脫氨錳渣與赤泥協(xié)同制備加氣混凝土

張歡歡，程金科＊

（1.貴州大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省高性能砼材料及成型工程技術(shù)研究中心，貴州 龍里 561200）

0 引言

電解錳渣富含硅、鈣和鋁，在建材領(lǐng)域有較大應(yīng)用潛力，可用于制備水泥[1-2]、蒸壓磚[3]、多孔陶瓷[4]等，但均需煅燒，增加能耗；錳渣也可用于制備免燒磚[5]，雖不用煅燒，但未煅燒的錳渣呈黑色，產(chǎn)品用戶接受度低。加氣混凝土（AAC）重量輕、保溫性能好、加工能力強，被廣泛用于建筑領(lǐng)域，其生產(chǎn)過程的蒸壓養(yǎng)護工序可分解錳渣中有機質(zhì)、滅活細菌，減少霉變發(fā)生，同時制品呈灰白色，易推廣，且無需燒結(jié)，能耗低，在消納固廢方面有較大優(yōu)勢。

將脫氨錳渣用于制備加氣混凝土，可避免氨氮無組織釋放而危害人體健康和污染環(huán)境，也可防止錳離子影響錳渣摻量和材料性能。脫氨錳渣和赤泥都含有豐富的硅源和鈣源，可作為制備加氣混凝土的硅質(zhì)原料[6]。脫氨錳渣為酸性渣，顆粒細、活性低，單摻用于制備加氣混凝土?xí)档土蠞{堿性，產(chǎn)生憋氣和速凝現(xiàn)象，影響產(chǎn)品性能；赤泥為堿性渣，單摻用于制備加氣混凝土?xí)r料漿堿性增強，鋁粉發(fā)氣較快，易形成連通孔，對制品的力學(xué)和熱學(xué)性能不利[7]。而將脫氨錳渣和赤泥以適宜比例混合替代部分硅源作為生產(chǎn)加氣混凝土原料，料漿酸堿度和流動性適中，為鋁粉發(fā)氣提供了較佳條件，且赤泥中堿性物質(zhì)能激發(fā)料漿中SiO2活性，提高抗壓強度。

本文以企業(yè)配方為基礎(chǔ)，即水泥15%、生石灰20%、砂32%、粉煤灰30%、石膏3%，用脫氨錳渣和赤泥作為硅源替代全部粉煤灰制備蒸壓加氣混凝土，研究脫氨錳渣和赤泥的理化性質(zhì)、溫度、鋁粉摻量、質(zhì)量比、水料比等對料漿發(fā)氣、抗壓強度、干密度的影響，以獲得加氣混凝土的較佳制備工藝，拓寬錳渣和赤泥資源化利用途徑，促進相關(guān)行業(yè)綠色低碳發(fā)展。

1 試驗

1.1 原材料

1）脫氨錳渣的理化性質(zhì)

脫氨錳渣的主要成分及含量見表1。由表1可知，脫氨錳渣主要組成為SiO2、CaO和SO3，占總含量的83.3%。

表1 脫氨錳渣主要成分及含量Tab.1 Main components and contents of deammoniated manganese residue

2）砂

本試驗所用砂取自貴州某節(jié)能建材有限公司，原料為淡黃色狀，SiO2含量大于90%。將樣品置于105℃烘箱中烘36h，然后放入球磨機中球磨12h，所得硅砂粉末過80μm方孔篩。其化學(xué)組成見表2。

表2 砂的化學(xué)組成Tab.2 Chemical composition of sand

3）生石灰

本試驗所用生石灰取自貴陽市某企業(yè)，符合JC/T 621-2021《硅酸鹽建筑制品用生石灰》技術(shù)要求，其主要化學(xué)成分見表3。

表3 生石灰的主要成分Tab.3 Main components of quicklime

4）水泥

本試驗所用水泥來自貴陽市某水泥企業(yè)的P·O42.5普通硅酸鹽水泥，其化學(xué)組成見表4。

表4 水泥化學(xué)組成Tab.4 Chemical composition of cement

5）石膏

本試驗所用石膏由四川祥瑞龍儀器有限公司提供，其化學(xué)組成見表5。

表5 石膏主要化學(xué)組成Tab.5 Main chemical composition of gypsum

6）鋁粉膏

本試驗所用鋁粉膏為油劑型鋁粉膏GLY-75，來自貴州長泰源節(jié)能建材有限公司，性能滿足JC/T 407-2008《加氣混凝土用鋁粉膏標準》要求。

7）赤泥的理化性質(zhì)

赤泥是堿處理鋁土礦生產(chǎn)氧化鋁過程中產(chǎn)生的固體廢棄物，因含有大量氧化鐵而呈紅色[8]，其特點是pH值和堿含量高[9]。本研究所用赤泥取自貴州某企業(yè)。根據(jù)HJ 962-2018《土壤pH的測定》方法對赤泥pH值進行測定，測得赤泥浸出液pH值為9.65，呈堿性。赤泥的化學(xué)組成如表6所示，由表6可知，赤泥主要成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO，占總含量的82.97%。圖1為赤泥礦物組成，由圖1可知，赤泥主要礦物為赤鐵礦（Fe2O3）、方解石（CaCO3）、水石榴子石（Ca3Al2(SiO4)(OH)8）、水鋁石（AlOOH）和鈣霞石等。

