酸浸錳渣基雙免磚的制備及抗壓強度的影響因素研究

孫保玉，邱樹恒，曾思成，葛特，鄧麗娟，錢國權(quán)

（廣西大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

酸浸錳渣基雙免磚的制備及抗壓強度的影響因素研究

孫保玉，邱樹恒，曾思成，葛特，鄧麗娟，錢國權(quán)

（廣西大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

以酸浸錳渣、粉煤灰、水泥等作為原料，采用壓制成型的方法制備酸浸錳渣基雙免磚。研究了水固比、成型壓力、酸浸錳渣摻量、粉煤灰取代水泥量、養(yǎng)護方式等因素對制品抗壓強度的影響規(guī)律。結(jié)果表明：在本實驗條件下，合適的水固比為0.15、成型壓力為20 MPa；以抗壓強度為考量指標(biāo)，最佳配比為酸浸錳渣59.5%、水泥35.7%、粉煤灰4.8%，制品28 d抗壓強度可達43.4 MPa。

酸浸錳渣；粉煤灰；壓制成型；抗壓強度；雙免磚

0 前言

錳礦是國家重要戰(zhàn)略資源，隨著經(jīng)濟發(fā)展的需要，我國在生產(chǎn)及利用錳領(lǐng)域已位居世界第一[1]。我國錳資源儲量充足，主要分布在南方地區(qū)，錳產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，也導(dǎo)致了相關(guān)環(huán)境保護問題的出現(xiàn)。據(jù)相關(guān)企業(yè)統(tǒng)計和報道，生產(chǎn)1 t電解金屬錳排放的廢渣約8～9 t，生產(chǎn)1 t電解二氧化錳排放的廢渣約5～6 t，生產(chǎn)1 t硫酸錳排放的錳礦酸浸廢渣約4 t。我國如今各種錳廢渣累積量高達60億t。對于錳渣的處理，我國的錳企業(yè)一般都采用筑壩堆存的方式，這樣的處理方法不僅土地占用量大，而且容易改變土壤性質(zhì)，污染地表水和地下水。

對于錳渣的利用，蘭家泉和王槐安[2]將經(jīng)過特殊處理的錳渣制成富硒全價肥，并進行了小規(guī)模的生產(chǎn)試驗。關(guān)振英[3]在錳渣作水泥緩凝劑方面作了相關(guān)研究：在安定性、凝結(jié)時間都符合國家標(biāo)準(zhǔn)的前提下，最佳摻量為1.7%左右。郭盼盼等[4]通過壓制成型的方法制備錳渣磚，得出石灰石摻量10%、粉煤灰摻量20%、水泥摻量10%時錳渣磚的抗壓強度較高。

本文從水固比、成型壓力、酸浸錳渣摻量、粉煤灰取代水泥量、養(yǎng)護方式等因素著手，系統(tǒng)研究了酸浸錳渣基雙免（免燒免蒸）磚的制備工藝和抗壓強度的影響規(guī)律。

1 實驗

1.1 原材料

酸浸錳渣：生產(chǎn)硫酸錳時產(chǎn)生的工業(yè)廢渣，呈棕色和黑色，廣西遠(yuǎn)辰錳業(yè)有限公司。由于酸浸錳渣長期堆放含有一定水分，呈10～20 cm尺寸不等的塊狀，含水率約29.7%。其主要化學(xué)成分見表1。

表1 錳渣的主要化學(xué)成分%

粉煤灰：廣西來賓發(fā)電廠經(jīng)細(xì)磨后的Ⅲ級灰，主要化學(xué)成分見表2。

表2 粉煤灰的主要化學(xué)成分%

水泥：P·O42.5水泥，扶綏海螺水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)。

1.2 試樣制備

將酸浸錳渣、粉煤灰、水泥按設(shè)計的比例進行稱量混料，根據(jù)水固比計算用水量，逐漸加水拌合成濕料，將濕料一次性轉(zhuǎn)移到模具（Φ5 cm的圓柱型模具）中，逐漸加壓至一定壓力并保持3～5 min脫模，最后將制品按不同養(yǎng)護方式分別養(yǎng)護至7、14和28 d后利用微機控制電子萬能試驗機WDS-20KN測試試樣的抗壓強度。

2 結(jié)果與分析

2.1 水固比對雙免磚成型效果的影響

成型壓力為20 MPa時，不同水固比對雙免磚成型效果的影響如表3所示。

表3 不同水固比下雙免磚的成型效果

從表3可以看出，當(dāng)摻40%水泥時，水固比為0.05或0.10條件下，雙免磚的粘結(jié)性較差，易出現(xiàn)開裂的現(xiàn)象，造成制品的不完整性；水固比為0.20或0.25時，成型效果較好，但會出現(xiàn)滲水的現(xiàn)象。單獨使用純酸浸錳渣時，水固比為0.05條件下，制品的粘結(jié)性較差，會出現(xiàn)開裂的現(xiàn)象，致使制品的不完整；水固比為0.15、0.20或0.25時，成型效果較好，但同時會出現(xiàn)滲水的現(xiàn)象。故水固比太低會導(dǎo)致物料的粘結(jié)性變差，易造成開裂，不能成型完整的制品；太高會出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，造成制品的抗壓強度降低。綜合考慮，本實驗合適的水固比為0.15。

