骨料和纤维种类对锰渣加气混凝土性能的影响

董双快，卞慧昕，吴福飞，陈亮亮

（1.贵州师范大学 教务处，贵州 贵阳 550025；2.贵州师范大学 材料与建筑工程学院，贵州 贵阳 550025；3.重庆水利电力职业技术学院，重庆 402160）

0 前 言

目前，主要通过电解硫酸锰溶液的方法提取金属锰，该方法产渣量大，且随着碳酸锰矿石品位的降低而增大。研究数据表明[1-2]：我国碳酸锰矿石品位普遍较低（10%～16%），平均每生产1 t 电解金属锰产渣量高达9～11 t，每年新增电解锰渣约2000 万t，历年累积已超过5000 万t，堆存量巨大，不仅占用大量土地，而且对地下水及土壤带来严重的污染[3]。目前，贵州地矿局发现的锰矿床达6 亿多t，占全国60%以上[4]，如此多的锰矿一旦开发，将产生近66 亿t 废渣，对环境危害极大。我国是全球最大的电解锰生产国和消费国[5]，生产总能力占世界98%。许多学者和研究人员对电解锰渣资源化利用做了大量的研究，主要集中体现在以下4 个方面[6-13]：（1）采用水洗分离法及微生物浸出法对有价金属锰再回收；（2）利用锰渣中含有的硒、氨、氮、钾、钠、铁、硼等元素和有机质制作化肥；（3）制备陶瓷材料及墙体材料；（4）研制复合胶凝材料及水泥添加剂。就目前取得的研究成果来看，锰渣的应用并没有得到有效的推广，利用量小，且多数停留在试验阶段，锰渣堆存或填埋依然是其主要处理方式。

为了缓解这一问题，本研究首先通过试验确定大掺量锰渣加气混凝土的配合比，在此基础上，讨论粉煤灰、加气混凝土细砂等质量和玻化微珠等体积代替硅砂，分析其对加气混凝土干密度和抗压强度的影响。另外，进一步讨论外掺稻草叶纤维、稻草杆纤维、竹筋纤维和聚丙烯纤维对加气混凝土干密度、抗压强度、抗折强度和吸水量的影响，为废渣和农作物秸秆制备加气混凝土提供参考。

1 试验

1.1 主要原材料

锰渣：黑色，颗粒细小（＜80 μm），泥糊状的粉体物质，pH值为5.90，呈弱酸性，含水率约19.8%，在露天堆放过程中受雨水影响含水率更高，甚至成浆体状，化学成分见表1。

水泥：P·O42.5，尧柏水泥，比表面积375 m2/kg、标准稠度27.1%、密度3.02 g/cm3，采用试饼法测试安定性为合格，化学成分见表1。

表1 锰渣、水泥和粉煤灰的化学成分 %

硅砂：中砂，磨细至比表面积为420～425 m2/kg。

纤维材料：竹筋纤维用整棵竹子破开然后捣碎，制成0.3～0.5 mm 细丝。稻草秸秆纤维采用收割完稻子后的秸秆，经过人工捣碎成1～3 mm。稻草叶纤维采用收割完稻子后的叶，其宽度为3～5mm。聚丙烯纤维的密度为0.91 g/cm3，当量直径为34 μm，断裂强度590 MPa。

脱硫石膏：通过200 ℃的烘箱中烘干6 h，经“碾槽”或“研钵”进行粉磨，过0.075 mm 筛。

石灰：无定形白色粉末固体，比表面积为380～385 m2/kg，有效CaO 含量为95.3%，消解时间为13 min，消解温度为88℃，MgO 含量为3.6%。

铝粉膏：市售，活性铝含量为96%，0.4 mm 方孔筛筛余为2.4%，5、10、25 min 的发气率分别为54.3%、86.1%、99%。

玻化微珠：轻质骨料，具有绝热、防火、吸声等特征，堆积密度为90 kg/m3，体积吸水率为40%，体积漂浮率为90%。

加气混凝土细砂：利用加气混凝土边角料经过研磨制成，直径小于1 mm。

电力系统的整体运行和规划正受到各种科学技术发展的冲击，面临着各种各样的问题。而这不正是工程师们大展拳脚的好机会么？

1.2 试验方案与试验方法

经过多次试拌，确定加气混凝土配合比为m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（锰渣）∶m（石灰）∶m（铝粉膏）∶m（硅砂）=12∶40∶12∶2∶0.12∶34。在此基础上，采用粉煤灰、加气混凝土细砂等质量替代硅砂、玻化微珠等体积替代硅砂，成型70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 的立方体试件，测试其密度和抗压强度。再采用0.5%～2.0%的竹筋纤维、稻草秸秆纤维、稻草叶纤维和聚丙烯纤维掺入基准配合比中，进一步讨论4种纤维对锰渣加气混凝土密度、强度和吸水量的影响规律。

