酸浸锰渣基双免砖的制备及抗压强度的影响因素研究

孙保玉，邱树恒，曾思成，葛特，邓丽娟，钱国权

（广西大学材料科学与工程学院，广西 南宁 530004）

酸浸锰渣基双免砖的制备及抗压强度的影响因素研究

孙保玉，邱树恒，曾思成，葛特，邓丽娟，钱国权

（广西大学材料科学与工程学院，广西 南宁 530004）

以酸浸锰渣、粉煤灰、水泥等作为原料，采用压制成型的方法制备酸浸锰渣基双免砖。研究了水固比、成型压力、酸浸锰渣掺量、粉煤灰取代水泥量、养护方式等因素对制品抗压强度的影响规律。结果表明：在本实验条件下，合适的水固比为0.15、成型压力为20 MPa；以抗压强度为考量指标，最佳配比为酸浸锰渣59.5%、水泥35.7%、粉煤灰4.8%，制品28 d抗压强度可达43.4 MPa。

酸浸锰渣；粉煤灰；压制成型；抗压强度；双免砖

0 前言

锰矿是国家重要战略资源，随着经济发展的需要，我国在生产及利用锰领域已位居世界第一[1]。我国锰资源储量充足，主要分布在南方地区，锰产业的迅猛发展，也导致了相关环境保护问题的出现。据相关企业统计和报道，生产1 t电解金属锰排放的废渣约8～9 t，生产1 t电解二氧化锰排放的废渣约5～6 t，生产1 t硫酸锰排放的锰矿酸浸废渣约4 t。我国如今各种锰废渣累积量高达60亿t。对于锰渣的处理，我国的锰企业一般都采用筑坝堆存的方式，这样的处理方法不仅土地占用量大，而且容易改变土壤性质，污染地表水和地下水。

对于锰渣的利用，兰家泉和王槐安[2]将经过特殊处理的锰渣制成富硒全价肥，并进行了小规模的生产试验。关振英[3]在锰渣作水泥缓凝剂方面作了相关研究：在安定性、凝结时间都符合国家标准的前提下，最佳掺量为1.7%左右。郭盼盼等[4]通过压制成型的方法制备锰渣砖，得出石灰石掺量10%、粉煤灰掺量20%、水泥掺量10%时锰渣砖的抗压强度较高。

本文从水固比、成型压力、酸浸锰渣掺量、粉煤灰取代水泥量、养护方式等因素着手，系统研究了酸浸锰渣基双免（免烧免蒸）砖的制备工艺和抗压强度的影响规律。

1 实验

1.1 原材料

酸浸锰渣：生产硫酸锰时产生的工业废渣，呈棕色和黑色，广西远辰锰业有限公司。由于酸浸锰渣长期堆放含有一定水分，呈10～20 cm尺寸不等的块状，含水率约29.7%。其主要化学成分见表1。

表1 锰渣的主要化学成分%

粉煤灰：广西来宾发电厂经细磨后的Ⅲ级灰，主要化学成分见表2。

表2 粉煤灰的主要化学成分%

水泥：P·O42.5水泥，扶绥海螺水泥有限责任公司生产。

1.2 试样制备

将酸浸锰渣、粉煤灰、水泥按设计的比例进行称量混料，根据水固比计算用水量，逐渐加水拌合成湿料，将湿料一次性转移到模具（Φ5 cm的圆柱型模具）中，逐渐加压至一定压力并保持3～5 min脱模，最后将制品按不同养护方式分别养护至7、14和28 d后利用微机控制电子万能试验机WDS-20KN测试试样的抗压强度。

