CN112723843B - 一种弱碱激发镍渣高强混凝土的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种弱碱激发镍渣高强混凝土的制备方法，其中原材料按照质量组成份数为：镍渣350‑450份、电石渣40‑50份、碳酸钠20‑30份、磷石膏40‑50份、镍铁尾矿550‑650份、石子1100‑1300份、水200‑300份、助磨剂5‑10份，外加剂5‑10份。本发明采用湿磨处理镍渣，得到比表面更大，粒度分布更集中的镍渣颗粒替代胶凝材料，以弱碱性的化合物(碳酸钠)和工业副产物(电石渣、磷石膏)作为激发剂，镍铁尾矿为细骨料。本发明采用湿磨超细化方式处置镍渣，能耗低、研磨效率高。同时碳酸钠的加入可以有效的固化金属镍离子。制得的混凝土强度高，体积稳定性好，能有效的解决混凝土的碳化,可广泛应用于工民用建筑。

Description

一种弱碱激发镍渣高强混凝土的制备方法

技术领域

本发明属于混凝土技术领域，特别涉及一种弱碱激发镍渣高强混凝土的制备方法。

背景技术

镍渣是冶炼镍铁合金或者提取金属镍过程中产生的固体废渣。其化学成分主要有SiO₂、CaO、Al₂O₃、Fe₂O₃、MgO等，其中SiO₂、CaO、Al₂O₃含量比较高，具有一定的火山灰活性。镍渣以前用于提取有价金属Ne、Fe、Co等，现在国内国外镍的冶炼技术已经十分成熟，所以冶炼金属镍所排放出的镍渣中镍的含量已经很低，故镍渣的利用率大幅度下降。目前很多冶炼企业对镍渣的处理方式仅仅为露天堆积或者简单的填埋，这样做不仅仅占用了大量的土地资源，而且对环境也有非常严重的影响。已有研究表明，镍渣具有潜在的碱激发活性。基于此，国内外很多学者已经开始对镍渣的碱激发胶凝材料的研究。相对于硅酸盐水泥，碱激发镍渣具有更高的强度、更低的水化热，镍渣胶凝材料生产简单，省去了硅酸盐水泥的“两磨一烧”的复杂操作，节约能源，减少了CO₂的排放，变废为宝，保护环境。国内外学者关于强碱激发的研究已经很深入，并且取得了相应的研究成果，强碱激发效率高，以此碱激发制得的混凝土强度高，然而强碱激发剂确有不能广泛被使用的弊病，其材料成本较高,碱性太强导致其使用时具有很高的风险，强碱激发剂很容易与混凝土的集料发生碱集料反应。弱碱激发剂激发效率过低也是近年来研究人员正在思考的问题。

湿法研磨工艺较常规粉磨具有巨大的优势，比如研磨效率高，能耗低，绿色环保，出料粒径均匀，高度契合当代绿色发展的理念，在不久未来，其成为处理工业副产物一重要手段将是必然。对镍渣进行湿磨处理后，镍渣的水化效率有了很大的提高，水化产物的各项性能也有了很大的改变。相较于干磨来说，湿法粉磨由于水的存在，能够有效的降低湿磨过程中粒子的表面能，避免粒子之间产生凝聚现象，同时也可以使得湿磨过程中粉碎颗粒的破坏强度降低，可以推动粉碎过程的进行，由此可以得到粒径更小的颗粒，这样的小颗粒加大了镍渣粉末的表面积，增加了大量可参与反应的活化点，能够更容易被水化产物包裹。同时在湿磨过程中，镍渣表面暴露的玻璃体网络中的金属离子M(Ca²⁺、Al³⁺、Fe³⁺等)可从玻璃体中溶出，当M-O健断裂后，M离子进入液相中，在水中生成水化程度不同的金属羟基络离子，增加了镍渣浆料的PH值，可进一步促进镍渣玻璃体Si-O键断裂。由此在湿磨过程中，由于有金属离子的溶出和Si-O键的断裂，镍渣表面可形成一层多孔的高硅膜，因此可以使得镍渣粒子表面聚合度的降低。湿磨得到的浆料可以直接用于建筑材料的生产，操作简单，效率更高。

CN108863255A公布了一种镍渣混凝土的制备方法，使用水泥、镍渣粉、石、砂、镍渣砂混合进行制备，制备的镍渣混凝土抗压强度高，生产成本低。但是选取的镍渣粉平均颗粒直径较高，作为矿物掺合料对混凝土的抗压强度提升较低，同时耐久性能较差。

