摘要
利用机械化学方法制备了单组分碱激发镍渣水泥，分析了CO2体积分数对不同碱激发剂制备的单组分碱激发镍渣水泥砂浆抗碳化性能的影响规律，结合孔结构分析、X射线衍射（XRD）分析等研究了其作用机理.结果表明：水泥砂浆的碳化产物与碱激发剂种类无关，与CO2体积分数有关.在CO2体积分数为3%条件下进行试验，水泥砂浆的碳化产物为碳酸盐产物，且碳化速率远低于CO2体积分数为10%与20%的试验组；而在CO2体积分数为10%与20%条件下进行试验，水泥砂浆的碳化产物为碳酸盐与碳酸氢盐.碳酸盐对孔隙填充效果优于碳酸氢盐，因此CO2体积分数为3%时砂浆碳化后的孔结构、抗压强度均优于其体积分数为10%与20%时.
随着中国钢铁行业的迅速发展，每年新增的镍渣量约200万
有学者认为以水玻璃为碱激发剂时，碱激发水泥水化形成具有长硅酸盐链特征的水化硅酸钙（C‑S‑H）凝胶；当以NaOH为碱激发剂时，则形成具有较短链的C‑S‑H凝
试验所用砂为标准砂；固体碱激发剂为无水硅酸钠（Na2SiO3）、氢氧化钠（NaOH）；减水剂为福州大学环资学院配制的木质素基减水剂；镍渣是由福建源鑫环保科技有限公司提供的原状水淬镍渣，其化学组
| SiO2 | Al2O3 | CaO | Fe2O3 | SO3 | TiO2 | MnO | MgO |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 22.26 | 18.97 | 33.90 | 2.87 | 2.49 | 0.77 | 2.87 | 7.81 |
采用WZM‑15*2球磨机制备单组分碱激发镍渣水泥，球磨罐的罐体体积为15 L，内径为26 cm.球磨制度参数为：球料质量比为1∶15，装球率为30%；将烘干的原状镍渣在转速为80 r/min条件下球磨2.0 h，再加入固体碱激发剂，在转速为40 r/min条件下球磨0.5 h.试验方案如
| Group | CO2 volume fraction/% | Alkali‑activator type | Alkali equivalent (by mass of nickel slag)/% |
|---|---|---|---|
| C20‑NH | 20 | NaOH | 5 |
| C10‑NH | 10 | NaOH | 5 |
| C3‑NH | 3 | NaOH | 5 |
| C20‑NS | 20 | Na2SiO3 | 5 |
| C10‑NS | 10 | Na2SiO3 | 5 |
| C3‑NS | 3 | Na2SiO3 | 5 |
碳化试验所采用的试件尺寸为50 mm×50 mm×50 mm，砂浆的水胶比为0.35，胶砂比为1∶2.将已成型的试件在温度为（20±2） ℃、相对湿度不低于95%的条件下养护26 d后封蜡处理，放入60 ℃的烘干箱内烘干48 h后，放入二氧化碳养护箱内.碳化试验环境相对湿度为（70±5）%，温度为（20±2） ℃.
砂浆试件碳化深度的测试方法根据GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行，碳化龄期分别为0、1、3、7、14、28 d.砂浆抗压强度测试加载速率根据GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》，取（2 400±200） N/s.
微观样品根据碳化深度测试结果，分别取试件碳化区域和未碳化区域碎片制备.取碳化龄期为7、14、28 d的试件碎片泡在无水乙醇中48 h后研磨成粉体，于真空干燥箱60 ℃下烘干48 h后过10 µm筛，采用日本理学MiniFlex 300 X射线衍射仪（XRD）分析其碳化产物.取碳化龄期为0、7、14、28 d的试件碎片泡在无水乙醇中48 h后，挑选3~5 mm颗粒于真空干燥箱60 ℃下烘干7 d，采用康塔Quantachome公司生产的PoreMaster 60GT全自动压汞仪对试件的孔结构进行测试与分析.
不同CO2体积分数作用下，单组分碱激发镍渣水泥砂浆的碳化深度见
图1 单组分碱激发镍渣水泥砂浆的碳化深度
Fig.1 Carbonation depth of alkali‑activated nickel slag cement mortar
由
不同CO2体积分数作用下，单组分碱激发镍渣水泥砂浆碳化后的抗压强度见
图2 单组分碱激发镍渣水泥砂浆碳化后的抗压强度
Fig.2 Compressive strength of alkali‑activated nickel slag cement mortar after carbonation
碱激发镍渣水泥砂浆碳化后的XRD图谱见
图3 碱激发镍渣水泥砂浆碳化后的XRD图谱
Fig.3 XRD patterns of alkali‑activated nickel slag cement mortar after carbonation
对比
不同CO2体积分数下，碱激发镍渣水泥砂浆的孔隙率与最可几孔径见
图4 不同CO2体积分数下碱激发镍渣水泥砂浆的孔隙率与最可几孔径
Fig.4 Porosity and most probable pore diameter of alkali‑activated nickel slag cement mortar under different CO2 volume fractions
不同CO2体积分数下碱激发镍渣水泥砂浆的孔径分布见
图5 不同CO2体积分数下碱激发镍渣水泥砂浆的孔径分布
Fig.5 Pore size distribution of alkali‑activated nickel slag cement mortar under different CO2 volume fractions
当CO2体积分数为3%时，d≥20 nm孔的孔隙率随碳化龄期增长而下降的幅值较CO2体积分数为10%、20%时要高，且孔径越大下降幅值越高，下降幅值的高低还和碱激发剂种类有关.对比
综上，CO2体积分数与碱激发剂种类对碳化后砂浆孔结构的影响，与水泥砂浆的碳化产物有关；单组分碱激发水泥砂浆碳化产物为碳酸盐时，对孔隙的填充效果优于碳酸氢
（1）当CO2体积分数为3%时，碱激发镍渣水泥砂浆试件的碳化深度与碳化龄期之间近似为线性关系；当CO2体积分数为10%与20%时，试件的碳化速率呈现出先快后慢的变化趋势.
（2）当CO2体积分数为3%时，Na2SiO3组与NaOH组砂浆的碳化深度基本相当，差值在0.03~0.34 cm之间.而当CO2体积分数为10%与20%时，NaOH组砂浆的碳化深度总体大于Na2SiO3组，且两者之间的差值随着碳化龄期的增长而下降.
（3）砂浆试件的抗压强度随碳化龄期增长而增加，增加速率随碳化龄期增长而降低，随CO2体积分数降低而增大，NaOH组的强度增长幅值高于Na2SiO3组.
（4）砂浆在碳化作用后孔结构明显得以改善，其孔径小于20 nm的无害孔孔隙率基本保持不变，但孔径大于20 nm的孔隙率随着碳化过程的进行而下降，CO2体积分数为3%时下降幅值高于CO2为10%与20%时，NaOH组高于Na2SiO3组.
（5）单组分碱激发镍渣水泥砂浆在CO2体积分数为3%环境下进行快速碳化的产物为碳酸盐，而在CO2体积分数为10%和20% 环境下的碳化产物为碳酸盐与碳酸氢盐，碳酸氢盐使得砂浆内部碱度降低，且不能有效填充孔隙，导致砂浆抗碳化性能下降，碳化后抗压强度的增长幅值较低.由于自然条件更接近于CO2体积分数为3%时的情况，因此单组分镍渣水泥的抗碳化性能测试不宜在CO2体积分数超过10%的环境下进行.
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