作者介绍

• 通讯作者

段旭琴 教授

北京科技大学

工学博士，北京科技大学土木与资源工程学院教授。主要研究方向包括：典型工业固废的大宗资源化利用、工业固废中关键金属分离提取、适用于固废基路用材料的新型固化材料的研究及应用、劣质煤及煤基固废绿色材料化应用研究等。

文章导读

电炉镍铁渣 (Electric Furnace Ferronickel Slag, FNS) 是电炉冶炼金属镍或镍铁合金过程中排出的固体废物，经水淬形成的粒化炉渣。每生产1 t镍约排放6~16 t的电炉镍铁渣，其年排放量超3000万t，在中国已成为继铁渣、钢渣、赤泥之后的第四大冶炼工业废渣。将FNS用于胶凝材料的研究有很多，但由于活性较低的缘由，目前用于复合胶凝材料时的掺量普遍较低。

北京科技大学大学段旭琴教授团队在 Materials 期刊发表的文章Synergistic Activation of Electric Furnace Ferronickel Slag by Mechanical Grinding and Chemical Activators to Prepare Cementitious Composites，利用机械研磨结合化学试剂协同激发了FNS的活性，成功制备出了满足S95级矿渣粉标准要求的镍铁渣粉，并用于复合胶凝材料的制备，其掺量可达20%；机械研磨与化学试剂对FNS活性激发的机理主要是Ca(OH)₂对水化环境碱性的提高、三乙醇胺 (Triethanolamine, TEA) 对FNS微粉粒度及界面特性的改善，以及二者的协同效应，上述作用加速了FNS玻璃体的解聚，促进了更多钙离子的二次水化反应，从而生成了更多的水化产物，使得浆体结构更为密实、强度更高。本研究对于电炉镍铁渣在复合胶凝材料方面的大规模应用具有积极意义。

研究过程与结果

作者从机械研磨与化学试剂协同作用的角度，对FNS的活性进行激发，然后用FNS微粉部分代替水泥，用于复合胶凝材料的制备，其实现路径如图1所示。

图1. 镍铁渣复合胶凝材料实现路径

本文首先对镍铁渣的潜在水硬性和火山灰活性进行了测试，测试结果如图2所示。从图2 (a) 可以看出，比表面积为387 m²/kg的镍铁渣微粉试块浸泡后，边缘发生了明显凸起；而比表面积为447 m²/kg和520 m²/kg的镍铁渣微粉试块的边缘清晰。通过二水石膏法测定时，比表面积为387 m²/kg的镍铁渣微粉潜在水硬性表现不明显，比表面积为447 m²/kg和520 m²/kg的镍铁渣微粉潜在水硬性良好。图2 (b) 显示，比表面积为387 m²/kg渣粉的氧化钙浓度在氢氧化钙溶解度曲线的上方，而比表面积为447 m²/kg和520 m²/kg渣粉的氧化钙浓度落在曲线下方，说明后面两种微粉的火山灰活性合格。

图2. FNS的特性分析：(a) 潜在水硬性；(b) 火山灰活性

图3为三种化学激发剂对镍铁渣-水泥复合胶凝材料强度的影响。很显然，不同化学激发剂对复合胶凝材料的强度均有一定程度的改善。图4为不同化学激发剂对镍铁渣微粉的活性激发系数，可知NaOH、CaSO₄和Ca(OH)₂的最佳用量分别为2%、3%和3%，在各自的最佳用量下，FNS微粉的7 d活性激发系数分别提高了9.0%、8.0%和8.0%，28 d活性激发系数分别增加了6.2%、6.1%和7.5%。综合比较，Ca(OH)₂的化学激发效果最佳。

图3. 不同化学激发剂对复合胶凝材料强度的影响：(a) NaOH；(b) CaSO₄；(c) Ca(OH)₂

图4. 不同化学激发剂对活性激发系数的影响：(a) 7 d；(b) 28 d

在各自的最佳用量下，TEA助剂和Ca(OH)₂添加方式不同时，所制备的镍铁渣-水泥复合胶凝材料水化产物的XRD分析结果和微观形貌分析结果见图5和图6。图5显示，随着FNS比表面积的增加，大掺量带来的不利影响逐渐减小。TEA助剂对复合胶凝材料的早期水化有促进作用，加快了早期水化反应的速率，促进了更多CH的生成，而TEA的这种活化作用对于比表面积较大的渣粉的影响更为突出。图5 (a) 和5 (b) 的区别说明，水化时间延长，FNS将进一步解聚，二次火山灰反应逐渐进行，体系内的CH不断消耗，因此CH衍射峰强度降低。类似的，镍铁渣的二次火山灰反应也随着渣粉比表面积的增大而增强，TEA助剂对二次火山灰活性的激发有积极的作用。图6进一步证实，微粉SSA的增大可加速FNS玻璃体的解聚，加快水化进程；TEA通过促进微粉周围碱性环境的更快增大，加速了二次水化反应；Ca(OH)₂碱激发的同时，与TEA协同，促进了更多网状和絮状水化凝胶的产生，凝胶将镍铁渣颗粒紧密连接并高度覆盖，使浆体的结构更加紧密、强度更高。

图5. 复合胶凝材料不同水化龄期的XRD结果：(a) 7 d、(b) 28 d

图6. 复合胶凝材料不同水化龄期的微观形貌：(a) 7 d；(b) 28 d

研究总结

本文研究了磨矿时间、TEA以及三种化学激发剂对FNS活性激发的作用效果，结合激发前后复合胶凝材料的强度变化、水化产物的物相组成、微观形貌以及C-S-H凝胶中的Ca/Si摩尔比的变化等，分析了TEA及化学激发剂对FNS活性激发的作用机制及其协同水化作用机理。结果表明，将FNS与3%的Ca(OH)₂和0.03%的TEA助剂混合粉磨81 min，得到的比表面积为522 m²/kg的FNS微粉可等量替代20%的水泥，复合胶凝材料的7 d和28 d活性可分别达到81%和95.1%，与S95级矿渣粉相当。FNS活性的提高主要源于Ca(OH)₂对水化环境碱性的提高、TEA助剂对FNS微粉粒度及界面特性的改善以及二者的协同效应，上述作用共同加速了镍铁渣玻璃体的解聚，促进了更多钙离子的二次水化反应，从而生成了更多的水化产物，使得浆体结构更为密实、强度更高。

原文出自 Materials 期刊：https://www.mdpi.com/2706946

进入期刊英文主页：https://www.mdpi.com/journal/materials

Materials 期刊介绍

主编：Maryam Tabrizian, McGill University, Canada

主要关注材料科学与工程研究相关各个领域的最新研究成果，包括但不限于高分子、纳米材料、能源材料、复合材料、碳材料、多孔材料、生物材料、建筑材料、陶瓷、金属等，以及材料物理化学、催化、腐蚀、光电应用、结构分析和表征、建模等。

2023 Impact Factor：3.1(JCR Q1*, Q2**) 

2023 CiteScore：5.8

Time to First Decision：15.5 Days

Acceptance to Publication：3.4 Days

*JCR Q1 at “METALLURGY & METALLURGICAL ENGINEERING”

**JCR Q2 at “MATERIALS SCIENCE, MULTIDISCIPLINARY”