CN111454011A公布了一种利用工程渣土制备碱激发胶凝材料的方法和碱激发胶凝材料，通过将煅烧的渣土和碱激发剂溶液进行混合制备，制备的碱激发胶凝材料相较于传统水泥，力学性能好，可以缓解目前大量使用水泥带来的成本过高、资源有限和碳排放较大等问题。但是制备方法还需高温煅烧，能耗高，同时碱激发剂使用强碱激发工程渣土，要求和成本较高，不适合大规模生产。

CN110183165A公布了一种粉煤灰基地质聚合物混凝土与普通混凝土交结的混凝土及其制备工艺，通过将水泥与粉煤灰作为胶凝材料，加入碱激发剂、砂石、外加剂、水混合制备不同水胶比梯度不同标号的混凝土，制备的混凝土和易性好，更加节能减排、经济合理。但是使用的是强碱复合物，混凝土体积稳定性难以控制并且存在潜在的碱骨料反应风险。

发明内容

面对于当前技术的不足，本发明的目的在于提供一种弱碱激发镍渣高强混凝土的制备方法，为实现上述发明，主要实施步骤包括如下：

1)称取500份镍渣送入破碎机中破碎30-60min，破碎至平均颗粒直径为25-30μm的镍渣粉末；

2)称取步骤1)中得到的镍渣粉末350-450份，并加入200-300份水，1-5份助磨剂混合送入湿式球磨机中研磨20-60min，将镍渣粉末研磨至平均颗粒直径至1-3μm，得到镍渣浆料；

3)称取步骤2)中得到的镍渣浆料550-750份、电石渣40-50份、磷石膏40-50份、碳酸钠20-30份、外加剂5-10份置于搅拌机中混合搅拌20s后，加入550-650份镍铁尾矿、1100-1300份石子，混合搅拌均匀即可得到弱碱激发镍渣混凝土。

进一步，所述助磨剂为三异丙醇胺类助磨剂。

进一步，所述无水磷石膏由二水磷石膏在500-700℃温度下煅烧15～60分钟制得，其中硫酸钙的质量分数大于85％，水溶性五氧化二磷质量分数小于0.8％，水溶性氟质量分数小于0.5％，有机物含量小于1％，0.2mm方孔筛筛余小于10％。

进一步所述电石渣的CaO含量为65-71wt％，氯离子不高于0.05wt％，铁硅化合物不高于0.05wt％。

进一步，所述碳酸钠为粉末，纯度规格为分析纯。

进一步，所述外加剂为聚羧酸类减水剂。

进一步，所述镍铁尾矿的平均颗粒粒径为0.08-2.0mm。

进一步，所述石子为花岗岩碎石或卵石的一种，连续级配为5-40mm。

与现有技术相比，本发明主要有以下技术效果：

1.用镍渣做胶凝材料，镍铁尾矿代替标准砂做细骨料，固废率达到100％，这样制得的混凝土与硅酸盐水泥混凝土的生产和性能相比，它们具有能耗低、强度高、耐久性好的特点，节约了大量的自然资源，省去了硅酸盐水泥的“两磨一烧”的复杂操作，操作简单，变废为宝，有很强的经济效益和社会效益。

2.湿磨镍渣的过程中水充当介质可以降低粒子的表面能，可以有效地去避免粒子之间的团聚，同时湿磨过程中可以使粉碎颗粒的破坏程度降低，推动粉碎工程的进行，由此湿磨可以得到粒径更小的微米级粒子。微米级的镍渣表面积大大增加，水化过程中能够被水化产物包裹，增多了大量可参与化学反应的活化点，水化效率增加，此外湿磨降低了镍渣的粒度而对硬化浆体起填充作用并改善微结构，最终有利于强度的提高。助磨剂三异丙醇胺在湿磨过程中可以促进铁相溶出，也有利于强度的提高。

3.镍渣胶凝材料中掺入电石渣一方面对镍渣有良好的碱激发效果，特别是在水化早期，可有助于生成水化产物C-S-H凝胶、类水滑石、氢氧化钙，这对强度有很大的贡献作用，同时可以及时补充混凝土中由于氢氧化钙与二氧化碳反应而损失的碱度，即可以抑制混凝土的碳化。碳酸钠可以提高反应体系的碱度，CO3^2-在反应体系水化过程中可以有助于形成方解石，方解石的形成对混凝土的强度特别是早期强度是很大的。湿法粉磨过程中镍渣的粒径变得更小，同时湿磨也会导致镍渣中的镍离子溶出，加入碳酸钠可以固化镍渣浆料中的镍离子，以致提高混凝土的抗重金属浸出特性。