2.2 成型壓力對雙免磚7 d抗壓強度的影響

水固比為0.15時，成型壓力對雙免磚7 d抗壓強度的影響如表4所示。

表4 成型壓力對雙免磚7 d抗壓強度的影響

從表4可以看出，在成型壓力10～25 MPa范圍內(nèi)，雙免磚的7 d抗壓強度隨成型壓力的增大整體呈現(xiàn)不斷升高的趨勢。成型壓力的增大，使得粉料顆粒間的結(jié)合更加緊密，同時降低了孔隙率，使強度得到不斷提升。從表4還可以看出，摻40%水泥的雙免磚強度提升幅度比純酸浸錳渣的要大，這主要是由于水泥的加入，使得酸浸錳渣顆粒被水泥漿料包覆和相互聯(lián)接，水泥的水化產(chǎn)物共生成一個整體，提升了制品的強度。成型壓力太高，會增加脫模的難度，本實驗合適的成型壓力為20 MPa。

2.3 酸浸錳渣摻量對雙免磚抗壓強度的影響

在水固比為0.15、成型壓力為20 MPa條件下，酸浸錳渣摻量對雙免磚抗壓強度的影響見圖1。

圖1 酸浸錳渣摻量對雙免磚抗壓強度的影響

從圖1可以看出，當(dāng)酸浸錳渣摻量在50%～100%時，不同齡期的抗壓強度均隨著酸浸錳渣摻量的增加而下降。酸浸錳渣摻量的增加意味著水泥組分相對的減少，單位酸浸錳渣顆粒外包覆的水泥組分量降低，水泥水化量的降低，致使顆粒間的結(jié)合量減少，表現(xiàn)為抗壓強度的下降。另外當(dāng)酸浸錳渣摻量≥90%時，不同齡期下的強度基本一致，即齡期的長短對強度的發(fā)揮影響甚小。酸浸錳渣摻量太低會增大水泥的用量，酸浸錳渣摻量太高會降低制品的強度。為了較大程度利用廢渣酸浸錳渣摻量以50%～70%為宜。

2.4 粉煤灰摻量對抗壓強度的影響

在m（酸浸錳渣）∶m（水泥）=6∶4，水固比0.15，成型壓力20 MPa的條件下，研究粉煤灰取代水泥量對雙免磚抗壓強度的影響，取代方式分為等量取代和超量取代（取代系數(shù)為1.2）。

2.4.1粉煤灰等量取代水泥

粉煤灰等量取代水泥量對雙免磚抗壓強度的影響見圖2。

圖2 粉煤灰等量取代水泥量對雙免磚抗壓強度的影響

從圖2可以看出，粉煤灰取代水泥量在0～40%的范圍內(nèi)，抗壓強度隨取代量的增加呈現(xiàn)出先降低后上升再降低的趨勢。水泥在水化過程中產(chǎn)生Ca（OH）2，能夠激發(fā)粉煤灰中的活性SiO2、Al2O3等成分并發(fā)生反應(yīng)，生成的C-S-H凝膠、Aft將對抗壓強度有正貢獻。當(dāng)取代量在0～10%時，粉煤灰反應(yīng)產(chǎn)物的對強度的貢獻值小于等量水泥水化產(chǎn)物對強度的貢獻，表現(xiàn)為抗壓強度的降低。當(dāng)取代量為10%～20%時，粉煤灰活性產(chǎn)物的激發(fā)得到加強，火山灰反應(yīng)程度增加，抗壓強度得到回升。當(dāng)取代量為20%～40%時，等量取代的水泥水化產(chǎn)物對強度的貢獻大于粉煤灰發(fā)生火山灰反應(yīng)的貢獻，抗壓強度又出現(xiàn)了下降趨勢。

2.4.2 粉煤灰超量取代水泥

粉煤灰超量取代水泥量對雙免磚抗壓強度的影響見圖3。

圖3 粉煤灰超量取代水泥量對雙免磚抗壓強度的影響

從圖3可以看出，粉煤灰取代水泥量在0～40%內(nèi)，抗壓強度隨取代量的增加呈現(xiàn)出先上升后降低的趨勢。制品抗壓強度的發(fā)揮有2個重要的方面：水泥參與水化反應(yīng)形成水化產(chǎn)物、粉煤灰的活性組分在堿性物質(zhì)的激發(fā)下發(fā)生火山灰反應(yīng)生成C-S-H凝膠[5]、Aft。當(dāng)取代量為0～10%時，前者（水泥水化產(chǎn)物）的對強度貢獻值小于后者（發(fā)生火山灰反應(yīng)生成的C-S-H凝膠、Aft），抗壓強度升高；當(dāng)取代量為10%～40%時，前者的貢獻大于后者，抗壓強度表現(xiàn)為逐漸下降。本實驗條件下最佳的取代量為10%。

