某電解錳渣免燒磚抗壓和抗折強(qiáng)度研究

秦吉濤 王家偉 王海峰 趙平源

(1．貴州大學(xué)材料與冶金學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2．貴州省冶金工程與過程節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550025)

電解錳渣是菱錳礦在硫酸浸出制備硫酸錳溶液過程中產(chǎn)生的酸浸廢渣[1-3]。目前，每生產(chǎn)1 t金屬錳會(huì)產(chǎn)生8～9 t錳渣。由于目前尚未有可工業(yè)化利用錳渣的技術(shù)，因而大量的電解錳渣只能暫時(shí)堆存。錳渣的大量堆積不僅造成資源的浪費(fèi)，而且占用土地，污染環(huán)境，因此，國(guó)內(nèi)外相關(guān)科研人員開展了大量的研究[4-10]。有研究者認(rèn)為，將電解錳渣制成免燒磚[11-14]是實(shí)現(xiàn)錳渣資源化利用的有效手段。

免燒磚的抗壓、抗折強(qiáng)度是磚的重要檢測(cè)指標(biāo)，反映了磚體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在前期研究的基礎(chǔ)上，擬開展電解錳渣免燒磚抗壓和抗折強(qiáng)度的研究，為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)原料

(1)試驗(yàn)所用電解錳渣為遵義天磁錳業(yè)集團(tuán)有限公司的廢渣，粒度為-80 μm占80%，其主要元素分析結(jié)果見表1，XRD圖譜見圖1。

表1 電解錳渣主要元素分析結(jié)果

圖1 電解錳渣的XRD圖譜

△—燒石膏CaSO4·0.5H2O；▽—石英SiO2；○—黃鐵礦FeS2；◇—菱錳礦MnCO3；□—六水銨鎂礬(NH4)2(Mg(H2O)6)(SO4)2；●—托胺云母NH4Al2AlSi3O10(OH)2

由圖1可見，錳渣中主要含有燒石膏CaSO4·0.5H2O、石英SiO2、黃鐵礦FeS2、菱錳礦MnCO3、六水銨鎂礬(NH4)2(Mg(H2O)6)(SO4)2、托胺云母NH4Al2AlSi3O10(OH)2等。

(2)石灰為市售品。

(3)添加劑WJ為貴州大學(xué)材料與冶金學(xué)院相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)研制的復(fù)合添加劑。

(4)水泥為市售品，為貴州烏江水泥廠出品的425普通硅酸鹽水泥。

(5)骨料取自建筑工地，由磚塊、水泥塊和石塊等各種建材廢料混合而成，粒徑為0.1～2 mm。

錳渣的浸出毒性測(cè)試表明，當(dāng)石灰添加量為10%、WJ添加量為10%時(shí)，浸出液銨含量為8 mg/L左右，錳含量為0.3 mg/L左右，符合《GB8978—1996污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中銨、錳濃度的排放要求，因此，錳渣可作為免燒磚的原料。

2 試驗(yàn)方法

將電解錳渣、水泥、骨料按照一定的比例混合均勻后加適量的水陳化1～2 d，使用尺寸79.0 mm×39.0 mm×40.0 mm的鋼制模具在一定壓力條件下壓制成型，制得電解錳渣免燒磚，取出后自然養(yǎng)護(hù)，然后進(jìn)行抗壓、抗折強(qiáng)度測(cè)試。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 渣泥質(zhì)量比對(duì)免燒磚強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)固定骨料添加量為固體總質(zhì)量的30%，水固質(zhì)量比為0.3，成型壓力為2 MPa，渣泥質(zhì)量比對(duì)電解錳渣免燒磚抗壓、抗折強(qiáng)度的影響見圖2、圖3。

圖2 渣泥質(zhì)量比對(duì)試塊抗壓強(qiáng)度的影響

圖3 渣泥質(zhì)量比對(duì)試塊抗折強(qiáng)度的影響

從圖2和圖3可知，隨著渣泥質(zhì)量比的增大，試塊的抗壓、抗折強(qiáng)度均先上升，渣泥質(zhì)量比達(dá)到5后再增大，則抗壓、抗折強(qiáng)度均下降。渣泥質(zhì)量比為5時(shí)，養(yǎng)護(hù)齡期無論是7 d還是28 d的免燒磚，其強(qiáng)度指標(biāo)均符合JC422—91和JC239—91要求。

