 ( A R ) , 铝 含量 9 9 夕 加剂为 自制有机外加剂 。原材料的化学成分分 析见表 1 , 原材料密度以及有效氧化钙和二氧化硅含量见 表 2 。图 1 是镍矿渣原料 的 X R D图谱 , 该图谱显示镍矿渣的主 要矿物组成为辉石 、 顽辉石 、 原顽辉石和钙质顽辉石, 同时存 表 1 水泥( C) 、 粉煤灰( F A)
16、和镍矿渣( NS ) 的主要 化学组成( 质量分数 ) Ta b l e 1 Ma i n c h e mi c a l c o mp o s i t i o n o f c e me n t , f l y a s h a n d n i c k e l s l a g( ma s s f r a c t i o n ) 在少量的方镁石、 钠长石和斜纤顽辉石 。X R D图谱显示的结 果和化学分析( 见表 1 ) 显示的化学成分结果一致 , 即镍矿渣 原料中富含 C a O和 Mg O。 表 2 原材料密度及有效氧化钙和二氧化硅的含量 Ta b l e 2 Co n t e n t o f
17、e f f e c t i v e c a l c i u m o x i d e a n d s i l i c a i n d i f f e r e n t r a w ma t e r i a l s a n d d e n s i t y o f r a w ma t e r i a l s l , 2 3 ,4:5 ) , 6 , 2 o ( 。 ) 图 1 镍矿渣原料的 x R D图谱 Fi g 1 XRD p a t t e r n o f n i c k e l s l a g 1 2 实验方法 实验以钙硅比作为单 因素控制变量设计配方 , 测定原材 料的有效氧化钙和二氧化硅
18、的百分含量 , 见表 2 , 钙硅 比( c S ) 计算方法 : r 一 盔 递 : 兰 互 ! : 墅 搓 : 堡 撞 : ( m水 2 2 2 4 + 粉 煤 灰5 6 2 5 +m镍 渣5 4 5 3 ) 6 0 5 6 、 6 O 分别为氧化钙 、 二氧化硅的摩尔质量 , 石膏没有直接参 与铝粉的发气反应 , 只是通过抑制石灰消解来调节浆体稠化 速率 , 所以计算体系中钙硅比时不包含石膏 “ 。 表 3 不同钙硅比下的镍矿渣加气混凝土原料配比 Ta b l e 3 Ra w ma t e r i a l f o r mu l a o f n i c k e l s l a g a e
19、 r a t e d c o n c r e t e u n d e r d i f f e r e n t c a l c i u m- s i l i c o n r a t i o s 按照表 3 设计 的配合 比, 从原料的角度考虑, 镍矿渣和 粉煤灰都是提供硅质元素的主要原料 , 其掺入量的变化都会 对砌块 的力学性能产生较大 的影 响, 但影 响程度却不尽相 同。这会导致在同一钙硅 比下 出现不同的原料 的掺量 比并 产生不 同的性能结果 。为了排除该 因素的影响, 本实验控制 水泥和石膏掺入量不变 , 以石灰为钙质原料控制变量 , 将镍 矿渣和粉煤灰按照 m( 镍矿渣 ) : m
20、( 粉煤灰) 一3: 2等比例 掺人作为硅质原料控制变量 。 将水泥、 石灰 、 石膏、 粉煤 灰和镍矿渣与水预混均匀 , 水 料 比为 0 6 5 , 再 加入铝粉搅拌 , 制成均 匀流态 料浆浇筑到 4 0 m mX4 0 m l T l 1 6 0 mm三联模 中, 模具进入电热恒温干 燥箱静停 6 h发泡预固化 , 切割成型后脱模, 再进入压蒸釜进 行高温蒸压 8 h , 其 中电热恒温干燥 箱温度为 5 O , 压蒸釜 参 数 设 置 为 压 力 1 1 MP a 1 。分 别 取 同 组 试 块 按 照 G B l 1 9 6 8 2 0 0 6 蒸压加气混凝土砌块 1 进行试样
21、的干密度 和抗折抗压强度测试。采用 x射线衍射分析( X R D ) 、 扫描电 镜 ( S E M) 、 傅里叶转换红外光谱( F T _ I R) 对制备 的试样进行 微观分析和性能表征 , 进一步研究钙硅 比对镍矿渣蒸压加气 混凝土的水化产物的影响。 2 结果与讨论 2 1 钙硅比对镍矿渣加气混凝土力学性能的影响 不 同钙硅比的镍矿渣加 气混凝土砌块的绝对 干密度如 图 2所示, 随着钙硅比的降低, 镍矿渣加气混凝土砌块 的绝 zzzPsgiolePfrp 1 2 8 材料导报 B: 研 究篇 2 0 1 6年 5月( B ) 第 3 0卷第 5 期 对干密度逐渐增加 。如表 3 所示
22、, 当钙硅 比降低, 生石灰 的 掺入量逐渐减少, 而粉煤灰和镍矿渣 的掺人量逐渐增大 。从 表 2中可 以看出, 粉煤灰与生石灰 的密度接近 , 而镍矿渣 的 密度远大于生石灰, 所 以当钙硅 比降低 , 镍矿渣加气混凝土 的绝对干密度逐渐增加 。不同钙硅 比的镍矿渣加气混凝土 砌块的抗压抗折强度如 图 3 所示, 随着钙硅 比的降低 , 镍矿 渣加气混凝土砌块 的抗压抗折强度 逐渐增加 , 当钙硅 比为 0 6 5 时达到峰值 , 此时抗压强度为 3 5 2 MP a , 抗折 强度 为 2 1 MPa 。 根据相关报道, 加气混凝土的强度与干密度成正相关 , 实验中钙硅 比在 0 6 5
23、 0 9 0时刚好符合这一结果 , 而对于 钙硅比在 0 6 0 时强度出现下降的原因, 还有待进一步研究。 从我国现有的加气混凝土主要 品种来看, 水泥一 石灰一 粉煤灰 加气混凝土的 c s在 0 8左右, 水泥一 矿渣一 砂加气混凝土的 C S在 0 5 5 左右。本研究创新性地利用镍矿渣制备了水泥一 石灰一 镍矿渣一 粉煤灰体系的加气混凝土, 通过实验得到最优 钙硅 比为 0 6 5 , 在 0 5 5 t0 8之间且接近水泥一 矿渣一 砂加气 混凝土的钙硅 比, 这是因为在体系中掺入 了较多 的镍矿渣的 缘 故 。 琶 钓 图 2 钙硅比对镍矿渣加气混凝土砌块 干 密度 的影 响 F
24、i g 2 I n fl u e n c e o f c a l c i u m- s i l i c o n r a t i o t o t h e d r y d e n s i t y o f n i c k e l s l a g a e r a t e d c o n c r e t e b l o c k 日 山 骥 辖 日 星 醴 出 图 3 钙硅比对镍矿渣加气混凝土砌块 强度的影响 Fi g 3 I n f l u e n c e o f c a l c i u m- s i l i c o n r a t i o t O t h e s t r e n g t h o f n
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