骨料和纖維種類對(duì)錳渣加氣混凝土性能的影響

董雙快，卞慧昕，吳福飛，陳亮亮

（1.貴州師范大學(xué) 教務(wù)處，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.貴州師范大學(xué) 材料與建筑工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；3.重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 402160）

0 前 言

目前，主要通過(guò)電解硫酸錳溶液的方法提取金屬錳，該方法產(chǎn)渣量大，且隨著碳酸錳礦石品位的降低而增大。研究數(shù)據(jù)表明[1-2]：我國(guó)碳酸錳礦石品位普遍較低（10%～16%），平均每生產(chǎn)1 t 電解金屬錳產(chǎn)渣量高達(dá)9～11 t，每年新增電解錳渣約2000 萬(wàn)t，歷年累積已超過(guò)5000 萬(wàn)t，堆存量巨大，不僅占用大量土地，而且對(duì)地下水及土壤帶來(lái)嚴(yán)重的污染[3]。目前，貴州地礦局發(fā)現(xiàn)的錳礦床達(dá)6 億多t，占全國(guó)60%以上[4]，如此多的錳礦一旦開(kāi)發(fā)，將產(chǎn)生近66 億t 廢渣，對(duì)環(huán)境危害極大。我國(guó)是全球最大的電解錳生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)[5]，生產(chǎn)總能力占世界98%。許多學(xué)者和研究人員對(duì)電解錳渣資源化利用做了大量的研究，主要集中體現(xiàn)在以下4 個(gè)方面[6-13]：（1）采用水洗分離法及微生物浸出法對(duì)有價(jià)金屬錳再回收；（2）利用錳渣中含有的硒、氨、氮、鉀、鈉、鐵、硼等元素和有機(jī)質(zhì)制作化肥；（3）制備陶瓷材料及墻體材料；（4）研制復(fù)合膠凝材料及水泥添加劑。就目前取得的研究成果來(lái)看，錳渣的應(yīng)用并沒(méi)有得到有效的推廣，利用量小，且多數(shù)停留在試驗(yàn)階段，錳渣堆存或填埋依然是其主要處理方式。

為了緩解這一問(wèn)題，本研究首先通過(guò)試驗(yàn)確定大摻量錳渣加氣混凝土的配合比，在此基礎(chǔ)上，討論粉煤灰、加氣混凝土細(xì)砂等質(zhì)量和?；⒅榈润w積代替硅砂，分析其對(duì)加氣混凝土干密度和抗壓強(qiáng)度的影響。另外，進(jìn)一步討論外摻稻草葉纖維、稻草桿纖維、竹筋纖維和聚丙烯纖維對(duì)加氣混凝土干密度、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和吸水量的影響，為廢渣和農(nóng)作物秸稈制備加氣混凝土提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 主要原材料

錳渣：黑色，顆粒細(xì)?。ǎ?0 μm），泥糊狀的粉體物質(zhì)，pH值為5.90，呈弱酸性，含水率約19.8%，在露天堆放過(guò)程中受雨水影響含水率更高，甚至成漿體狀，化學(xué)成分見(jiàn)表1。

水泥：P·O42.5，堯柏水泥，比表面積375 m2/kg、標(biāo)準(zhǔn)稠度27.1%、密度3.02 g/cm3，采用試餅法測(cè)試安定性為合格，化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 錳渣、水泥和粉煤灰的化學(xué)成分 %

硅砂：中砂，磨細(xì)至比表面積為420～425 m2/kg。

纖維材料：竹筋纖維用整棵竹子破開(kāi)然后搗碎，制成0.3～0.5 mm 細(xì)絲。稻草秸稈纖維采用收割完稻子后的秸稈，經(jīng)過(guò)人工搗碎成1～3 mm。稻草葉纖維采用收割完稻子后的葉，其寬度為3～5mm。聚丙烯纖維的密度為0.91 g/cm3，當(dāng)量直徑為34 μm，斷裂強(qiáng)度590 MPa。

脫硫石膏：通過(guò)200 ℃的烘箱中烘干6 h，經(jīng)“碾槽”或“研缽”進(jìn)行粉磨，過(guò)0.075 mm 篩。

石灰：無(wú)定形白色粉末固體，比表面積為380～385 m2/kg，有效CaO 含量為95.3%，消解時(shí)間為13 min，消解溫度為88℃，MgO 含量為3.6%。

