利用廢棄物錳礦渣燒制的廣場磚特性研究

張明勝，馬　捷，梁　驍

(1.中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州　221008；2.上海財(cái)經(jīng)大學(xué)，上?！?00433)

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利用廢棄物錳礦渣燒制的廣場磚特性研究

張明勝1，馬捷1，梁驍2

(1.中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州221008；2.上海財(cái)經(jīng)大學(xué)，上海200433)

摘要：為研究電解錳礦廠廢棄礦渣燒制廣場磚的抗壓特性及其影響因素，采用黏性土壤、黏合劑、骨料與一定量的錳礦渣粉混合，壓制成型后在馬弗電爐中進(jìn)行高溫?zé)?；分析錳礦渣質(zhì)量分?jǐn)?shù)、含水率、成品模壓強(qiáng)度、保溫時(shí)間、配料組成等對成品抗壓強(qiáng)度的影響.研究結(jié)果表明：在95目錳渣粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于25%、成型制磚毛坯含水量為16%～21%、成品模壓強(qiáng)度大于46 MPa、成模保溫時(shí)間為2 h的條件下，采用復(fù)合配料方式制得的產(chǎn)品抗壓強(qiáng)度最高.

關(guān)鍵詞：錳礦渣；廣場磚；抗壓強(qiáng)度

對錳礦生產(chǎn)及運(yùn)用中最終形成的廢棄礦渣的處理與處置是解決電解錳礦廠環(huán)境污染與破壞等問題的至關(guān)重要工作，而廢棄礦渣能否無害化、減量化以及資源化利用是解決錳礦廠周邊環(huán)境的重要前提.此外，它還為廢棄礦渣最終的妥善處理提供了重要保障.因此，國內(nèi)外對錳礦渣的無害化、減量化、資源化處置頗為關(guān)注.由于錳礦渣所含有的多種無機(jī)組分與許多建筑材料的主要成分相一致，因而對錳礦渣的資源化利用可以制造出具有巨大經(jīng)濟(jì)收益與良好環(huán)境效益的建筑材料[1-2].

已有的試驗(yàn)表明[3-4]，在將錳礦渣制成毛坯前需要先進(jìn)行一系列預(yù)處理或?qū)㈠i礦渣焚燒至灰燼后再攪拌混合制成.此外，經(jīng)過處理后的錳礦渣也可加入制造陶粒的黏土中，攪拌混勻后燒制成陶粒.但是，通過此方法燒制而成的無論砌塊還是陶粒用量均較低，且成品易被損壞，強(qiáng)度明顯偏低[5-6]，因此本試驗(yàn)在對廢棄錳礦渣進(jìn)行干燥處理后，直接加入黏合劑等配料中，再經(jīng)過壓實(shí)成型、高溫?zé)啤⒔禍靥幚砩煽箟簭?qiáng)度較高的磚塊[7].由錳礦渣為主要原料構(gòu)成的建筑材料不僅要嚴(yán)格按照規(guī)范控制原料中污染物于一定范圍之內(nèi)，而且還要通過相關(guān)的國家與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗(yàn).抗壓強(qiáng)度是檢驗(yàn)磚塊是否合格的重要指標(biāo)[8]，因此本試驗(yàn)主要對錳礦渣抗壓強(qiáng)度及其影響因素進(jìn)行相應(yīng)的探討.

1材料、儀器設(shè)備與過程

錳渣主要來源于某電解錳公司，其化學(xué)成分見表1.實(shí)驗(yàn)中所使用的主要儀器設(shè)備見表2.

表1　某電解錳公司錳渣化學(xué)成分

表2　實(shí)驗(yàn)主要儀器和設(shè)備

續(xù)表2

成品燒制的試驗(yàn)過程為：成品燒制過程中按比例投加配料(抗高溫黏性土壤、黏合劑、骨料)與錳礦粉，混合并加水?dāng)嚢杈鶆蚝髩簩?shí)成型形成廣場磚毛坯，靜止后再進(jìn)行低溫干燥；在智能高溫箱式馬弗電爐中高溫?zé)?.5 h后測定；參照斷裂模數(shù)和破壞強(qiáng)度的測量標(biāo)準(zhǔn)，使用液壓式萬能材料試驗(yàn)機(jī)測試成品抗壓強(qiáng)度.