2 试验结果与分析

2.1 骨料种类对加气混凝土性能的影响

2.1.1 锰渣加气混凝土的干密度

粉煤灰、加气混凝土细砂和玻化微珠对加气混凝土干密度的影响如图1所示。

图1 骨料对锰渣加气混凝土干密度的影响

由图1 可见，随着粉煤灰和玻化微珠的掺入，加气混凝土的干密度不断降低。当掺量为50%时，加气混凝土的干密度比对照组分别降低了18%和16%。随加气混凝土细砂掺量的增加，加气混凝土的干密度呈先增加后降低的趋势。加气混凝土细砂掺量为20%时，加气混凝土干密度比对照组降低了6%；掺量为50%时，加气混凝土干密度比对照组增加了18%。对比3种骨料的试验结果发现，玻化微珠对加气混凝土干密度的降低作用较大。

2.1.2 锰渣加气混凝土的抗压强度

粉煤灰、加气混凝土细砂和玻化微珠对加气混凝土抗压强度的影响如图2所示。

由图2 可见，随粉煤灰、加气混凝土细砂和玻化微珠掺量的增加，加气混凝土的抗压强度降低率不断增加。骨料掺量从10%增加到50%时，粉煤灰加气混凝土抗压强度比对照组降低6.5%～52.3%；加气混凝土细砂加气混凝土抗压强度比对照组降低15.7%～58.2%；玻化微珠加气混凝土抗压强度比对照组降低20.9%～62.7%。3种骨料对加气混凝土抗压强度的影响顺序为：玻化微珠＞加气混凝土细砂＞粉煤灰。当骨料掺量为50%时，玻化微珠加气混凝土抗压强度的降低率比加气混凝土细砂加气混凝土高7.7%，比粉煤灰加气混凝土高19.9%。

图2 骨料对锰渣加气混凝土抗压强度的影响

综合上述，粉煤灰和玻化微珠替代硅砂后虽能降低锰渣加气混凝土的干密度，但也大幅度地降低了锰渣加气混凝土的抗压强度。加气混凝土细砂锰渣加气混凝土干密度的影响虽有不同，但大幅度地降低了锰渣加气混凝土的抗压强度。由于上述3种骨料对锰渣加气混凝土的抗压强度影响较大，因此不适合用作锰渣加气混凝土的骨料使用。

2.2 纤维种类对锰渣加气混凝土的影响

2.2.1 锰渣加气混凝土的干密度

4种纤维对加气混凝土干密度的影响如图3所示。

图3 纤维对锰渣加气混凝土干密度的影响

由图3 可见，掺入4种纤维均在一定程度上降低了锰渣加气混凝土的干密度，掺量越大，干密度的降低也越大。纤维掺量从0.5%增大到2.0%时，稻草叶纤维锰渣加气混凝土、稻草杆纤维锰渣加气混凝土、竹筋纤维锰渣加气混凝土、聚丙烯纤维锰渣加气混凝土的干密度比对照组分别降低1.8%～7.8%、2.7%～12.0%、4.3%～14.0%、6.3%～16.0%。4种纤维对干密度的影响顺序为：聚丙烯纤维＞竹筋纤维＞稻草杆纤维＞稻草叶纤维，干密度降低率最大相差超过8.2 个百分点。因此，在选用纤维时，可采用稻草和竹子进行加工，达到降低成本和利用农作物秸秆的目的。

2.2.2 锰渣加气混凝土的抗压强度

4种纤维对加气混凝土抗压强度的影响如图4所示。

图4 纤维对锰渣加气混凝土抗压强度的影响

由图4 可见，掺入4种纤维均在一定程度上提高了锰渣加气混凝土的抗压强度，掺量越大，其抗压强度越高。这主要是纤维掺入后，提高了锰渣加气混凝土内壁的密实度和连接力，进而将各细小的颗粒连接在一起，因此，其抗压强度高于对照组。纤维掺量从0.5%增大到2.0%时，稻草叶纤维锰渣加气混凝土、稻草杆纤维锰渣加气混凝土、竹筋纤维锰渣加气混凝土、聚丙烯纤维锰渣加气混凝土的抗压强度比对照组分别提高了9%～28%、11%～32%、12%～38%、18%～44%。4种纤维对抗压强度的影响顺序为：聚丙烯纤维＞竹筋纤维＞稻草杆纤维＞稻草叶纤维，抗压强度增长率最大相差不超过16 个百分点。这主要4种纤维不同，单根受力不同，相对而言，稻草叶的抗拉能力最小，聚丙烯纤维的抗拉能力最大。因此，在选择纤维时，若相对要求不高，可选择稻草秸秆纤维，实现提高加气混凝土的抗压强度。

