某电解锰渣烧结砖吸水率和饱和系数研究

尤晓宇，王家伟，王海峰，赵平源

（1.贵州大学材料与冶金学院，贵州省冶金工程与过程节能重点实验室，贵州 贵阳 550025；2.电池用锰材料工程技术研究中心，贵州 铜仁 554300）

目前，我国电解金属锰产量居世界前列[1]。受生产工艺及锰矿品位的限制，生产1 t金属锰产生10～15 t的电解锰渣[2]。电解锰渣资源化利用率较低，占用了大量土地，地表渣场堆存仍是电解锰渣处理的主要方式[3]。电解锰渣中含有汞、铬、硒等有害元素，对水质和土壤安全造成隐患，带来严重的环境污染问题[4]。针对电解锰渣的资源化综合利用问题，相关学者进行了较多研究，主要集中在回收锰渣中的有价金属[5]，制造建材[6]、肥料[7]、水泥缓凝剂[8]等方面。但由于电解锰渣年产量较高，前期锰渣堆积总量较大，实现电解锰渣的大宗消纳仍存在诸多问题。

在砖体材料中，吸水率和饱和系数是衡量材料性能的两个重要指标。有相关学者证实[9-10]，利用电解锰渣制备烧结砖的方案是可行的，但普遍都是针对电解锰渣烧结砖强度方面的研究，对其吸水率和饱和系数的研究较少。本实验重点研究某电解锰渣烧结砖的吸水率和饱和系数，为后续提高电解锰渣烧结砖的综合性能提供参考。

1 实验

1.1 实验原料

电解锰渣取自遵义天磁锰业集团有限公司，研磨至粒径在-95µm；添加剂Ca为氧化钙粉末；添加剂Si为二氧化硅粉末。

未经处理的电解锰渣含较多杂质离子，直接用于制砖极易引发环境和安全问题，制砖前需对电解锰渣原料进行预处理。室温下，取电解锰渣辅用水进行多次洗渣操作，使渣中铵、硫和锰等杂质洗出，并添加石灰等进行湿法无害化处理。对预处理后的电解锰渣主要化学成分、物相组成进行分析，结果见表1和图1。由表1和图1可知，电解锰渣原料经湿法无害化处理后的主要成分为CaSO4·0.67H2O，硅石(SiO2)、黄铁矿(FeS2)等物质。

图1 预处理后电解锰渣的XRDFig.1 XRD pattern of electrolytic manganese slag after pretreatment

表1 预处理后电解锰渣主要化学成分/%Table 1 Main chemical composition of electrolytic manganeseslag after pretreatment

1.2 实验设备

ML-800 mm型粉碎机；DHG-9050A型恒温鼓风干燥箱；HH-4型数显恒温水浴锅；PL2002型电子天平；YES-2000型数显式压力试验机；SPJX-4-13型箱式电阻炉；KSGD-4-12型温度控制器。

1.3 实验方法

在一定温度下，将预处理后的电解锰渣、添加剂Ca、添加剂Si按一定比例均匀混合，加水陈化1～2 d。将混料装入尺寸为79.0×39.0×40.0 mm的模具内，在YES-2000型数显式压力机下压制成型。将成型砖样自然晒干后在箱式电阻炉内焙烧，取出烧结砖样自然养护。分别探究烧结温度、烧结时间、Ca添加量、Si添加量对砖样吸水率和饱和系数的影响。

2 结果与讨论

2.1 烧结温度对烧结砖吸水率和饱和系数的影响

控制砖样烧结时间为2.5 h，Ca添加量为7.5%，Si添加量为30%不变，研究烧结温度对砖样吸水率和饱和系数的影响，见图2、3。

由图2、3可知，随着烧结温度的增加，砖样吸水率和饱和系数均呈下降的趋势。在烧结温度达到950℃时，砖样吸水率和饱和系数都位于低点，吸水率最小为24.37%，饱和系数最小为1.06。

图2 烧结温度对砖样吸水率的影响Fig.2 Effect of sintering temperature on water absorption of brick sample

当烧结温度为550℃，砖样由于吸水过多出现了坍塌现象，无法测定吸水率及饱和系数的具体数值。在烧结温度为950℃时，吸水率和饱和系数较小。但此时，高温使砖样内部液相增多，致密性提高，砖样的线收缩率变大，在温度等环境因素发生变化时，砖样尺寸形变较大，导致建筑物不稳定性增加，结构安全受到影响。当烧结温度从850℃增加至950℃时，砖样吸水率减少了0.94%，饱和系数减少了0.01，下降速度缓慢，此段烧结温度对砖样吸水率和饱和系数的影响不明显。

图3 烧结温度对砖样饱和系数的影响Fig.3 Effect of sintering temperature on saturation coefficient of brick sample