3.2 骨料摻入量對(duì)免燒磚強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)固定渣泥質(zhì)量比為5，水固質(zhì)量比為0.3，成型壓力為2 MPa，骨料摻量對(duì)電解錳渣免燒磚抗壓、抗折強(qiáng)度的影響見圖4、圖5。

圖4 骨料摻量對(duì)試塊抗壓強(qiáng)度的影響

圖5 骨料摻量對(duì)試塊抗折強(qiáng)度的影響

由圖4和圖5可知，隨著骨料摻量的增大，試塊的抗壓、抗折強(qiáng)度均先增大后減小；骨料添加量為30%時(shí)，試塊的強(qiáng)度達(dá)到最大值。骨料的摻量較低，試塊的強(qiáng)度也較低，一方面是因?yàn)樵噳K中缺少骨架，另一方面過多的膠凝材料的水化反應(yīng)需要較多的水參與。骨料的摻量過多，試塊的強(qiáng)度下降，主要是因?yàn)槟z凝材料水化生成的膠結(jié)料不足以很好地將骨料膠結(jié)在一起，從而造成試塊的密實(shí)度下降所致。因此，后續(xù)試驗(yàn)的骨料摻量確定為30%。

3.3 水固質(zhì)量比對(duì)免燒磚強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)固定渣泥質(zhì)量比為5，骨料的摻量為30%，成型壓力為2 MPa，水固質(zhì)量比對(duì)電解錳渣免燒磚抗壓、抗折強(qiáng)度影響見圖6、圖7。

圖6 水固質(zhì)量比對(duì)試塊抗壓強(qiáng)度的影響

圖7 水固質(zhì)量比對(duì)試塊抗折強(qiáng)度的影響

由圖6、圖7可知，隨著水固質(zhì)量比的增大，試塊的抗壓、抗折強(qiáng)度先增大后減小，高點(diǎn)在水固質(zhì)量比為0.30時(shí)。因此，確定后續(xù)試驗(yàn)的水固質(zhì)量比為0.3。

3.4 成型圧力對(duì)免燒磚強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)固定渣泥質(zhì)量比為5，骨料添加量為30%，水固質(zhì)量比為0.3，成型壓力對(duì)電解錳渣免燒磚抗壓、抗折強(qiáng)度的影響見圖8、圖9。

圖8 成型壓力對(duì)試塊抗壓強(qiáng)度的影響

圖9 成型壓力對(duì)試塊抗折強(qiáng)度的影響

由圖8和圖9可知，成型壓力從1.0 MPa提高至2.0 MPa，試塊7 d和28 d的抗壓、抗折強(qiáng)度都顯著上升；繼續(xù)提高成型壓力，試塊7 d和28 d的抗壓、抗折強(qiáng)度上升幅度趨緩。因此，適宜的成型壓力為2.0 MPa，對(duì)應(yīng)的試塊7 d的抗壓、抗折強(qiáng)度分別達(dá)到10.63 MPa和2.21 MPa，28 d的抗壓、抗折強(qiáng)度分別達(dá)到 14.89MPa和2.48 MPa，達(dá)到國(guó)家普通磚的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié) 論

(1)隨著渣泥質(zhì)量比的增大，試塊的抗壓、抗折強(qiáng)度均先上升后下降，高點(diǎn)在渣泥質(zhì)量比為5時(shí)。

(2)隨著骨料摻量的增大，試塊的抗壓、抗折強(qiáng)度均先增大后減小，高點(diǎn)在骨料添加量為30%時(shí)。

(3)隨著水固質(zhì)量比的增大，試塊的抗壓、抗折強(qiáng)度先增大后減小，高點(diǎn)在水固質(zhì)量比為0.30時(shí)。

(4)成型壓力從1.0 MPa提高至2.0 MPa，試塊7 d和28 d的抗壓、抗折強(qiáng)度都顯著上升；繼續(xù)提高成型壓力，試塊7 d和28 d的抗壓、抗折強(qiáng)度上升幅度趨緩。

(5)渣泥質(zhì)量比為5、骨料添加量為30%、水固質(zhì)量比為0.3、成型壓力為2 MPa時(shí)，電解錳渣免燒磚7 d的抗壓、抗折強(qiáng)度分別達(dá)到10.63 MPa和2.21 MPa，28 d的抗壓、抗折強(qiáng)度分別達(dá)到 14.89MPa和2.48 MPa，達(dá)到國(guó)家普通磚的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。

[1] 石明星,魏振康.電解錳渣的環(huán)境危害和資源化利用[J].四川化工,2016(3):52-54.