4.镍渣中的铝组分中的活性Al₂O₃与镍渣水化产物氢氧化钙反应生成水化铝酸钙，水化铝酸钙在磷石膏存在的条件下，又与石膏CaSO₄·2H₂O作用形成呈针状结晶的水化硫铝酸三钙膨胀成分，即形成钙矾石，以此来补偿混凝土的收缩，保持混凝土的体积稳定性。同时磷石膏对镍渣也有很好的碱激发效果，可有助于生成除钙矾石之外的水化产物C-S-H、类水滑石。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

首先制备湿磨镍渣浆料，称取500份镍渣送入破碎机中破碎30-60min，破碎至平均颗粒直径为25-30μm的镍渣粉末；称取镍渣粉末350-450份，并加入200-300份水，1-5份助磨剂混合送入湿式球磨机中研磨20-60min，将镍渣粉末研磨至平均颗粒直径至1-3μm，得到镍渣浆料。

下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明。

实施例1：本发明的一种弱碱激发镍渣高强混凝土的制备方法，各组分按重量份数计，称取上述镍渣浆料中的湿磨镍渣浆料600份、电石渣40份，碳酸钠20份、磷石膏45份、外加剂6份、助磨剂6份置于搅拌机中混合搅拌20s，加入600份镍铁尾矿、1200份石子，混合搅拌均匀即可得到弱碱激发镍渣混凝土。

实施例2：本发明的一种弱碱激发镍渣高强混凝土的制备方法，各组分按重量份数计，称取上述镍渣浆料中的湿磨镍渣浆料650份、电石渣40份，碳酸钠20份、磷石膏45份、外加剂6份、助磨剂6份置于搅拌机中混合搅拌20s，加入600份镍铁尾矿、1200份石子，混合搅拌均匀即可得到弱碱激发镍渣混凝土。

实施例3：本发明的一种弱碱激发镍渣高强混凝土的制备方法，各组分按重量份数计，称取上述镍渣浆料中的湿磨镍渣浆料700份、电石渣40份，碳酸钠20份、磷石膏45份、外加剂6份、助磨剂6份置于搅拌机中混合搅拌20s，加入600份镍铁尾矿、1200份石子，混合搅拌均匀即可得到弱碱激发镍渣混凝土。

实施例4：本发明的一种弱碱激发镍渣高强混凝土的制备方法，各组分按重量份数计，称取上述镍渣浆料中的湿磨镍渣浆料600份、电石渣45份，碳酸钠20份、磷石膏45份、外加剂6份、助磨剂6份置于搅拌机中混合搅拌20s，加入600份镍铁尾矿、1200份石子，混合搅拌均匀即可得到弱碱激发镍渣混凝土。

实施例5：本发明的一种弱碱激发镍渣高强混凝土的制备方法，各组分按重量份数计，称取上述镍渣浆料中的湿磨镍渣浆料600份、电石渣40份，碳酸钠20份、磷石膏50份、外加剂6份、助磨剂6份置于搅拌机中混合搅拌20s，加入600份镍铁尾矿、1200份石子，混合搅拌均匀即可得到弱碱激发镍渣混凝土。

实施例6：本发明的一种弱碱激发镍渣高强混凝土的制备方法，各组分按重量份数计，称取上述镍渣浆料中的湿磨镍渣浆料600份、电石渣40份，碳酸钠25份、磷石膏45份、外加剂6份、助磨剂6份置于搅拌机中混合搅拌20s，加入600份镍铁尾矿、1200份石子，混合搅拌均匀即可得到弱碱激发镍渣混凝土。

实施例7：本发明的一种弱碱激发镍渣高强混凝土的制备方法，各组分按重量份数计，称取上述镍渣浆料中的湿磨镍渣浆料600份、电石渣50份，碳酸钠20份、磷石膏40份、外加剂6份、助磨剂6份置于搅拌机中混合搅拌20s，加入600份镍铁尾矿、1200份石子，混合搅拌均匀即可得到弱碱激发镍渣混凝土。

实施例8：本发明的一种弱碱激发镍渣高强混凝土的制备方法，各组分按重量份数计，称取上述镍渣浆料中的湿磨镍渣浆料600份、电石渣40份，碳酸钠30份、磷石膏40份、外加剂6份、助磨剂6份置于搅拌机中混合搅拌20s，加入600份镍铁尾矿、1200份石子，混合搅拌均匀即可得到弱碱激发镍渣混凝土。