2.5 養(yǎng)護方式對雙免磚28 d抗壓強度的影響（見圖4）

圖4 養(yǎng)護方式對雙免磚抗壓強度的影響

從圖4可以看出，強度差（標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護下強度-自然養(yǎng)護下強度）曲線隨酸浸錳渣摻量的增加逐漸降低，且由正值變負(fù)值。當(dāng)酸浸錳渣摻量為50%～80%時，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護的效果優(yōu)于自然養(yǎng)護，且酸浸錳渣摻量越低效果越明顯。當(dāng)酸浸錳渣摻量為90%～100%時，自然養(yǎng)護的效果優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護，酸浸錳渣摻量越高效果越明顯。摻量為50%～80%時，水泥發(fā)生水化和火山灰反應(yīng)所需的水量較大，而標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護較自然養(yǎng)護有更高的濕度滿足了需水量高這一要求，此摻量范圍內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護更利于強度的發(fā)揮。隨著酸浸錳渣摻量的增加，需水量降低，強度差逐漸減少。當(dāng)摻量為90%～100%時，自然養(yǎng)護下稍高的溫度有利于反應(yīng)進行、強度發(fā)揮，故二者差值由正轉(zhuǎn)負(fù)且二者差值變得更小。

2.6 浸水實驗

圖5為浸水實驗對雙免磚抗壓強度的影響，其中浸水時間為24 h。

圖5 浸水實驗對雙免磚抗壓強度的影響

從圖5可以看出，浸水后制品強度都有不同程度的降低，且浸水前后的強度下降率隨酸浸錳渣摻量的增加不斷增大。制品通過外在壓力的擠壓使顆粒流動、空隙率降低、致密度增加，水泥、酸浸錳渣、粉煤灰和水之間復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)使得制品成為統(tǒng)一的硬化體，產(chǎn)生一定的機械強度。水泥本身是水硬性膠凝材料，有較好的抗水能力，浸水的過程中，水能輕易進入硬化體內(nèi)部，對為未反應(yīng)的酸浸錳渣、粉煤灰及水化產(chǎn)物進行浸潤、溶解、溶蝕，使得內(nèi)部出現(xiàn)空洞，降低了制品的強度。酸浸錳渣的摻量越高，其內(nèi)部越容易遭到破壞，當(dāng)酸浸錳渣摻量為50%～90%時，強度下降率不斷增大。

3 結(jié)論

（1）水固比不但影響制品成型外觀、成型效果，而且是制品強度的重要影響因素，對于本文試驗條件下最佳的水固比為0.15。

（2）成型壓力是影響成型效果和強度的重要因素，本文條件下合適的成型壓力為20 MPa。

（3）養(yǎng)護方式是影響強度的因素之一，當(dāng)酸浸錳渣摻量為50%～80%時，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護有利于強度的發(fā)揮；當(dāng)酸浸錳渣摻量為80%～100%時，自然養(yǎng)護更有利于強度發(fā)揮。

（4）以抗壓強度為考量指標(biāo)，最佳的原料配比為酸浸錳渣59.5%、水泥35.7%、粉煤灰4.8%，按此配比制備的雙免磚28 d強度可達43.4 MPa。

[1]熊素玉，張在峰.我國酸浸金屬錳工業(yè)存在的問題與對策[J].中國錳業(yè)，2005（1）：14-16，26.

[2]蘭家泉，王槐安.酸浸金屬錳生產(chǎn)廢渣為農(nóng)作物利用的可行性[J].中國錳業(yè)，2006（4）：23-25.

[3]關(guān)振英.酸浸錳生產(chǎn)廢渣用作水泥生產(chǎn)緩凝劑的研究[J].中國錳業(yè)，2000（2）：40-41.

[4]郭盼盼，張云升，范建平，等.免燒錳渣磚的配合比設(shè)計、制備與性能研究[J].硅酸鹽通報，2013（5）：786-793.

[5]余舉學(xué).電解錳渣制備新型墻體材料的研究[J].新型建筑材料，2012（8）：87-89.

Preparation of acid leaching manganese slag-based non-autoclaved and unburned brick and study on factors influencing compressive strength

SUN Baoyu，QIU Shuheng，ZENG Sicheng，GE Te，DENG Lijuan，QIAN Guoquan
（College of Materials Science and Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China）

In this study，acid leaching manganese slag，fly ash and cement are used to prepare acid leaching manganese slagbased non-autoclaved and unburned manganese slag brick by compression molding process.Factors affecting compressive strength are researched，such as water-solid ratio，molding pressure，acid leaching manganese slag content，fly ash substitution and curing conditions.The result shows：under the experimental conditions，suitable water-solid ratio 0.15，molding pressure 20 MPa；considering compressive strength as index，the optimal proportion for acid leaching manganese slag 59.5%，cement 35.7%，fly ash 4.8%，the compressive strength of 28 d can reach 43.4 MPa.

acid leaching manganese slag，fly ash，compression molding，compressive strength，non-autoclaved and unburned brick

TU522.1

A

1001-702X（2016）09-0036-03

廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計劃項目（桂科重1355002-4）

2016-01-18

孫保玉，男，1990年生，山東曹縣人，碩士研究生，研究方向：無機非金屬材料。