Shi Mingxing,Wei Zhenkang.Environmental hazard and utilization of electrolyzed manganese residue[J].Journal of Sichuan Chemical Industry,2016(3):52-54.

[2] 周長(zhǎng)波,何 捷,孟俊利,等.電解錳廢渣綜合利用研究進(jìn)展[J].環(huán)境科學(xué)研究,2010(8):1044-1048.

Zhou Changbo,He Jie,Meng Junli,et al.Research progress on comprehensive utilization of electrolytic manganese waste[J].Journal of Environmental Science,2010(8):1044-1048.

[3] 吳建鋒,宋謀勝,徐曉虹,等.電解錳渣的綜合利用進(jìn)展與研究展望[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào),2014(7):2645-2652.

Wu Jianfeng,Song Mousheng,Xu Xiaohong,et al.Review and prospects of comprehensive utilization of electrolytic manganese residue[J].Chinese Journal of Environmental Engineering,2014(7):2645-2652.

[4] 關(guān) 峰,鐘 紅,劉廣義.使用烷基胍收集器浮選硅鋁酸鹽礦物[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2009，19：228-234.

Guan Feng,Zhong Hong,Liu Guangyi.Flotation of aluminosilicate minerals using alkylguanidine collectors[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2009,19:228-234.

[5] Paul M,Sandstrom A,Paul J.Prospects for clearing ash in the acidic effluent from bioleaching of sulfidic concentrates[J].Journal of Hazardous Materials,2004(1):39-54.

[6] 萬維華,陸 超,張修華,等.電解錳渣的理化表征及制備建筑材料的工藝探討[J].大眾科技,2014(4):61-62.

Wan Weihua,Lu Chao,Zhang Xiuhua,et al.The physicochemical characterization of electrolytic manganese slag and its preparation process for building materials[J].Volkswagen Science and Technology,2014(4):61-62.

[7] Pagnanelli F,Garavini M,Veglio F.Preliminary screening of purification processes of liquor leach solutions obtained from reductive leaching of low-grade manganese ores[J].Hydrometallurgy,2004(3/4):319-327.

[8] 冉 嵐,劉少友.淺談電解錳渣的綜合利用[J].廣州化工,2014(12):14-15.

Ran Lan,Liu Shaoyou.Talking about the comprehensive utilization of manganese residue[J].Guangzhou Chemical Industry,2014(12):14-15.

[9] 陳紅亮,劉仁龍,李文生,等.電解錳渣的理化特性分析研究[J].金屬材料與冶金工程,2014(1):3-5.

Chen Hongliang,Liu Renlong,Li Wensheng,et al.Study on Physical and Chemical Properties of Electrolytic Manganese Residue[J].Metallical Materials and Metallurgical Engineering,2014(1):3-5.

[10] 吳 霜,王家偉,劉 利,等.電解錳渣綜合利用評(píng)述[J].無機(jī)鹽工業(yè),2016(4):22-25.

Wu Shuang,Wang Jiawei,Liu Li,et al.Review on the comprehensive utilization of electrolyzed manganese residue[J].Inorganic Salt Industry,2016(4):22-25.

[11] 易龍生,汪 洲,萬 磊.利用尾礦制作免燒磚的研究現(xiàn)狀[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2014(3):45-50.

Yi Longsheng,Wang Zhou,Wan Lei.Research status of making tailings-free brick with tailings[J] .Mining Research and Development,2014(3):45-50.

[12] 楊家寬,侯 健,齊 波,等.鋁業(yè)赤泥免燒磚中試生產(chǎn)及產(chǎn)業(yè)化[J].環(huán)境工程,2006(4):52-55.

Yang Jiakuan,Hou Jian,Qi Bo,et al.Pilot-scale production and industrialization of aluminum red mud unburned brick[J].Environmental Engineering,2006(4):52-55.

[13] 邢 國(guó),楊家寬,侯 健,等.赤泥粉煤灰免燒磚工藝配方研究[J].輕金屬,2006(3):24-27.

Xing Guo,Yang Jiakuan,Hou Jian,et al.Study on technology formula of red mud without fly ash brick[J].Light Metals,2006(3):24-27.

[14] 蔣小花,王 智,侯鵬坤,等.用電解錳渣制備免燒磚的試驗(yàn)研究[J].非金屬礦,2010(1):14-17.

Jiang Xiaohua,Wang Zhi,Hou Pengkun,et al.Experimental study on preparation of burn-free brick with electrolytic manganese slag[J].Nonmetal Mine,2010(1):14-17.