实施例9：本发明的一种弱碱激发镍渣高强混凝土的制备方法，各组分按重量份数计，称取上述镍渣浆料中的湿磨镍渣浆料600份、电石渣40份，碳酸钠20份、磷石膏50份、外加剂6份、助磨剂6份置于搅拌机中混合搅拌20s，加入600份镍铁尾矿、1200份石子，混合搅拌均匀即可得到弱碱激发镍渣混凝土。

下面表格1是各实施例各组分重量份数表格。表格2是各实施例的混凝土性能结果。

表1-各实施例组分质量分数

表2-各实施例混凝土性能结果

仔细分析各实施例混凝土性能结果，通过比较实施例1、实施例2和实施例3，随着镍渣浆料质量份数的增加，其他组成成分质量份数不变，混凝土的初凝时间的与终凝时间逐渐增加，坍落度增加，和易性符合要求，其3d、7d、28d的强度变减小；通过比较实施1、实施例4和实施例7，随着电石渣的质量分数的增加，其他组成成分质量份数不变，混凝土的初凝时间和终凝时间逐渐减小，坍落度逐渐增加，和易性良好，其3d、7d和28的强度逐渐变大；通过比较实施1、实施例5和实施例9，随着磷石膏的质量分数的增加，其他组成成分质量份数不变，混凝土的初凝时间和终凝时间逐渐减小，坍落度逐渐增加，和易性良好，其3d、7d和28的强度逐渐变大；通过比较实施1、实施例6和实施例8，随着碳酸钠的质量分数的增加，其他组成成分质量份数不变，混凝土的初凝时间和终凝时间逐渐减小，坍落度逐渐增加，和易性良好，其3d、7d和28的强度逐渐变大；

本发明涉及一种弱碱激发镍渣高强混凝土的制备方法，制备成本低，可以有效的利用工业废弃物镍渣和回收废弃镍铁尾矿，固废率达到了100％，镍渣代替硅酸盐水泥作为胶凝材料，镍铁尾矿代替天然砂子作为细骨料，制得同样满足强度要求的混凝土，有效的节约了能源，保护环境。本发明所制备的湿磨镍渣浆料为微米级玻璃浆料，湿磨60min得到的镍渣浆料，镍渣颗粒的粒径减小，可避免镍渣大粒径时所产生的碱骨料反应。微米级镍渣浆料的粒径较普通镍渣有了很大的改变，微米级镍渣能够被碱激发材料充分的激发，有较高的活性，能够生成更多强度更高的水化产物，这是混凝土强度提高的根本保证。

Claims (6)

1.一种弱碱激发镍渣高强混凝土的制备方法，其特征在于：

1）称取500份镍渣送入破碎机中破碎30-60min，破碎至平均颗粒直径为25-30μm的镍渣粉末；

2）称取步骤1）中得到的镍渣粉末350-450份，并加入200-300份水，1-5份助磨剂混合送入湿式球磨机中研磨20-60min，将镍渣粉末研磨至平均颗粒直径至1-3μm，得到镍渣浆料；所述助磨剂为三异丙醇胺类助磨剂；

3）称取步骤2）中得到的镍渣浆料550-750份、电石渣40-50份、无水磷石膏40-50份、碳酸钠20-30份、外加剂5-10份置于搅拌机中混合搅拌20s后，加入550-650份镍铁尾矿、1100-1300份石子，混合搅拌均匀即可得到弱碱激发镍渣混凝土；所述外加剂为聚羧酸类减水剂。

2.根据权利要求1所述的一种弱碱激发镍渣高强混凝土的制备方法，其特征在于：所述无水磷石膏由二水磷石膏在500-700℃温度下煅烧15～60分钟制得，其中硫酸钙的质量分数大于85％，水溶性五氧化二磷质量分数小于0.8％，水溶性氟质量分数小于0.5％，有机物含量小于1％，0.2mm方孔筛筛余小于10％。

3.根据权利要求1所述的一种弱碱激发镍渣高强混凝土的制备方法，其特征在于：所述电石渣的CaO含量为65-71wt%，氯离子不高于0.05wt％，铁硅化合物不高于0.05wt％。

4.根据权利要求1所述的一种弱碱激发镍渣高强混凝土的制备方法，其特征在于：所述碳酸钠为粉末，纯度规格为分析纯。

5.根据权利要求1所述的一种弱碱激发镍渣高强混凝土的制备方法，其特征在于：所述镍铁尾矿的平均颗粒粒径为0.08-2.0mm。

6.根据权利要求1所述的一种弱碱激发镍渣高强混凝土的制备方法，其特征在于：所述石子为花岗岩碎石或卵石的一种，连续级配为5-40mm。