淺談硅錳渣在建筑材料中的利用

竇林瑞

(北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124)

淺談硅錳渣在建筑材料中的利用

竇林瑞

(北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124)

硅錳渣是硅錳合金企業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的工業(yè)廢渣，且每生產(chǎn)1 t的硅錳合金會(huì)產(chǎn)生1.2～1.3 t的硅錳渣。大量硅錳渣肆意堆放或是閑置，不但會(huì)造成資源的浪費(fèi)，還會(huì)導(dǎo)致環(huán)境的污染，影響硅錳合金企業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展。硅錳渣的資源再利用就顯得十分重要，將硅錳渣應(yīng)用到建筑工程中，作為建筑材料，實(shí)現(xiàn)硅錳渣的資源再利用，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)建筑材料結(jié)構(gòu)，并提升建筑工程的施工效率和施工質(zhì)量。故此，分析硅錳渣的形成過程，硅錳渣的理化特性，解讀硅錳渣在建筑材料中具體應(yīng)用，旨在降低硅錳渣對(duì)環(huán)境的影響，實(shí)現(xiàn)硅錳渣的資源再利用。

硅錳渣；建筑材料；利用；資源再利用

硅錳合金是一種具有廣泛用途和產(chǎn)量的鐵合金，對(duì)鋼鐵生產(chǎn)具有十分積極的作用和意義。然而實(shí)際硅錳合金生產(chǎn)過程中，會(huì)導(dǎo)致大量的硅錳渣產(chǎn)生。這些硅錳渣如果不能得到有效的利用或處理，就會(huì)導(dǎo)致硅錳渣大量堆積，不但會(huì)對(duì)環(huán)境造成惡劣影響，還會(huì)引起資源的浪費(fèi)，不利于企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，亟需改進(jìn)和完善?；诖?，本文結(jié)合硅錳渣產(chǎn)生和硅錳渣的理化特性，對(duì)硅錳渣在建筑材料中的利用進(jìn)行闡述。

1 硅錳渣的產(chǎn)生

硅錳渣也叫硅錳冶煉渣，是硅錳合金生產(chǎn)過程中的廢料。在硅錳合金冶煉過程中，主要運(yùn)用錳礦、富錳礦、硅石和焦炭等作為原材料展開冶煉，冶煉過程中，所產(chǎn)生的高溫爐渣在水淬或是空氣中自然冷卻后，便是硅錳渣。其中水淬和自然冷卻后硅錳渣形態(tài)是存在差異的。水淬的硅錳渣會(huì)快速冷卻，且以疏松多孔的形式存在。對(duì)于在空氣中自然冷卻的硅錳渣，主要是以塊狀為主。不同的存在形式的硅錳渣在具體性質(zhì)和特征上也存在差異，對(duì)于塊狀和顆粒狀，在具體的運(yùn)用中也會(huì)存在差異，需要進(jìn)一步的分析和研究。

硅錳渣主要是由二氧化硅和氧化鈣、三氧化二鋁和氧化鎂等構(gòu)成。硅錳合金生產(chǎn)過程中，為了改善硅的還原條件，需要保障礦熱爐中具有充足二氧化硅，且合理爐渣監(jiān)堿度進(jìn)行控制，以0.6～0.8為宜[1]，從而推動(dòng)硅錳合金生產(chǎn)質(zhì)量。

2 硅錳渣的理化特性分析

為實(shí)現(xiàn)對(duì)硅錳渣的合理利用需對(duì)硅錳渣的理化性質(zhì)展開分析，如果硅錳渣的理化特性分析不夠充足，必然會(huì)嚴(yán)重影響硅錳渣的利用質(zhì)量和利用效率，甚至導(dǎo)致建筑施工安全隱患的發(fā)生，故此，需詳細(xì)解讀其理化性質(zhì)。

2.1 硅錳渣化學(xué)成分分析

硅錳渣是由多個(gè)化學(xué)成分構(gòu)成，且主要以CaO和SiO2為主要成分，兩者合計(jì)在塊狀硅錳渣和顆粒狀硅錳渣中的比例均>60%。此外，硅錳渣中的成分還有MgO和Al2O3，而且，由于硅錳渣中CaO/SiO2<1.0，則可以說明硅錳渣屬于酸性合金渣[2]。

2.2 硅錳渣的礦物組成

為獲得硅錳渣的礦物組成，分別對(duì)塊狀硅錳渣和顆粒硅錳渣進(jìn)行抽樣檢測(cè)，并可以得到硅錳渣的XRD圖譜。通過對(duì)圖譜的分析可以得到塊狀硅錳渣主要是CaSiO3、CaAl2O4和Ca2Al2SiO7等構(gòu)成。對(duì)于顆粒狀硅錳渣的XRD圖譜分析，可以得到其礦物成分以玻璃體為主，并含有較少的AlSiO5等礦物[3-4]。

