电解锰渣制备路面基层材料及其力学性能研究

宋春杰　胡松　曾祥

摘 要：采取水泥粉煤灰电解锰渣作为无机结合料的稳定碎石，探讨电解锰渣掺量对于路面基层材料力学性能的影响，在兼顾经济与质量要求的基础上，促使电解锰渣制备路面基层材料过程中环节锰渣堆放的问题，也为电解锰渣的资源化利用提供最新的技术思路。

关键词：路面基层材料；电解锰渣；力学性能；锰渣微粉

中图分类号：TQ137.12                              文献标识码：A                              文章编号：2096-6903（2023）12-0110-04

0 引言

以高强度、高刚度和良好的整体性能为主导的道路基层建设工程中，普遍采用水泥稳定砂砾路面。该路面最大的缺陷是由于其自身的构造收缩较大，易引起路面表面的反射开裂。而灰稳定砂砾路面由于其初期强度较低，水稳定性较差，在地面及地下水位较高的地段，一般不适用。因此急需要一种高性能的基层路面材料来提升路基的稳定性，实现路面通行的安全性要求。

1 项目试验材料与试验方法

1.1 水泥

本项目选择铜仁海螺集团的42.5号常规水泥石，其组成见表1。其密度是3.020/cm3，比表面积是369 m2/kg，80 μm的筛余率是3%，橡胶砂的28 d的抗压强度是47.6 MPa，弯曲强度是7.7 MPa[1]。经测试，该胶凝材料的各项性能均满足测试指标。

1.2 锰渣

铜仁冶炼厂所排出的一种含锰铁的炉渣，外表为淡绿或棕黄色，形状松散、不规则，在户外有轻微的凝集现象，其易研磨性能不好，平均颗粒直径小于3 mm，容积为700 kg/m3，密度为2.87 g/cm3，其水分含量很高，通常为35%。粒子形态为多角形，表层结构紧密，以粗粒子为主。在表2中列出水淬锰废液的主要化学成份。水淬锰渣中钙、硅、铝等元素含量较高，与水泥的配伍性较好。如果硫磺的浓度不高，就不会产生过多的MnS，那么即便是在含锰高的情况下，也可以用来淬火[2]。由于水淬锰渣存在水硬化及火山灰化特性，可用作掺合料，以取代部分水泥。

1.3 粗、细集料

本次粗细集料均采为铜仁本地的矿山开采碎石，粗集料采取的粒径为5～10 mm连续级配，细集料均采自铜仁本地的河砂，细度模数为2.8，其属于中砂范围内。

1.4 石灰石屑

所述的石灰石碎片具有3 mm及其以下的颗粒尺寸、2.66 g/cm3的密度、较低的水分和较高的表面。在表3中列出其物质的化学组成。石粉形状不规则，表面平滑、粒度均匀，是一种理想的填料，在作为水泥和混凝土的外加剂中，有着十分良好的填充效果。

1.5 高效减水剂与化学试剂

本次采取β-萘磺酸甲醛高缩物的钠盐高效减水剂，掺量主要为水泥质量的1%～2%，减水率在15%～20%，在28 d的强度可以提升20%左右。

1.6 试验方法

锰渣混凝土制备时，由于水淬锰渣和石灰石子的颗粒非常细小，所以不需要进行粗破碎。先将其放在一个温度为（110±5）℃的烘箱里，将其干燥到含水量低于1%，以5 kg的干料为一个单位，将它们分批地放在500 mm×500 mm的试验小磨中進行粉磨，在没有助磨剂的条件下，分别进行25 min和18 min的粉磨[3]。经试样测定，其比表面为450 m2/kg、600 m2/kg。将粉碎后的锰渣细粒、石灰石粉末置于乾燥条件下贮存。

2 锰渣混凝土初步配合比设计

2.1 确定混凝土的配置强度

在对混凝土配置强度进行确定过程中，需要结合公式（1）进行取值。

结合公式（1）分析，水泥选择P.O42.5标号，σ取值为5.0，fcu.k取值为30，得到fcu≥38.225。

2.2 水灰比（W/C）的初步确定

结合混凝土的强度公式进行分析，具体公式见式（2）。

碎石集料中的A取值为0.46，B取值为0.07，fc数据由试验所获取，最终得到数据为47.5，W/C取值为0.55。该试验所处的环境均为潮湿环境，并且没有任何冻害表现，根据表格数据的查询，得到最大水灰比为0.60，因此取值计算水灰比为0.55。

2.3 坍落度、骨料粒径与用水量

本次实验的坍落度选定在10～30 mm，石子的最大粒径为10 mm。结合坍落度和碎石的最大粒径去顶混凝土的用水量W为210 kg/m3。混凝土的减水率设定为20%，进而对其实际用水量进行计算得到W为168 kg/m3。

2.4 水泥用量与砂率β的确定

结合水灰比与混凝土的用水量，对水泥用量C加以确定，其数值为281.8 kg/m3。随后结合水灰比和骨料的最大粒径，确定砂率β为37%。

2.5 确定砂用量与石用量

混凝土在1 m3的质量取值为2 450 kg，结合β对砂、石的质量进行计算，具体公式见式（3）。

减水剂计算结果为5.73kg/m3。

2.6 确定最终的混凝土初步配合比

实际用水量为168 kg/m3，水泥用量为381.8 kg/m3，水灰比为0.44，砂用量为701 kg/m3，石用量为1 193 kg/m3，减水剂为5.73 kg/m3，砂率为37%。