2結(jié)果與討論

2.1錳礦渣質(zhì)量分?jǐn)?shù)對成品抗壓強(qiáng)度的影響

相同摻入量下的幾種不同種類的錳礦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)對燒制成品抗壓強(qiáng)度影響關(guān)系如圖1所示.圖中橫坐標(biāo)表示錳礦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)，本次試驗(yàn)分別選取了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%、15%、25%、35%和45%的錳礦粉進(jìn)行試驗(yàn)；縱坐標(biāo)表示燒制成品抗壓強(qiáng)度.從圖中可以看出，錳礦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5%～45%的范圍內(nèi)的95目錳礦粉抗壓強(qiáng)度在5～40 MPa之間變化，31目錳礦粉的抗壓強(qiáng)度在0～30 MPa之間變化，隨著錳礦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，抗壓強(qiáng)度在逐漸降低，質(zhì)量分?jǐn)?shù)在25%時(shí)抗壓強(qiáng)度較低并趨于平緩.就95目錳礦粉而言，當(dāng)干錳礦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)從5%增大到35%時(shí)，其燒制成品抗壓強(qiáng)度降低69.23%；就31目錳礦粉而言，當(dāng)干錳礦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)從5%增大到35%時(shí)，其燒制成品抗壓強(qiáng)度則降低80.00%.由此可知：在加入磚塊中的錳礦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)一樣時(shí)，錳礦粉顆粒粒徑越大，成品抗壓強(qiáng)度越低；反之，粒徑越小，成品抗壓強(qiáng)度越高.

針對上述結(jié)論做出相應(yīng)的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：錳礦渣本身含有的有機(jī)雜質(zhì)在燒制過程中產(chǎn)生孔洞，由于粒徑大的錳礦渣中含有的有機(jī)成分較多，故而產(chǎn)生的孔洞也隨之增多，導(dǎo)致錳礦渣顆粒間縫隙增加，顆粒間的作用力大大降低.由此得出以下結(jié)論：隨著錳礦渣粒徑的增大，其所含的雜質(zhì)也增多，進(jìn)而孔洞明顯增加，顆粒間結(jié)合力明顯降低并最終導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低更多；而錳礦渣顆粒粒徑較小時(shí)，其雜質(zhì)的含量也較少，所產(chǎn)生的孔洞也就減少很多，最終燒制成品顆粒的結(jié)合力較高，成品外觀也較致密，抗壓強(qiáng)度也較高.試驗(yàn)完結(jié)后發(fā)現(xiàn)圖1中兩種粗細(xì)粒徑的錳礦渣的燒制成品均存在明顯裂紋，究其原因是：由于錳礦渣粉燒失量很大，燒制過程中錳礦渣相互擠壓發(fā)生較大變形，進(jìn)而產(chǎn)生裂紋.檢測結(jié)果是該礦渣所生產(chǎn)的磚塊質(zhì)量均不合格.針對這一弊端可采取如下措施：在成品燒制過程中投放長石粉來促使配料融合，從而使得成品外觀光滑無痕.此外，從試驗(yàn)結(jié)果可以推斷出隨著錳礦粉中長石粉含量的增加，成品的表面裂紋愈發(fā)得到改善，當(dāng)長石粉的摻入量達(dá)到一定的范圍后，燒制成品表面幾乎沒有肉眼可以觀察到的裂紋.然而長石粉的摻入量超過某一特定的范圍后，其燒制產(chǎn)品的抗壓強(qiáng)度隨長石粉的摻入量的增加反而略微下降.因此，想要得到較為完善的燒制成品則需要嚴(yán)格地將長石粉的摻入量控制在一定的范圍內(nèi).經(jīng)過實(shí)驗(yàn)研究，錳礦渣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在6%～15%范圍內(nèi)為宜.

2.2成品成型因素的影響

影響成品燒制的主要因素是含水率與壓實(shí)強(qiáng)度，而滿足這2個(gè)條件要求是燒制成型的關(guān)鍵.

