電解錳渣及其固化體作路基填土工程特性研究

裴鑫雨，馮 曉

(重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400000)

我國電解錳渣(以下簡稱為錳渣)的總堆存量已超過5 000 萬t，且每年還以接近1 000 萬t的速度在增長[1-4]。為了消納錳渣的堆存，對其作為路基填土的可行性進行了研究。

羅樂[5]等人選用生石灰對錳渣進行無害化處理，可以完美地解決錳渣重金屬濃度浸出超標的問題。在此基礎(chǔ)上，研究錳渣固化前后生石灰對錳渣工程特性的影響關(guān)系。

通過室內(nèi)土工試驗對其進行工程特性研究，不但可以為實際工程提供理論指導，還可以豐富錳渣資源化利用的研究內(nèi)容，為電解錳行業(yè)的發(fā)展助力[6]。

1 試驗材料

研究所采用的錳渣來自貴州銅仁某錳渣庫。由于降雨原因，獲取的錳渣呈黑色糊狀且含水率較大，對其進行取樣、烘干、磨粉處理后，通過X射線熒光光譜儀(XRF)測定其主要組成成分，結(jié)果見表1。

表1 錳渣主要組成成分 %

由此可以看出，錳渣的主要化學成分為SiO2、SiO3、Al2O3、CaO、Fe2O3、MnO和MgO，其SiO2和SiO3含量最高，占了總成分的60.92%，這與大多硅酸鹽的化學成分類似。

對該批錳渣樣品進行SEM掃描電鏡分析，錳渣微觀圖像見圖1。

圖1 錳渣微觀圖像

從圖1中可以看出在2 μm標尺長度下，錳渣呈塊狀和條狀，根據(jù)現(xiàn)有文獻研究和XRF的分析結(jié)果，可以判斷這些條狀和塊狀物可能為半水石膏，而較小的呈片狀和球狀的顆?？赡転镾iO2晶體。從SEM微觀圖中還可以看出錳渣的顆粒之間存在較大的空隙，沒有呈現(xiàn)出明顯的膠結(jié)現(xiàn)象，這也是錳渣作為路基填土材料需要優(yōu)先進行固化的另一個重要原因，希望通過固化的手段增強其緊密性和膠結(jié)性。

2 生石灰固化錳渣研究

生石灰對錳渣的無害化的原理主要有2點：①水硬膠凝作用；②生石灰呈堿性。生石灰遇水后會發(fā)生膠凝作用，可以對錳渣中的重金屬包裹固化；生石灰呈堿性，遇水則會形成堿化環(huán)境并生成OH-，該離子會與可溶性Mn2+發(fā)生反應并生成穩(wěn)定的Mn(OH)2并沉淀，Mn(OH)2可以與O2繼續(xù)發(fā)生氧化反應，生產(chǎn)不溶于水的可沉淀物MnOOH 和 MnO2，最終完成Mn2+的固化。

結(jié)合現(xiàn)有研究[6-8]，采用10%摻量的生石灰對錳渣進行無害化處理。對錳渣固化體進行浸出毒性分析，發(fā)現(xiàn)Mn的浸出濃度僅為0.54 mg/L，其他重金屬浸出均未被檢出，低于儀器的檢測下限。根據(jù)《污水綜合排放標準》(GB 8978—1996)中對重金屬浸出濃度的要求，Mn的浸出濃度上限為2 mg/L，因此10%生石灰對錳渣的無害化處理是符合國家標準要求的?；诖耍夜袒i渣作路基填料的安全性得到了初步的保障。

3 工程特性研究

錳渣的工程特性在某些方面與天然砂土相似，但又不完全相同。閆國孟等[9]對錳渣的理化特性和煅燒特性進行了研究；秦茂釗[10]則對錳渣的渣庫附近的巖土進行了勘查與分析；ZHAO等[11]發(fā)現(xiàn)錳渣中具有大量的SO3，這使錳渣又與鹽漬土具有類似的特性。試驗對錳渣固化前后的工程特性進行研究，分析其顆粒粒徑、含水率、液塑限、CBR值和回彈模量等，以此評判錳渣固化前后作為路基填料的可行性和優(yōu)良性。