2.3 硅錳渣的粉磨特性

1)硅錳渣具有良好的易磨性，通過研究表明，塊狀和顆粒狀使硅錳渣的易磨性比較，可以得到顆粒狀明顯優(yōu)于塊狀。且能夠得到硅錳渣比其他金屬渣具備更好的易磨性。為實(shí)現(xiàn)對(duì)硅錳渣的有效應(yīng)用，在需求的情況下，需要對(duì)硅錳渣的易磨性進(jìn)行提升，可以通過增加適宜的助磨劑，進(jìn)而達(dá)到有效提升硅錳渣易磨性。

2)硅錳渣的微粉密度和比表面積。借助實(shí)測(cè)密度和比表面積的方式，可以對(duì)硅錳渣的微粉密度和比表面積進(jìn)行測(cè)定，得到塊狀的密度為3 g/cm3左右，顆粒的密度在2.94 cm3左右。而且，通過易磨性的比較，可以得到顆粒狀的比表面積明顯大于塊狀[5]。

3)硅錳渣粒徑分布情況。為獲取具體的粒徑情況，可先展開振動(dòng)研磨，再選擇激光粒度儀展開測(cè)定，且可以得到具體的粒徑情況。其中以體積分布情況為例，將硅錳渣的塊狀、顆粒狀與水泥和礦渣等展開比較，通過比較分析可以得到：經(jīng)過研磨后，塊狀主要集中在2～20 μm和100～120 μm，表明塊狀硅錳渣可以有效的與水泥之間達(dá)到互補(bǔ)，這樣就可以將塊狀硅錳渣應(yīng)用到混凝土中，作為混凝土的集料，可以達(dá)到改變混凝土性能的目的，滿足硅錳渣作為建筑材料的運(yùn)用[6]。

2.4 硅錳渣活性

硅錳渣的活性分析，直接關(guān)系到硅錳渣的綜合利用，尤其是應(yīng)用于混凝土中。在具體的活性分析中，可以結(jié)合化學(xué)分析法和試餅法、酸堿溶出度法和強(qiáng)度法等。通過綜合實(shí)驗(yàn)研究能夠得到硅錳渣具有較好的活性，且顆粒狀的活性要微高于塊狀。

3 硅錳渣在建筑材料中的具體應(yīng)用

通過對(duì)硅錳渣的產(chǎn)生和理化特征的綜合分析，可以得到硅錳渣具有較好的易磨性、活性等特性，可有效應(yīng)用到建筑材料中，對(duì)改變傳統(tǒng)建筑材料結(jié)構(gòu)和提升建筑材料性能具有積極的作用。

3.1 硅錳渣作為混凝土的摻和料利用

建筑工程在具體的施工中，混凝土是影響建筑質(zhì)量和建筑安全性的基礎(chǔ)材料，也是建筑工程中應(yīng)用數(shù)量最多的材料類型。鑒于硅錳渣的理化特性，可以作為建筑混凝土的摻和料。摻和料是影響混凝土性能和質(zhì)量的關(guān)鍵，常見的摻合料有粉煤灰、硅灰和爐渣等，借助摻和料的有效應(yīng)用，可以有效的改變混凝土的基本性能，在提升混凝土性能的基礎(chǔ)上，還可以對(duì)硅錳渣進(jìn)行資源再利用，達(dá)到降低建筑材料成本和降低環(huán)境污染的目的[7]。

硅錳渣可用于混凝土的摻和料主要是由于硅錳渣中具有較高含量的玻璃體，運(yùn)用適宜的激發(fā)劑，可以有效改善硅錳渣的活性，從而達(dá)到提升混凝土強(qiáng)度的目的。通過對(duì)硅錳渣摻合料對(duì)水泥漿凈漿性能、膠砂性能、混凝土性能等的綜合分析，可以得到硅錳渣的摻量在40%時(shí)，可以使得混凝土處于最佳的性能。其中顆粒狀硅錳渣作為摻合料的最佳摻和比例為30%左右。借助有效的摻和料控制，可以使得混凝土抗凍能力、干縮性能等均能夠得到全面的提升，從而達(dá)到提升建筑工程的施工質(zhì)量和施工效率的目的，規(guī)避安全隱患和質(zhì)量隱患[8]。

3.2 顆粒狀硅錳渣用于生產(chǎn)水泥

顆粒狀硅錳渣可以用于堿激發(fā)膠凝材料，主要是因?yàn)轭w粒狀硅錳渣的主要礦物為玻璃體，可以將其作為堿激發(fā)的膠凝材料，且具有較好的可行性。

1)顆粒狀硅錳渣作為堿激發(fā)材料時(shí)，運(yùn)用無水硫酸鈉激發(fā)膠凝材料3 d和7 d時(shí)存在強(qiáng)度不高的情況。但是，隨著時(shí)間的推移其強(qiáng)度會(huì)發(fā)生明顯變化，28 d后，其強(qiáng)度提升幅度十分明顯。且得到堿激發(fā)顆粒樁硅錳渣膠凝材料的強(qiáng)度受到無水硫酸鈉的影響明顯，且二者之間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的聯(lián)系。當(dāng)無水硫酸鈉的摻量在3%時(shí)，顆粒狀硅錳渣堿激發(fā)材料的激發(fā)效果最理想。