鋁粉膏：市售，活性鋁含量為96%，0.4 mm 方孔篩篩余為2.4%，5、10、25 min 的發(fā)氣率分別為54.3%、86.1%、99%。

玻化微珠：輕質(zhì)骨料，具有絕熱、防火、吸聲等特征，堆積密度為90 kg/m3，體積吸水率為40%，體積漂浮率為90%。

加氣混凝土細(xì)砂：利用加氣混凝土邊角料經(jīng)過(guò)研磨制成，直徑小于1 mm。

電力系統(tǒng)的整體運(yùn)行和規(guī)劃正受到各種科學(xué)技術(shù)發(fā)展的沖擊，面臨著各種各樣的問(wèn)題。而這不正是工程師們大展拳腳的好機(jī)會(huì)么？

1.2 試驗(yàn)方案與試驗(yàn)方法

經(jīng)過(guò)多次試拌，確定加氣混凝土配合比為m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（錳渣）∶m（石灰）∶m（鋁粉膏）∶m（硅砂）=12∶40∶12∶2∶0.12∶34。在此基礎(chǔ)上，采用粉煤灰、加氣混凝土細(xì)砂等質(zhì)量替代硅砂、?；⒅榈润w積替代硅砂，成型70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 的立方體試件，測(cè)試其密度和抗壓強(qiáng)度。再采用0.5%～2.0%的竹筋纖維、稻草秸稈纖維、稻草葉纖維和聚丙烯纖維摻入基準(zhǔn)配合比中，進(jìn)一步討論4種纖維對(duì)錳渣加氣混凝土密度、強(qiáng)度和吸水量的影響規(guī)律。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 骨料種類對(duì)加氣混凝土性能的影響

2.1.1 錳渣加氣混凝土的干密度

粉煤灰、加氣混凝土細(xì)砂和?；⒅閷?duì)加氣混凝土干密度的影響如圖1所示。

圖1 骨料對(duì)錳渣加氣混凝土干密度的影響

由圖1 可見(jiàn)，隨著粉煤灰和玻化微珠的摻入，加氣混凝土的干密度不斷降低。當(dāng)摻量為50%時(shí)，加氣混凝土的干密度比對(duì)照組分別降低了18%和16%。隨加氣混凝土細(xì)砂摻量的增加，加氣混凝土的干密度呈先增加后降低的趨勢(shì)。加氣混凝土細(xì)砂摻量為20%時(shí)，加氣混凝土干密度比對(duì)照組降低了6%；摻量為50%時(shí)，加氣混凝土干密度比對(duì)照組增加了18%。對(duì)比3種骨料的試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，?；⒅閷?duì)加氣混凝土干密度的降低作用較大。

2.1.2 錳渣加氣混凝土的抗壓強(qiáng)度

粉煤灰、加氣混凝土細(xì)砂和?；⒅閷?duì)加氣混凝土抗壓強(qiáng)度的影響如圖2所示。

由圖2 可見(jiàn)，隨粉煤灰、加氣混凝土細(xì)砂和?；⒅閾搅康脑黾?，加氣混凝土的抗壓強(qiáng)度降低率不斷增加。骨料摻量從10%增加到50%時(shí)，粉煤灰加氣混凝土抗壓強(qiáng)度比對(duì)照組降低6.5%～52.3%；加氣混凝土細(xì)砂加氣混凝土抗壓強(qiáng)度比對(duì)照組降低15.7%～58.2%；?；⒅榧託饣炷量箟簭?qiáng)度比對(duì)照組降低20.9%～62.7%。3種骨料對(duì)加氣混凝土抗壓強(qiáng)度的影響順序?yàn)椋翰；⒅椋炯託饣炷良?xì)砂＞粉煤灰。當(dāng)骨料摻量為50%時(shí)，?；⒅榧託饣炷量箟簭?qiáng)度的降低率比加氣混凝土細(xì)砂加氣混凝土高7.7%，比粉煤灰加氣混凝土高19.9%。