2 结果与分析

2.1 水固比对双免砖成型效果的影响

成型压力为20 MPa时，不同水固比对双免砖成型效果的影响如表3所示。

表3 不同水固比下双免砖的成型效果

从表3可以看出，当掺40%水泥时，水固比为0.05或0.10条件下，双免砖的粘结性较差，易出现开裂的现象，造成制品的不完整性；水固比为0.20或0.25时，成型效果较好，但会出现渗水的现象。单独使用纯酸浸锰渣时，水固比为0.05条件下，制品的粘结性较差，会出现开裂的现象，致使制品的不完整；水固比为0.15、0.20或0.25时，成型效果较好，但同时会出现渗水的现象。故水固比太低会导致物料的粘结性变差，易造成开裂，不能成型完整的制品；太高会出现渗水现象，造成制品的抗压强度降低。综合考虑，本实验合适的水固比为0.15。

2.2 成型压力对双免砖7 d抗压强度的影响

水固比为0.15时，成型压力对双免砖7 d抗压强度的影响如表4所示。

表4 成型压力对双免砖7 d抗压强度的影响

从表4可以看出，在成型压力10～25 MPa范围内，双免砖的7 d抗压强度随成型压力的增大整体呈现不断升高的趋势。成型压力的增大，使得粉料颗粒间的结合更加紧密，同时降低了孔隙率，使强度得到不断提升。从表4还可以看出，掺40%水泥的双免砖强度提升幅度比纯酸浸锰渣的要大，这主要是由于水泥的加入，使得酸浸锰渣颗粒被水泥浆料包覆和相互联接，水泥的水化产物共生成一个整体，提升了制品的强度。成型压力太高，会增加脱模的难度，本实验合适的成型压力为20 MPa。

2.3 酸浸锰渣掺量对双免砖抗压强度的影响

在水固比为0.15、成型压力为20 MPa条件下，酸浸锰渣掺量对双免砖抗压强度的影响见图1。

图1 酸浸锰渣掺量对双免砖抗压强度的影响

从图1可以看出，当酸浸锰渣掺量在50%～100%时，不同龄期的抗压强度均随着酸浸锰渣掺量的增加而下降。酸浸锰渣掺量的增加意味着水泥组分相对的减少，单位酸浸锰渣颗粒外包覆的水泥组分量降低，水泥水化量的降低，致使颗粒间的结合量减少，表现为抗压强度的下降。另外当酸浸锰渣掺量≥90%时，不同龄期下的强度基本一致，即龄期的长短对强度的发挥影响甚小。酸浸锰渣掺量太低会增大水泥的用量，酸浸锰渣掺量太高会降低制品的强度。为了较大程度利用废渣酸浸锰渣掺量以50%～70%为宜。

2.4 粉煤灰掺量对抗压强度的影响

在m（酸浸锰渣）∶m（水泥）=6∶4，水固比0.15，成型压力20 MPa的条件下，研究粉煤灰取代水泥量对双免砖抗压强度的影响，取代方式分为等量取代和超量取代（取代系数为1.2）。

2.4.1粉煤灰等量取代水泥

粉煤灰等量取代水泥量对双免砖抗压强度的影响见图2。

图2 粉煤灰等量取代水泥量对双免砖抗压强度的影响

从图2可以看出，粉煤灰取代水泥量在0～40%的范围内，抗压强度随取代量的增加呈现出先降低后上升再降低的趋势。水泥在水化过程中产生Ca（OH）2，能够激发粉煤灰中的活性SiO2、Al2O3等成分并发生反应，生成的C-S-H凝胶、Aft将对抗压强度有正贡献。当取代量在0～10%时，粉煤灰反应产物的对强度的贡献值小于等量水泥水化产物对强度的贡献，表现为抗压强度的降低。当取代量为10%～20%时，粉煤灰活性产物的激发得到加强，火山灰反应程度增加，抗压强度得到回升。当取代量为20%～40%时，等量取代的水泥水化产物对强度的贡献大于粉煤灰发生火山灰反应的贡献，抗压强度又出现了下降趋势。

