1 試驗內(nèi)容

1.1 試驗原材料與配比

（1）原材料。銅鎳冶煉渣：選自新疆某銅鎳礦經(jīng)貧化電爐冶煉排除的廢渣，其化學組成見表1，礦物組成見圖1，粒徑分布見圖2。首先用烘箱烘干銅鎳冶煉渣，然后用球磨機對其進行粉磨，考慮到銅鎳冶煉渣的粉磨特性［15］，結(jié)合一般用于水泥、混凝土中礦物摻合料的粉磨時間和粒徑分布，選擇銅鎳冶煉渣的粉磨時間分別為40 min、50 min和60 min，采用激光粒度分析儀對粉磨后冶煉渣的粒徑分布進行測量，結(jié)果見圖3。

由表1可知，銅鎳冶煉渣中堿性氧化物與酸性氧化物的比值，即堿度系數(shù)M0、活性系數(shù)Ma和質(zhì)量系數(shù)K分別為

由上述公式計算可知，本研究中的銅鎳冶煉渣質(zhì)量系數(shù)遠小于1.20，根據(jù)GB/T 18046-2008《用于水泥和混凝土中的?；郀t礦渣粉》［16］，本研究中銅鎳冶煉渣屬于酸性礦渣，且活性較低。

通過XRD圖譜分析可知，銅鎳冶煉渣中的主要礦物為Fe2SiO4、（Fe，Mg）2SiO4和Ca4Fe14O25等，與化學元素分析結(jié)果中Fe元素含量高的情況相吻合。圖1所示圖像在22°～33°之間沒有形成明顯的饅頭峰［17］，表明該銅鎳冶煉渣中玻璃體含量較低，決定了其膠凝活性較低。

通過以上激光粒度分析結(jié)果可知，隨著粉磨時間的延長，冶煉渣粒度逐漸變小，粒徑分布有顯著變化。對3組試樣粒徑分布結(jié)果進行分析，觀察D（0.1）（顆粒累計分布為10%所對應(yīng)的粒徑）、D（0.5）（顆粒累計分布為50%所對應(yīng)的粒徑）、D（0.9）（顆粒累計分布為90%所對應(yīng)的粒徑）隨時間的變化，在粉磨時間為40~60 min內(nèi)，隨著粉磨時間的延長，冶煉渣粒徑D（0.1）、D（0.5）、D（0.9）隨之減小，具體數(shù)值見表2。

水泥：本試驗水泥采用普通P.O 42.5硅酸鹽水泥，其化學組成見表1。

戈壁集料：試驗采用的戈壁集料取自喀拉通克銅鎳礦充填站戈壁集料堆場，其物理力學參數(shù)如下：堆積密度為1.6 t/m3，含水率為3.9%，孔隙率為38.46%。粒徑分布見圖4。

拌合水：試驗采用自來水作為拌合水，進行試件的制備。

激發(fā)劑：試驗采用堿性激發(fā)劑作為粉末狀硅酸鈉，其模數(shù)為1。

（2）試驗配比。試驗采用冶煉渣細度、冶煉渣摻量和激發(fā)劑摻量3個因素，同時每個因素選取3個水平，各因素水平信息見表3；選取4因素3水平正交表L9（34）進行正交設(shè)計，具體配合比見表4，即1#~9#試驗組。同時，設(shè)計10#為對照組，即膠凝材料中不摻入冶煉渣。

1.2 試驗方法

（1）試件的制備及養(yǎng)護。按照表4的配比進行配料，準確稱取冶煉渣、水泥和戈壁集料，加入激發(fā)劑粉末狀硅酸鈉后混勻，加水攪拌均勻后澆筑進尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的塑料試模中，澆筑完畢后使用不銹鋼尺進行刮平，放入養(yǎng)護室中養(yǎng)護24 h后取出，拆模取出試樣，放入溫度為20 ℃、濕度為90%的養(yǎng)護室進行養(yǎng)護至規(guī)定齡期。

（2）單軸抗壓強度試驗。采用壓力機進行單軸抗壓強度試驗，壓力機加載速率設(shè)定為0.5 kN/s，測試齡期為7 d和28 d。

（3）SEM測試。采用MLA（Mineral Liberation Analyser）礦物自動分析儀對水化產(chǎn)物形貌進行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 直觀分析

按照試驗配比制備充填體試塊，標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護7 d和28 d，進行單軸抗壓強度測試，如圖5所示。

從圖5中可以看出：不同組別之間7 d和28 d抗壓強度數(shù)據(jù)差別較大，但均低于對照組。同時對比分析1#、2#和3#組抗壓強度數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當冶煉渣粉磨40 min時，隨著冶煉渣摻量的提高，充填體抗壓強度呈明顯下降趨勢，當冶煉渣摻量由20%提高至40%時，7 d和28 d抗壓強度分別下降54.31%和45.33%。再一次驗證了上述XRD圖譜分析結(jié)果，冶煉渣本身玻璃體含量較低導致其膠凝活性相對較低。

分析5#和6#組數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當冶煉渣粉磨50 min時，摻量從30%提高至40%，充填體試塊28 d抗壓強度提高了20.46%。同樣地，對比7#和8#組數(shù)據(jù)，當冶煉渣粉磨時間為60 min時，摻量由20%提高至30%，充填體試塊28 d抗壓強度提高了7.03%。對比1#和4#組數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，相同冶煉渣和激發(fā)劑摻量下，隨著粉磨時間由40 min提高至50 min，充填體試塊28 d抗壓強度提高了4.25%。對比分析1#和4#，5#和6#，7#和8#組數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，隨著冶煉渣粉磨時間和摻量的提高，充填體試塊7 d抗壓強度分別有一定程度的降低或略有提高，然而養(yǎng)護28 d后抗壓強度分別提高4.25%、20.46%和7.03%，說明銅鎳冶煉渣發(fā)生了一定的火山灰反應(yīng)，且主要在養(yǎng)護后期發(fā)生。