2.2.1毛坯含水率對成品抗壓強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)中采用半干壓成型試件，針對毛坯含水率對燒制成品的抗壓強(qiáng)度的影響做出相應(yīng)試驗(yàn)并得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖2所示.圖中橫坐標(biāo)表示含錳礦粉的毛坯含水率，本次試驗(yàn)分別采取了毛坯含水率為6%、11%、16%和21%進(jìn)行試驗(yàn)；縱坐標(biāo)表示燒制成品抗壓強(qiáng)度.從圖中可以看出，毛坯含水量在6%～21%的范圍內(nèi)，95目錳礦粉強(qiáng)度在13～20 MPa范圍內(nèi)，31目錳礦粉的強(qiáng)度在12.5～15 MPa范圍內(nèi)，且燒制成品的抗壓強(qiáng)度隨著含水率的增加而逐漸增大.由此可推斷，顆粒粒徑較小的錳礦粉比粒徑較大的錳礦粉燒制成品抗壓強(qiáng)度的增加更為明顯，就95目煤礦粉而言，當(dāng)含錳礦粉的毛坯含水率從6%增大到16%時(shí)，其燒制成品抗壓強(qiáng)度增加到19.5%；就31目煤礦粉而言，其燒制成品抗壓強(qiáng)度增加到13.4%.究其原因可知當(dāng)水分在一定范圍內(nèi)增多時(shí)，有利于促進(jìn)成品配料的充分混合，使得成品各組分性質(zhì)更趨于一致.而當(dāng)含水率超過一定范圍之后會導(dǎo)致壓制過程中有水滲出，且燒制的成品會黏著在模塊上不易脫模.

2.2.2模壓強(qiáng)度對成品抗壓強(qiáng)度的影響

成品形成條件包括錳礦粉的含水量的多少以及壓實(shí)強(qiáng)度的大小，它們都是燒制的首要條件.試驗(yàn)中采用半干法壓成型實(shí)驗(yàn)，針對錳礦粉含水率對燒制成品的抗壓強(qiáng)度的影響問題，做出相應(yīng)試驗(yàn)，并得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖3所示.圖中以橫坐標(biāo)表示成品模壓強(qiáng)度，本次試驗(yàn)的成品模壓強(qiáng)度分別為26，36，46，56 MPa；縱坐標(biāo)表示燒制成品抗壓強(qiáng)度.從圖中可以看出，成品成型模壓強(qiáng)度在12～18 MPa的范圍內(nèi)，95目礦粉強(qiáng)度在14.9～16 MPa范圍內(nèi)，31目礦粉的強(qiáng)度在12～16.5 MPa范圍內(nèi).就不同粒徑大小的31目與95目錳礦粉而言，隨著模壓強(qiáng)度由26 MPa增大至46 MPa時(shí)，其燒制成品的抗壓強(qiáng)度分別增大37.5%與18.6%；當(dāng)模壓強(qiáng)度超過46 MPa，燒制成品抗壓強(qiáng)度幾乎不會隨著模壓強(qiáng)度的增加而變化.由此可見，在一定的模壓強(qiáng)度范圍內(nèi)，燒制成品抗壓強(qiáng)度隨著成品模壓強(qiáng)度的增加而增強(qiáng)，此推論與以往試驗(yàn)得出的增大成品壓實(shí)強(qiáng)度有利于改善成品的表觀結(jié)論相同.然而壓實(shí)強(qiáng)度不能過高，在其達(dá)到某一數(shù)值后，試件的抗壓強(qiáng)度就已達(dá)到一定極限，即試件的抗壓強(qiáng)度不會隨著模壓強(qiáng)度增加而增加.經(jīng)過合理分析推測認(rèn)為是由于當(dāng)成型壓制強(qiáng)度增加導(dǎo)致試件顆粒間的縫隙減少，進(jìn)而顆粒間接觸面積增加，所以燒制成品的密實(shí)度也增加；但當(dāng)成型壓制壓強(qiáng)達(dá)到某一特定范圍后，顆粒間的間距已幾乎無法再減少，所以成品密實(shí)度已經(jīng)達(dá)到某一極限值，進(jìn)而燒制成品抗壓強(qiáng)度幾乎沒有變化.

圖2　錳礦粉的毛坯含水率對成品抗壓強(qiáng)度的影響

圖3　模壓強(qiáng)度對成品抗壓強(qiáng)度的影響

2.3保溫時(shí)間對成品抗壓強(qiáng)度的影響

將燒制溫度控制在10～300 ℃范圍內(nèi)，溫度過高會導(dǎo)致坯料的分子結(jié)構(gòu)等發(fā)生變化，熔點(diǎn)低的化合物在高溫下融化后滲入填充物的縫隙內(nèi)與填充顆粒融合在一起.又因?yàn)榕黧w是不均勻多相體系，所以試樣內(nèi)各組分在燒制過程中的反應(yīng)類型不等，速度也不同，但為了使得胚料的各項(xiàng)組分速度都能趨向一致，結(jié)構(gòu)趨于均一，物理化學(xué)變化趨向完全，則必須嚴(yán)格控制燒制最高溫度后的時(shí)間.所以，對胚料燒制后的保溫時(shí)間控制尤為重要.本試驗(yàn)針對坯料燒制后的保溫時(shí)長對試件的抗壓強(qiáng)度的影響程度進(jìn)行了研究，將不同粒徑和含量的四類成品分別保溫2，4，6 h.如圖4所示.從圖中可知，經(jīng)歷較長的保溫時(shí)間后的各種配料的燒制成品抗壓強(qiáng)度均有所下降，由此還可推斷胚料物理化學(xué)反應(yīng)在2 h保溫時(shí)間內(nèi)已經(jīng)徹底完成，而過長時(shí)間會融化胚料，影響坯體的骨架形成，最終導(dǎo)致力學(xué)性能降低.顯然，2 h的保溫時(shí)間最佳.