随着烧结温度的升高，制砖的能耗和成本也会增加。综合考虑成本及结构安全性，烧结温度850℃较佳，此时，砖样吸水率为25.31%，饱和系数为1.07。

2.2 烧结时间对烧结砖吸水率和饱和系数的影响

控制砖样烧结温度为850℃，Ca添加量为7.5%，Si添加量为30%不变，研究烧结时间对砖样吸水率和饱和系数的影响，见图4、5。

由图4、5可知，随着烧结时间的增加，砖样吸水率和饱和系数呈下降的趋势。在烧结时间为3.5 h时，砖样吸水率和饱和系数位于低点，吸水率最小为23.12%，饱和系数最小为1.05。

图4 烧结时间对砖样吸水率的影响Fig.4 Effect of sintering timeon water absorption of brick sample

当烧结时间为3 h和3.5 h时压制的砖样吸水率和饱和系数较小，但烧结过程存在过烧现象，此时，砖样线收缩率较大，砖样结构易发生形变，严重影响了建筑结构安全性。当烧结时间从2.5 h增加至3.5 h时，砖样吸水率减少了2.19%，饱和系数减少了0.02，此段呈缓慢下降的趋势。而烧结时间过长，成本增加，且当烧结时间大于2.5 h时砖样吸水率和饱和系数变化不明显。

图5 烧结时间对砖样饱和系数的影响Fig.5 Effect of sintering timeon saturation coefficient of brick sample

综合考虑成本和结构安全性，烧结时间2.5 h较佳，此时，砖样吸水率为25.31%，饱和系数为1.07。

2.3 Ca添加量对烧结砖吸水率和饱和系数的影响

控制砖样烧结温度为850℃，烧结时间为2.5 h，Si添加量为30%不变，研究Ca添加量对砖样吸水率和饱和系数的影响，见图6、7。

由图6、7可知，随着Ca添加量的增加，砖样吸水率和饱和系数呈上升的趋势。在Ca添加量为0，砖样吸水率和饱和系数均位于低点。

图6 Ca添加量对砖样吸水率的影响Fig.6 Effect of Ca addition amount on water absorption of brick sample

当Ca添加量从0增加至10%，砖样吸水率增加了10.04%，饱和系数增加了0.05，整段增速较快，Ca含量对砖样吸水率和饱和系数的影响较为明显。Ca添加后在砖样内部发生反应，会使砖样内部孔隙率变高，砖样吸水率和饱和系数增大。适当减少原料中Ca的含量，可降低烧结砖的吸水率和饱和系数，获得较好的性能参数。

图7 Ca添加量对砖样饱和系数的影响Fig.7 Effect of Ca content on the saturation coefficient of brick sample

综合考虑，Ca添加0为较佳，此时，砖样吸水率为18.08%，饱和系数为1.04。

2.4 Si添加量对烧结砖吸水率和饱和系数的影响

控制砖样烧结温度为850℃，烧结时间为2.5 h，Ca添加量为0不变，研究Si添加量对砖样吸水率和饱和系数的影响，见图8、9。

由图8、9可知，随着Si添加量的增加，砖样吸水率和饱和系数均呈先降后升的趋势。在Si添加量为24%时，砖样吸水率和饱和系数均位于低点。

图8 Si添加量对砖样吸水率的影响Fig.8 Effect of Siaddition amount on water absorption of brick sample

图9 Si添加量对砖样饱和系数的影响Fig.9 Effect of Si additive amount on the saturation coefficient of brick sample

在Si添加量为6%时，砖样由于吸水过多发生了坍塌现象，无法测定其吸水率和饱和系数。当Si添加量从12%增加至24%时，砖样吸水率减小了9.42%，饱和系数减小了0.05；在Si添加量大于24%时，砖样吸水率和饱和系数呈上升趋势，但增速较为缓慢。适宜的Si添加，可使烧结砖内部孔隙率变低，砖样吸水率和饱和系数较小，性能较为理想。

综合考虑，Si添加量24%为较佳，此时，砖样吸水率为15.81%，饱和系数为1.03。

3 结论

（1）随着烧结温度、烧结时间的增加，烧结砖吸水率和饱和系数均呈下降的趋势；随着Ca添加量的增加，烧结砖吸水率和饱和系数呈上升的趋势；随着Si添加量的增加，烧结砖吸水率和饱和系数呈先降后升的趋势。

（2）在烧结温度为550℃或Si添加量为6%时，烧结砖吸水较多，测定砖样吸水率和饱和系数时会出现坍塌的现象；在烧结温度过高、烧结时间过长时，烧结砖内部生成液相较多，致密性增强，线收缩率增大，易于发生形变，影响砖体结构安全性。

（3）综合考虑，烧结砖较佳工艺条件为：烧结温度为850℃，烧结时间为2.5 h，Ca添加量为0，Si添加量为24%。