圖2 骨料對(duì)錳渣加氣混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

綜合上述，粉煤灰和玻化微珠替代硅砂后雖能降低錳渣加氣混凝土的干密度，但也大幅度地降低了錳渣加氣混凝土的抗壓強(qiáng)度。加氣混凝土細(xì)砂錳渣加氣混凝土干密度的影響雖有不同，但大幅度地降低了錳渣加氣混凝土的抗壓強(qiáng)度。由于上述3種骨料對(duì)錳渣加氣混凝土的抗壓強(qiáng)度影響較大，因此不適合用作錳渣加氣混凝土的骨料使用。

2.2 纖維種類對(duì)錳渣加氣混凝土的影響

2.2.1 錳渣加氣混凝土的干密度

4種纖維對(duì)加氣混凝土干密度的影響如圖3所示。

圖3 纖維對(duì)錳渣加氣混凝土干密度的影響

由圖3 可見(jiàn)，摻入4種纖維均在一定程度上降低了錳渣加氣混凝土的干密度，摻量越大，干密度的降低也越大。纖維摻量從0.5%增大到2.0%時(shí)，稻草葉纖維錳渣加氣混凝土、稻草桿纖維錳渣加氣混凝土、竹筋纖維錳渣加氣混凝土、聚丙烯纖維錳渣加氣混凝土的干密度比對(duì)照組分別降低1.8%～7.8%、2.7%～12.0%、4.3%～14.0%、6.3%～16.0%。4種纖維對(duì)干密度的影響順序?yàn)椋壕郾├w維＞竹筋纖維＞稻草桿纖維＞稻草葉纖維，干密度降低率最大相差超過(guò)8.2 個(gè)百分點(diǎn)。因此，在選用纖維時(shí)，可采用稻草和竹子進(jìn)行加工，達(dá)到降低成本和利用農(nóng)作物秸稈的目的。

2.2.2 錳渣加氣混凝土的抗壓強(qiáng)度

4種纖維對(duì)加氣混凝土抗壓強(qiáng)度的影響如圖4所示。

圖4 纖維對(duì)錳渣加氣混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由圖4 可見(jiàn)，摻入4種纖維均在一定程度上提高了錳渣加氣混凝土的抗壓強(qiáng)度，摻量越大，其抗壓強(qiáng)度越高。這主要是纖維摻入后，提高了錳渣加氣混凝土內(nèi)壁的密實(shí)度和連接力，進(jìn)而將各細(xì)小的顆粒連接在一起，因此，其抗壓強(qiáng)度高于對(duì)照組。纖維摻量從0.5%增大到2.0%時(shí)，稻草葉纖維錳渣加氣混凝土、稻草桿纖維錳渣加氣混凝土、竹筋纖維錳渣加氣混凝土、聚丙烯纖維錳渣加氣混凝土的抗壓強(qiáng)度比對(duì)照組分別提高了9%～28%、11%～32%、12%～38%、18%～44%。4種纖維對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響順序?yàn)椋壕郾├w維＞竹筋纖維＞稻草桿纖維＞稻草葉纖維，抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率最大相差不超過(guò)16 個(gè)百分點(diǎn)。這主要4種纖維不同，單根受力不同，相對(duì)而言，稻草葉的抗拉能力最小，聚丙烯纖維的抗拉能力最大。因此，在選擇纖維時(shí)，若相對(duì)要求不高，可選擇稻草秸稈纖維，實(shí)現(xiàn)提高加氣混凝土的抗壓強(qiáng)度。