3 锰渣混凝土的研制

3.1 正交试验方案

本课题拟利用正交设计方法，对掺入锰渣细粒-石灰石混合料的工作和机械特性进行实验研究。对其进行抗压强度的分析和研究。

掺入锰渣微粉混凝土是由水泥、锰渣微粉和石灰石粉组成的一种新型混凝土。含有石，沙，水，外加剂的成分[4]。水胶比对锰渣细粒钙石粉混凝土的性能有很大影响，要制备出锰渣细粒钙石粉混凝土，应根据水胶比变化，采用相应的钙渣细粒钙石粉取代同等品质的水泥，并在其中适量添加超塑化剂。随着砂比变化，水泥各组份的作用会更加明显。采用以上方法，可有效地改善复掺锰渣细磨细石灰石混凝土的工作特性及机械特性。

通过前期探索实验，利用L9（34）正交实验方案对混合比进行了测试，具体如表4和表5所示。

3.2 锰渣混凝土的工作性能分析

通过对不同粒径、不同粒径的锰渣水泥混凝土进行比较，得出锰渣细粒水泥混凝土的最高允许值为25 mm，最低允许值为13 mm，满足了10～30 mm的坍落度要求。

在不同的掺入率下，混凝土的坍落度也会发生不同程度的变化。在正交实验中，对实验结果进行更加直接的分析，并在图1和表6中给出实验的曲线。从图1可以看出，对塌落程度的影响最大的是石灰石粉含量和微细锰渣含量，且以石灰石粉含量最高，微细锰渣含量次之，第3个因素是水胶比对，第4个因素是砂率[5]。与粉煤灰等外加剂相比，水淬锰渣的加入并不能提高其工作性能，反而会导致其工作性能下降，且影响因素主要取决于水淬锰渣的淬火工艺及晶粒形态。

从该趋势图1可以看出，其最优配合是A3-B1-C1-D3，即水胶比为0.48%，砂率为34%，锰渣微粉的比例为20%，石灰石的比例为20%。

3.3 锰渣混凝土的力学性能研究

结合实验结构可以明确以下4点。

第一，在4个因素中，锰渣细粉和石灰石粉的掺入量对水泥的抗弯性能有较大的作用。其中锰渣细粉的掺入量、水胶比对和沙率的作用最大。

第二，水泥砂浆的抗压强度与水泥砂浆中的水泥石粉及水泥砂浆的比例有关，其中水泥砂浆中水泥砂浆的比例对水泥砂浆的抗压强度起着重要作用，水泥砂浆的比例其次，水泥砂浆的比例对水泥砂浆的抗压强度的作用最小。

第三，最好的28 d弯曲强度配比为A2-B1-C3-D1，即A为0.44的水胶比值，B为34%的沙粒含量，C为40%的锰渣细粉，D为10%的石灰石粉。

第四，在28 d的抗压强度中，以A1-B1-C1-D1的最佳配合比例是A为0.40的水胶比值，B为34%的沙含量，C为20%的锰渣细粉和10%的石灰石粉[6]。

在对混凝土坍落度及抗折、抗压强度不同龄期各因素影响进行正交试验数据的基础上（如表7），可以得到双掺微粉混凝土配合比最佳组合为A2-B1-C3-D1，也就是水胶比为0.44，砂率为34%，锰渣微粉掺量为40%，石灰石粉掺量为10%。以水泥为192 kg/m3、锰渣细粉为154 kg/m3、石粉为38 kg/m3、卵石为1 252 kg/m3、砂为645 kg/m3、水为169 kg/m3、减水剂为5.8 kg/m3。

4 结束语

结合本次试验与上述数据统计分析，本文确定路面基层材料制备的各种材料掺量数据和抗压强度分析，最终得到各类材料掺量具体数据。结合数据可知，由电解锰渣制备的路面具有良好的稳定性和力学性能，能够保障路面车辆通行的安全性。

参考文献

[1] 张先伟，高永红，王平，等.电解锰渣-生活垃圾焚烧底渣协同制备路面基层材料试验研究[J].硅酸盐通报，2023，42 （4）：1363-1373.

[2] 谭波，刘琦，陈平.钢渣、赤泥、电解锰渣协同制备路基水稳材料及性能研究[J].武汉理工大学学报，2021，43（8）：51-56.

[3] 李宇，方琴，郭玉兰，等.电解锰渣制备路面基层材料及其力学性能研究[J].水利規划与设计，2021（12）：85-87+139.

[4]黄先杰，王玥，周珏，等.聚丙烯酸盐复合电解锰渣胶凝材料的防渗性能研究[J].金属矿山，2023（1）：283-288.

[5] 付德进，王海峰，勾碧波，等.电解锰渣洗液可控制备类球形Mn3O4的研究[J].矿冶工程，2023，43（2）：135-139.

[6] 熊鑫，谢更新，晏铭，等.黏土矿物复合材料固化电解锰渣中Mn的研究[J].环境科学与技术，2022，45（9）：57-63.

收稿日期：2023-09-01

基金项目：贵州省教育厅青年科技人才成长项目（黔教合KY字 [2018]347号）

作者简介：宋春杰（1988—），女，天津人，硕士研究生，讲师，研究方向：结构工程、地下工程。