2.4.2 粉煤灰超量取代水泥

粉煤灰超量取代水泥量对双免砖抗压强度的影响见图3。

图3 粉煤灰超量取代水泥量对双免砖抗压强度的影响

从图3可以看出，粉煤灰取代水泥量在0～40%内，抗压强度随取代量的增加呈现出先上升后降低的趋势。制品抗压强度的发挥有2个重要的方面：水泥参与水化反应形成水化产物、粉煤灰的活性组分在碱性物质的激发下发生火山灰反应生成C-S-H凝胶[5]、Aft。当取代量为0～10%时，前者（水泥水化产物）的对强度贡献值小于后者（发生火山灰反应生成的C-S-H凝胶、Aft），抗压强度升高；当取代量为10%～40%时，前者的贡献大于后者，抗压强度表现为逐渐下降。本实验条件下最佳的取代量为10%。

2.5 养护方式对双免砖28 d抗压强度的影响（见图4）

图4 养护方式对双免砖抗压强度的影响

从图4可以看出，强度差（标准养护下强度-自然养护下强度）曲线随酸浸锰渣掺量的增加逐渐降低，且由正值变负值。当酸浸锰渣掺量为50%～80%时，标准养护的效果优于自然养护，且酸浸锰渣掺量越低效果越明显。当酸浸锰渣掺量为90%～100%时，自然养护的效果优于标准养护，酸浸锰渣掺量越高效果越明显。掺量为50%～80%时，水泥发生水化和火山灰反应所需的水量较大，而标准养护较自然养护有更高的湿度满足了需水量高这一要求，此掺量范围内标准养护更利于强度的发挥。随着酸浸锰渣掺量的增加，需水量降低，强度差逐渐减少。当掺量为90%～100%时，自然养护下稍高的温度有利于反应进行、强度发挥，故二者差值由正转负且二者差值变得更小。

2.6 浸水实验

图5为浸水实验对双免砖抗压强度的影响，其中浸水时间为24 h。

图5 浸水实验对双免砖抗压强度的影响

从图5可以看出，浸水后制品强度都有不同程度的降低，且浸水前后的强度下降率随酸浸锰渣掺量的增加不断增大。制品通过外在压力的挤压使颗粒流动、空隙率降低、致密度增加，水泥、酸浸锰渣、粉煤灰和水之间复杂的化学反应使得制品成为统一的硬化体，产生一定的机械强度。水泥本身是水硬性胶凝材料，有较好的抗水能力，浸水的过程中，水能轻易进入硬化体内部，对为未反应的酸浸锰渣、粉煤灰及水化产物进行浸润、溶解、溶蚀，使得内部出现空洞，降低了制品的强度。酸浸锰渣的掺量越高，其内部越容易遭到破坏，当酸浸锰渣掺量为50%～90%时，强度下降率不断增大。

3 结论

（1）水固比不但影响制品成型外观、成型效果，而且是制品强度的重要影响因素，对于本文试验条件下最佳的水固比为0.15。

（2）成型压力是影响成型效果和强度的重要因素，本文条件下合适的成型压力为20 MPa。

（3）养护方式是影响强度的因素之一，当酸浸锰渣掺量为50%～80%时，标准养护有利于强度的发挥；当酸浸锰渣掺量为80%～100%时，自然养护更有利于强度发挥。

（4）以抗压强度为考量指标，最佳的原料配比为酸浸锰渣59.5%、水泥35.7%、粉煤灰4.8%，按此配比制备的双免砖28 d强度可达43.4 MPa。

[1]熊素玉，张在峰.我国酸浸金属锰工业存在的问题与对策[J].中国锰业，2005（1）：14-16，26.

[2]兰家泉，王槐安.酸浸金属锰生产废渣为农作物利用的可行性[J].中国锰业，2006（4）：23-25.

[3]关振英.酸浸锰生产废渣用作水泥生产缓凝剂的研究[J].中国锰业，2000（2）：40-41.

[4]郭盼盼，张云升，范建平，等.免烧锰渣砖的配合比设计、制备与性能研究[J].硅酸盐通报，2013（5）：786-793.

[5]余举学.电解锰渣制备新型墙体材料的研究[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

广西科学研究与技术开发计划项目（桂科重1355002-4）

2016-01-18

孙保玉，男，1990年生，山东曹县人，硕士研究生，研究方向：无机非金属材料。