2)氫氧化鈉激發(fā)。這種情況下，顆粒狀硅錳渣堿激發(fā)的膠凝的強(qiáng)度在3～7 d之間強(qiáng)度的增加顯著，但是，隨著時(shí)間的推移7～28 d這一區(qū)間，強(qiáng)度的變化較為緩慢。當(dāng)氫氧化鈉的摻和量為4%時(shí)，激發(fā)效果較為理想[9]。

3)無水硫酸鈉、氫氧化鈉激發(fā)劑。二者聯(lián)合應(yīng)用可以使得顆粒狀硅錳渣的強(qiáng)度28d后變化不夠明顯。且需要合理對(duì)具體的摻量進(jìn)行控制，避免過小或過大的情況，從而保障堿激發(fā)顆粒狀硅錳渣膠凝材料的強(qiáng)度。

顆粒狀硅錳渣用于堿激發(fā)凝膠材料，可以實(shí)現(xiàn)水泥的生產(chǎn)，進(jìn)而滿足建筑工程混凝土的基本性能。堿激發(fā)顆粒狀硅錳渣凝膠材料的有效應(yīng)用，可以對(duì)混凝土的早期強(qiáng)度、拆模時(shí)間等進(jìn)行改進(jìn)，從而有效的改善水泥的性能和質(zhì)量[10]。

3.3 塊狀硅錳渣用于混凝土的粗集料和生態(tài)滲透磚

1)鑒于塊狀硅錳渣的基本特點(diǎn)，可以將其運(yùn)用到建筑混凝土的粗集料。在綜合分析塊狀硅錳渣粗集料的性能時(shí)，可以得到快轉(zhuǎn)硅錳渣的含泥量、壓碎值等性能指標(biāo)均優(yōu)于天然集料。這樣可以將塊狀硅錳渣對(duì)混凝土中部分自然粗集料進(jìn)行代替，其中取代率大于50%時(shí)，可以使得混凝土的力學(xué)性能、耐磨性等得到有效的提升，滿足建筑工程施工的基本需求。

2)生態(tài)滲透磚。它是一種綠色環(huán)保的新型建材，對(duì)提升建筑工程的生態(tài)性和經(jīng)濟(jì)性具有積極的作用。具體的生態(tài)滲透磚在構(gòu)建時(shí)，可以運(yùn)用水泥、粉煤灰、硅錳渣等材料，選擇高壓成型的方式，從而得到一種生態(tài)滲透磚。且能夠達(dá)到改善建筑工程的生態(tài)性能和節(jié)能性效果，符合生態(tài)建筑的基本需求。

3.4 微晶玻璃材料

硅錳渣可以用于制造微晶玻璃材料，成為一種理想的建筑材料，具有傳統(tǒng)玻璃和陶瓷的基本性能，屬于一種綜合的玻璃材料，可以用于建筑的玻璃裝飾和施工，在降低建筑施工成本的基礎(chǔ)上，達(dá)到實(shí)現(xiàn)硅錳渣資源再利用的目的。在具體的微晶玻璃生產(chǎn)中，硅錳渣對(duì)微晶玻璃的形成和溶制具有積極的作用[11-12]。

4 結(jié) 語

結(jié)合硅錳合金生產(chǎn)的基本情況，研究分析硅錳渣的具體的生成情況，再結(jié)合硅錳渣的基本特性，完成對(duì)硅錳渣的綜合利用。得到硅錳渣可以有效的應(yīng)用到混凝土的摻和料、生產(chǎn)水泥、粗集料和生態(tài)滲透磚、微晶玻璃材料等，從而有效的改善建筑材料結(jié)構(gòu)，并提升建筑材料的性能和質(zhì)量，達(dá)到硅錳渣的資源再利用，降低對(duì)環(huán)境的不利影響，積極為硅錳合金產(chǎn)業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

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Ultilization of Silicomanganese Slag in Building Materials

DOU Linrui

(BeijingUniversityofIndustryTechnology,Beijing100124,China)

Silico manganese slag is the waste residue of silicon manganese alloy produced in industrial production. We think 1 ton of silicomanganese alloy will leave 1.2～1.3 ton of slag in every production. A large number of silicomanganese slag stacking or wanton idle will not only cause the waste of resources, but also lead to environmental pollution in effecting to restrict a sustained and healthy development of enterprises. Silicomanganese slag recycling is very important, which is in construction project. In building materials, it can achieve the reuse of silicomanganese slag resources to change the structure of traditional building materials by improving the construction efficiency and construction quality of building engineering. Therefore, the analysis of formation process of silicomanganese slag, including the physicochemical properties of silicon manganese slag, the specific application of silicomanganese slag in building materials, can reduce the influence of silicon manganese slag on the environment to achieve the reuse of silicomanganese slag resources.

Manganese slag; Construction materials; Utilization; Recycling

2017-05-09

竇林瑞(1990-)，男，山東德州人，在讀碩士研究生，研究方向：混凝土結(jié)構(gòu)領(lǐng)域研究，手機(jī)：17801071725，E-mail：1061127340@qq.com.

X757

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10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.04.037