圖4　保溫時(shí)間對成品抗壓強(qiáng)度的影響

2.4配料組成結(jié)構(gòu)對成品抗壓強(qiáng)度的影響

在燒制過程中投放較多的錳礦渣后，燒制成品的強(qiáng)度會顯著降低，故而針對不同材料結(jié)構(gòu)對燒制成品的強(qiáng)度產(chǎn)生的影響進(jìn)行了研究.如圖5所示.從圖中可知，就復(fù)合與單一兩種結(jié)構(gòu)的干錳礦渣均為21.4%的粒徑較小的31目配料和粒徑較大的95目配料而言，其復(fù)合結(jié)構(gòu)生產(chǎn)出的磚塊強(qiáng)度分別增大約23.7%和22.2%.復(fù)合結(jié)構(gòu)生產(chǎn)的磚塊耐壓性能均符合GB/T 4100.5—1999《中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定和GB 5101—93《燒結(jié)普通磚強(qiáng)度等級》中MU20的強(qiáng)度等級要求.顯而易見，復(fù)合結(jié)構(gòu)比單一材料結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度高的多，故采用復(fù)合材料的優(yōu)勢更大.

圖5　復(fù)合結(jié)構(gòu)對成品抗壓強(qiáng)度的影響

3結(jié)論

1)在粉碎后的廢棄礦渣中加入其他成分，對燒制的廣場磚產(chǎn)生很好的效果.在其他條件相同的情況下，成品的抗壓強(qiáng)度會隨著錳礦渣粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減弱；此外，在燒制過程中投放長石粉，能減少或消除磚塊的裂紋，使得磚塊表面光滑無痕.

2)成品中的含水率是抗壓強(qiáng)度的因素之一，水分在一定范圍內(nèi)增加時(shí)，成品抗壓強(qiáng)度也隨之增強(qiáng).除此之外，壓實(shí)強(qiáng)度也影響成品的抗壓強(qiáng)度，成品抗壓強(qiáng)度隨壓實(shí)的強(qiáng)度的增大而增強(qiáng)，然而壓實(shí)強(qiáng)度不能過高，因?yàn)榧词乖嚰目箟簭?qiáng)度再高也不會再發(fā)生較大變化.

3)適當(dāng)?shù)谋貢r(shí)間可以增大抗壓強(qiáng)度，但是保溫時(shí)間不能太長，抗壓強(qiáng)度不會隨時(shí)間的增加而產(chǎn)生明顯的增大.

4)采用復(fù)合結(jié)構(gòu)能有效提高成品抗壓性能.

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(編輯徐永銘)

On the Characteristics of Square Bricks Fired with Waste Manganese Slag

ZHANG Mingsheng1,MA Jie1,LIANG Xiao2

(1.China University of Mining And Technology，Xuzhou 221008,China;2.Shanghai University of Finance and Economics，Shanghai 200433，China)

Abstract:To explore the compressive characteristics and influencing factors of the square bricks fired with waste manganese slag,a mixture of cohesive soil, binder, aggregate and a certain amount of manganese slag powder was moulded and fired in a muffle furnace.The manganese slag content, moisture rate, compression strength,heat preservation time,ingredients influence of factors on the compressive strength of the finished product were then analyzed.The results show that the products with compound ingredients obtains the highest compressive strength under the following conditions:95 manganese slag powder is less than 25%,moisture content of brick blank is 16%~21%,compression strength is higher than 46 MPa,and holding time is 2 h.

Key words:manganese slag; square brick; compressive strength

中圖分類號：X799.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-358X(2016)01-0014-05

作者簡介：張明勝(1964-)，男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事材料科學(xué)與計(jì)算科學(xué)研究.

基金項(xiàng)目：中國建筑材料聯(lián)合會項(xiàng)目(2014-M3-3)；住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015-K6-018)；國家星火計(jì)劃項(xiàng)目(2014GA690133)

收稿日期：2015-07-25