2.2.3 錳渣加氣混凝土的抗拉強(qiáng)度

4種纖維對(duì)加氣混凝土抗拉強(qiáng)度的影響如圖5所示。

圖5 纖維對(duì)錳渣加氣混凝土抗拉強(qiáng)度的影響

由圖5 可見(jiàn)，摻入4種纖維均在一定程度上提高了加氣混凝土的抗拉強(qiáng)度，且隨4種纖維摻量的增加，抗拉強(qiáng)度逐漸提高。纖維摻量從0.5%增大到2.0%時(shí)，稻草葉纖維錳渣加氣混凝土、稻草桿纖維錳渣加氣混凝土、竹筋纖維錳渣加氣混凝土、聚丙烯纖維錳渣加氣混凝土的抗拉強(qiáng)度比對(duì)照組分別增加了2%～23%、9%～28%、11%～34%、14%～38%。4種纖維對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響順序?yàn)椋壕郾├w維＞竹筋纖維＞稻草桿纖維＞稻草葉纖維。從4種纖維摻量對(duì)加氣混凝土干密度、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度的影響規(guī)律發(fā)現(xiàn)，隨著纖維摻量的增加，錳渣加氣混凝土抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度均呈提高的趨勢(shì)，但干密度呈降低的趨勢(shì)?？梢?jiàn)，纖維的摻入有利于改善錳渣加氣混凝土的性能。因此，在錳渣加氣混凝土中摻入農(nóng)作物秸稈，既能改善加氣混凝土的性能，也能解決農(nóng)作物的堆存和使用問(wèn)題。

2.2.4 錳渣加氣混凝土的吸水量

4種纖維對(duì)加氣混凝土吸水率的影響如圖6所示。

圖6 纖維對(duì)錳渣加氣混凝土吸水量的影響

由圖6 可見(jiàn)，摻入4種纖維均在一定程度上增加了加氣混凝土的吸水量，且隨4種纖維摻量的增加，其吸水量增加率逐漸增大，當(dāng)摻量達(dá)到2%時(shí)，吸水量增加率最大。纖維摻量從0.5%增大到2.0%時(shí)，稻草葉纖維錳渣加氣混凝土、稻草桿纖維錳渣加氣混凝土、竹筋纖維錳渣加氣混凝土、聚丙烯纖維錳渣加氣混凝土的吸水量分別比對(duì)照組增加了6.38%～12.31%、1.69%～6.12%、0.79%～3.96%、7.22%～13.30%。4種纖維對(duì)錳渣加氣混凝土吸水量的影響順序?yàn)椋壕郾├w維＞稻草葉纖維＞稻草桿纖維＞竹筋纖維。這主要是因?yàn)?種纖維對(duì)水的吸附能力不同，聚丙烯纖維本身雖不吸水，但是其長(zhǎng)細(xì)比較大，對(duì)水的傳導(dǎo)能力較強(qiáng)，導(dǎo)致其吸水量較大。通常植物的葉比桿吸水能力強(qiáng)，因此，稻草葉纖維錳渣加氣混凝土的吸水量高于稻草桿纖維加氣混凝土。

綜合上述，通過(guò)對(duì)4種纖維的研究發(fā)現(xiàn)，稻草葉纖維、稻草桿纖維、竹筋纖維能降低加氣混凝土的干密度，同時(shí)增強(qiáng)其抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。因此，采用生物秸稈纖維和錳渣制備錳渣加氣混凝土，既能大量使用錳渣，也能使用農(nóng)作物生物秸稈，從而降低加氣混凝土的成本。

3 結(jié)論

（1）粉煤灰、?；⒅楹图託饣炷良?xì)砂替代硅砂，雖然能夠降低錳渣加氣混凝土的干密度，但是卻大幅度降低了錳渣加氣混凝土的抗壓強(qiáng)度，因此不適合用作錳渣加氣混凝土骨料使用。

（2）稻草葉纖維、稻草桿纖維、竹筋纖維和聚丙烯纖維摻入錳渣加氣混凝土，纖維摻量從0.5%增大到2.0%時(shí)，其干密度降低了1.8%～16.0%，抗壓強(qiáng)度提高了9%～44%，抗拉強(qiáng)度提高了2%～38%，吸水量增加了0.79%～13.30%。由此可見(jiàn)，這4種纖維既能降低加氣混凝土的干密度，同時(shí)也能增強(qiáng)其抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，其影響作用大小排序?yàn)椋壕郾├w維＞竹筋纖維＞稻草桿纖維＞稻草葉纖維。4種纖維能增加錳渣加氣混凝土的吸水量，其影響作用大小排序?yàn)椋壕郾├w維＞稻草葉纖維＞稻草桿纖維＞竹筋纖維。

（3）采用生物秸稈纖維和錳渣制備加氣混凝土，既能大量使用錳渣，也能使用農(nóng)作物生物秸稈，同時(shí)達(dá)到降低加氣混凝土成本的目的。