3.1 顆粒粒徑

采用馬爾文激光粒度分析儀對錳渣進行顆粒粒徑分析，根據(jù)儀器分析結(jié)果，錳渣粒徑組成成分見表2。

表2 錳渣粒徑組成成分

按照土工試驗中，將粒徑范圍為0.02～2 mm的劃分為砂粒，0.002～0.02 mm的劃分為粉粒，低于0.002 mm的則劃分為黏粒。由表2的結(jié)果可知，錳渣主要由0.002～0.02 mm的粉粒組成，占總含量的61.44%，其次是砂粒，黏粒最少，僅為5.77%。單從顆粒粒徑的角度來看，錳渣與砂質(zhì)粉土較為類似，其顆粒均細小且均勻，黏粒含量較少導致其大粒徑的顆粒間沒有黏粒填充而使顆粒之間存在間隙。

3.2 擊實試驗

利用擊實試驗確定錳渣作路基填土的壓實特性，對錳渣原樣和固化體進行不同含水率的擊實試驗，以此確定最佳干密度和最佳含水率，結(jié)果見圖2～3。

圖2 錳渣原樣

圖3 錳渣固化體

由試驗的結(jié)果可知，錳渣原樣的最佳含水率為20.3%，所對應的最佳干密度為1.703 g/cm3，錳渣固化體的最佳含水率為21.8%，對應的最佳干密度為1.613 g/cm3。生石灰的摻入可以使錳渣的最佳干密度升高并降低其最佳干密度，由此可得出生石灰可以改善錳渣的擊實特性。

3.3 界限含水率試驗

界限含水率是劃分土類的重要依據(jù)，通常通過聯(lián)合測定法來進行界限含水率試驗，以此可以得出錳渣固化前后的液塑限。

根據(jù)試驗結(jié)果，錳渣未固化前液塑限分別為45.3%和28.2%，根據(jù)公式計算可得塑性指標Ip=17.1，錳渣屬于低液限黏土；固化后的錳渣固化體的液塑限分別為40.5%和53.6%，Ip=13.1。根據(jù)界限含水率的兩組對比試驗可知，生石灰的加入可以使天然錳渣的塑性降低，減弱其親水性，改善其工程特性。這主要是由于生石灰遇水生成Ca(OH)2，與錳渣中的金屬離子發(fā)生交換反應，錳渣之間的顆粒膠結(jié)凝聚，最終改善了錳渣的液塑限。

3.4 CBR試驗

CBR試驗可以評價錳渣作為路基填料的承載性能。根據(jù)CBR試驗結(jié)果，通過分析和公式計算可得出錳渣固化前后的CBR值，結(jié)果見表3。

表3 CBR試驗結(jié)果

根據(jù)表3中匯總的結(jié)果，錳渣未處理前CBR值較小，無法滿足《公路路基設計規(guī)范》(JTG D30—2015)的設計要求，無法單獨作為填土材料，摻入生石灰固化后，錳渣固化體可以滿足作為路基下路床和路堤的填土材料的設計要求。

3.5 回彈模量試驗

回彈模量是指荷載應力與回彈變形的比值，其數(shù)值越大表明抗荷載能力越強。采用杠桿壓力儀測定錳渣固化體的回彈模量，其計算公式為：

(1)

式(1)中E為回彈模量，kPa；p為單位壓力，kPa；D為直徑，cm；l為回彈變形，cm；μ為泊松比，取0.35。

設置75～900 kPa等8個加荷等級，得出各個加荷等級與回彈變形的關(guān)系，結(jié)果見圖4。

圖4 荷載壓力與變形關(guān)系

根據(jù)圖4中數(shù)據(jù)結(jié)合式(1)計算可得錳渣固化體的回彈模量最小為147 MPa，最大為189 MPa，表明錳渣固化后是一種性能良好的填筑材料，可以較好地承受荷載并控制變形。

3 結(jié) 論

1)摻量為10%的生石灰可以對錳渣進行有效固化，重金屬浸出結(jié)果符合國家的排放標準。

2)錳渣未經(jīng)處理前難以滿足路基填土的性能要求，因此未固化狀態(tài)下無法作為路基填土材料直接進行填筑。

3)錳渣經(jīng)過生石灰固化后，其固化體的性能良好，最佳含水率升高，最大干密度降低，CBR值基本滿足設計要求，回彈模量明顯高于設計標準。因此，可以判斷錳渣固化體是一種強度高、回彈小、性能良好的填筑材料。

4)試驗僅對生石灰固化及其固化體進行研究，此外可以選用其他固化劑研究其固化效果和固化體的工程特性，對比試驗結(jié)果，以尋找更好的固化材料和工程特性更好的錳渣固化體。