2.2.3 锰渣加气混凝土的抗拉强度

4种纤维对加气混凝土抗拉强度的影响如图5所示。

图5 纤维对锰渣加气混凝土抗拉强度的影响

由图5 可见，掺入4种纤维均在一定程度上提高了加气混凝土的抗拉强度，且随4种纤维掺量的增加，抗拉强度逐渐提高。纤维掺量从0.5%增大到2.0%时，稻草叶纤维锰渣加气混凝土、稻草杆纤维锰渣加气混凝土、竹筋纤维锰渣加气混凝土、聚丙烯纤维锰渣加气混凝土的抗拉强度比对照组分别增加了2%～23%、9%～28%、11%～34%、14%～38%。4种纤维对抗拉强度的影响顺序为：聚丙烯纤维＞竹筋纤维＞稻草杆纤维＞稻草叶纤维。从4种纤维掺量对加气混凝土干密度、抗压强度、抗拉强度的影响规律发现，随着纤维掺量的增加，锰渣加气混凝土抗压强度与抗拉强度均呈提高的趋势，但干密度呈降低的趋势。可见，纤维的掺入有利于改善锰渣加气混凝土的性能。因此，在锰渣加气混凝土中掺入农作物秸秆，既能改善加气混凝土的性能，也能解决农作物的堆存和使用问题。

2.2.4 锰渣加气混凝土的吸水量

4种纤维对加气混凝土吸水率的影响如图6所示。

图6 纤维对锰渣加气混凝土吸水量的影响

由图6 可见，掺入4种纤维均在一定程度上增加了加气混凝土的吸水量，且随4种纤维掺量的增加，其吸水量增加率逐渐增大，当掺量达到2%时，吸水量增加率最大。纤维掺量从0.5%增大到2.0%时，稻草叶纤维锰渣加气混凝土、稻草杆纤维锰渣加气混凝土、竹筋纤维锰渣加气混凝土、聚丙烯纤维锰渣加气混凝土的吸水量分别比对照组增加了6.38%～12.31%、1.69%～6.12%、0.79%～3.96%、7.22%～13.30%。4种纤维对锰渣加气混凝土吸水量的影响顺序为：聚丙烯纤维＞稻草叶纤维＞稻草杆纤维＞竹筋纤维。这主要是因为4种纤维对水的吸附能力不同，聚丙烯纤维本身虽不吸水，但是其长细比较大，对水的传导能力较强，导致其吸水量较大。通常植物的叶比杆吸水能力强，因此，稻草叶纤维锰渣加气混凝土的吸水量高于稻草杆纤维加气混凝土。

综合上述，通过对4种纤维的研究发现，稻草叶纤维、稻草杆纤维、竹筋纤维能降低加气混凝土的干密度，同时增强其抗压强度和抗拉强度。因此，采用生物秸秆纤维和锰渣制备锰渣加气混凝土，既能大量使用锰渣，也能使用农作物生物秸秆，从而降低加气混凝土的成本。

3 结论

（1）粉煤灰、玻化微珠和加气混凝土细砂替代硅砂，虽然能够降低锰渣加气混凝土的干密度，但是却大幅度降低了锰渣加气混凝土的抗压强度，因此不适合用作锰渣加气混凝土骨料使用。

（2）稻草叶纤维、稻草杆纤维、竹筋纤维和聚丙烯纤维掺入锰渣加气混凝土，纤维掺量从0.5%增大到2.0%时，其干密度降低了1.8%～16.0%，抗压强度提高了9%～44%，抗拉强度提高了2%～38%，吸水量增加了0.79%～13.30%。由此可见，这4种纤维既能降低加气混凝土的干密度，同时也能增强其抗压强度和抗拉强度，其影响作用大小排序为：聚丙烯纤维＞竹筋纤维＞稻草杆纤维＞稻草叶纤维。4种纤维能增加锰渣加气混凝土的吸水量，其影响作用大小排序为：聚丙烯纤维＞稻草叶纤维＞稻草杆纤维＞竹筋纤维。

（3）采用生物秸秆纤维和锰渣制备加气混凝土，既能大量使用锰渣，也能使用农作物生物秸秆，同时达到降低加气混凝土成本的目的。