采用掃描電鏡對水化產(chǎn)物進行直觀分析，圖6表示養(yǎng)護28 d后各組戈壁集料膠結(jié)試件SEM結(jié)果，通過觀察不同放大倍數(shù)的照片可以發(fā)現(xiàn)各組試樣的微觀形貌及典型水化產(chǎn)物的特征。

圖6為養(yǎng)護28 d后充填體的SEM圖像。從圖中可以看出，相比10#純水泥試樣，1#和4#試樣鈣礬石的生成量明顯增加。這表明在養(yǎng)護后期冶煉渣的摻入在一定程度上引發(fā)了火山灰反應(yīng)，生成一定量的C-S-H凝膠和鈣礬石［18-20］。宏觀上具體表現(xiàn)為充填體單軸抗壓強度的提高，這也證明了上述直觀分析結(jié)果。

2.2 因素水平權(quán)重驗證分析

通過上述正交試驗直觀分析可以看出，方案4中養(yǎng)護7 d和28 d的試件單軸抗壓強度分別為1.80 MPa和3.68 MPa，相比較其他方案，該方案養(yǎng)護至一定齡時單軸抗壓強度為最優(yōu)。因此，方案4所對應(yīng)的因素水平組合A1B1C2最優(yōu)。進一步利用正交表的綜合可比性來分析驗證正交試驗中得出的最優(yōu)結(jié)果，如表5所示。

Ki（i=1，2，3，4）表示某個因素第i個水平所有抗壓強度之和，i為影響因素的水平數(shù)，即ˉki=Ki/4；R為某因素的最大值與最小值之差，R值越大，表明該因素對強度的影響作用越明顯。由表6可以看出：RB>RC>RA。

與之對應(yīng)地，因子B（冶煉渣摻量）為主要影響因素，因子C（激發(fā)劑摻量）次之，而因子A（激發(fā)劑摻量）影響最小。通過極差分析可知：銅鎳冶煉渣摻量對試件單軸抗壓強度的影響最大，極差為1.04，這與銅鎳冶煉渣本身膠凝活性較低有關(guān)。當其作為礦物摻合料取代水泥時稀釋了水泥［21］，導致水泥用量的減少以及體系水化產(chǎn)物數(shù)量的減少。同時，由于銅鎳冶煉渣本身火山灰活性較低［22］，導致后期試件的單軸抗壓強度增長并不明顯。激發(fā)劑摻量對試件單軸抗壓強度的影響次之，極差為0.78。粉磨時間對試件單軸抗壓強度的影響最小，極差為0.59。隨著粉磨時間的增加，顆粒粒徑逐漸減小，粉磨作用導致銅鎳冶煉渣本身產(chǎn)生晶格缺陷［23-25］，一定程度上可以提高其活性。但受制于銅鎳冶煉渣本身玻璃體含量較低的影響，粉磨時間對試件單軸抗壓強度的影響作用較小。

2.3 水平均值圖

進一步分析不同水平對試件抗壓強度的影響。將每個因子不同水平的均值繪制在同一幅圖中進行分析（圖7），可以看出每一因子所對應(yīng)的最好水平分別為A2、B1和C1。

從圖7可以看出：（1）試件的強度隨著粉磨時間的延長呈現(xiàn)出先上升后降低的趨勢，說明對于以戈壁集料為骨料制備的試件而言，并非冶煉渣粉磨時間越長，對強度的貢獻作用越好，這種現(xiàn)象可能是由于冶煉渣自身的活性有限，因此在充填料漿中具有作為膠凝材料和骨料的雙重作用［26］。一般而言，采用冶煉渣作為膠凝材料，冶煉渣粉磨時間越長，粒徑越小，對強度的貢獻作用越強；而作為骨料時，其對強度的貢獻作用與骨料本身級配的優(yōu)劣［27］有明顯的關(guān)系，良好的級配是保證強度的關(guān)鍵，并非越細越好。（2）試件的強度隨著冶煉渣摻量的增加呈顯著下降的趨勢，進一步說明冶煉渣本身的膠凝活性較低，其摻量越高體系中水化產(chǎn)物生成量越少，抗壓強度降低。（3）試件的強度隨著激發(fā)劑摻量的增加也呈下降趨勢，但下降幅度相對冶煉渣摻量較低，這說明該激發(fā)劑對冶煉渣膠凝活性的激發(fā)效果并不明顯。

3 結(jié)論

（1）銅鎳冶煉渣活性較低，且屬于酸性渣，其質(zhì)量系數(shù)和活性系數(shù)分別為0.31和0.06，堿度系數(shù)為0.2。

（2）采用水泥摻銅鎳冶煉渣作膠凝材料膠結(jié)戈壁集料時，銅鎳冶煉渣最佳粉磨時間為50 min，對應(yīng)的D（0.1）、D（0.5）和D（0.9）分別為4 μm、29 μm和120 μm。

（3）銅鎳冶煉渣在水泥戈壁集料體系中能夠發(fā)生火山灰反應(yīng)，對充填體后期強度有一定的提升作用。通過SEM圖譜進一步發(fā)現(xiàn)，由于銅鎳冶煉渣的摻入，在后期促進體系鈣礬石和水化硅酸鈣（C-S-H）的生成。

（4）通過正交試驗研究，確定銅鎳冶煉渣—水泥比例為2∶8，激發(fā)劑摻量為4%，充填體單軸抗壓強度最高。極差分析進一步表明，采用該激發(fā)劑激發(fā)效果并不明顯。