圖1 赤泥的XRD圖Fig.1 XRD of red mud

表6 赤泥的成分分析Tab.6 Compositional analysis of red mud

1.2 試驗方案

1）加氣混凝土樣品的制備

根據(jù)設(shè)計的試驗配比，用電子天平準確稱量脫氨錳渣、赤泥、水泥、砂和石膏，倒入水泥凈漿攪拌機中，在55℃溫水下攪拌1min，加入生石灰繼續(xù)攪拌1min，最后加入鋁粉膏攪拌40s。將混合料漿攪拌均勻后注入50mm×50mm×50mm模具中，在恒溫干燥箱中靜停養(yǎng)護5h，試件經(jīng)發(fā)氣后去除多余部分，取出并放入蒸壓釜中養(yǎng)護。蒸壓養(yǎng)護制度為預(yù)熱50min，抽真空50min，蒸壓釜內(nèi)氣壓為0.06MPa，然后恒溫3.2h，釜內(nèi)氣壓達到1.15MPa，最后恒溫恒壓蒸養(yǎng)8h。

2）加氣混凝土干密度和抗壓強度檢測方法

將混合均勻的料漿倒入50mm×50mm×50mm鋼制模具中，放入養(yǎng)護箱中靜停養(yǎng)護，待樣品有一定強度后去除超出模具部分，將所得標準立方體試件放入蒸壓釜中養(yǎng)護，養(yǎng)護完畢后取出，砌塊按GB/T 11969-2020《蒸壓加氣混凝土性能試驗方法》進行測試。

3）分析方法

采用荷蘭帕納科Zetium X射線熒光法（XRF,Al Kα=1253.8eV）測定樣品化學(xué)組成，采用X射線粉末衍射儀（XRD,D8，荷蘭帕納科）在掃描范圍5°～90°，電壓40kV，電流40mA條件下采用Cu Kα輻射源分別對處理前后的電解錳渣及蒸壓加氣混凝土砌塊的物相組成進行分析。采用JADE軟件分析樣品XRD圖譜，根據(jù)標準卡片庫（PDF 2004）檢索得到礦物組成。

2 結(jié)果與討論

2.1 加氣混凝土料漿發(fā)氣研究

1）溫度對料漿發(fā)氣的影響

圖2為溫度對料漿發(fā)氣的影響。由圖2可知，隨著料漿溫度升高，發(fā)氣速度加快，發(fā)氣量不斷增加，由138mL增到166mL，同時發(fā)氣時間縮短，料漿溫度45℃時溫度低，反應(yīng)較慢，發(fā)氣時間較長，約35min，65℃時溫度高，反應(yīng)迅速，發(fā)氣時間較短，約25min，55℃時反應(yīng)適中，30min完成發(fā)氣。

圖2 溫度對料漿發(fā)氣的影響Fig.2 Effect of temperature on gas generation of slurry

2）脫氨錳渣與赤泥質(zhì)量比對料漿發(fā)氣的影響

脫氨錳渣與赤泥質(zhì)量比與料漿發(fā)氣的關(guān)系見圖3。由圖3可知，隨著赤泥摻量增加，脫氨錳渣摻量減少，料漿發(fā)氣速度加快，發(fā)氣量大幅增加，發(fā)氣時間遞減。這是因為赤泥摻量增加使溶液中堿性物質(zhì)增多、溶液堿性增強，與鋁粉反應(yīng)較充分；脫氨錳渣的主要礦物相為CaSO4·0.5H2O，CaSO4·0.5H2O會重新吸水變?yōu)镃aSO4·2H2O，導(dǎo)致漿體流動性變化，而漿體吸水越少，初始粘度越低，流動性越高，發(fā)氣膨脹越快，反應(yīng)時間就越短。但赤泥過量對料漿發(fā)氣存在不利影響，如0.3:1和0.5:1時，發(fā)氣時間為15min和20min，發(fā)氣過快導(dǎo)致氣泡快速增加，出現(xiàn)冒泡現(xiàn)象。

圖3 脫氨錳渣與赤泥質(zhì)量比對料漿發(fā)氣的影響Fig.3 Effect of mass ratio of deaminated manganese residue to red mud on gas generation of slurry

綜上，隨著溫度升高，料漿發(fā)氣加快且發(fā)氣量增加，適宜的發(fā)氣溫度為55℃；脫氨錳渣越少，赤泥越多，發(fā)氣速度越快，發(fā)氣時間越短，這與脫氨錳渣成分及赤泥堿性有關(guān)。

2.2 加氣混凝土砌塊性能研究

1）鋁粉摻量對加氣混凝土抗壓強度和干密度的影響

鋁粉摻量對料漿發(fā)氣膨脹起重要作用，鋁粉含量越多，發(fā)氣量越大，但鋁粉過量會發(fā)生冒泡現(xiàn)象，鋁粉過少則會導(dǎo)致發(fā)氣不足。因此，需探究鋁粉的較佳摻量。

鋁粉摻量與加氣混凝土抗壓強度的關(guān)系見圖4。由圖4可知，脫氨錳渣與赤泥質(zhì)量比相同時，隨著鋁粉摻量增加，加氣混凝土抗壓強度逐漸降低。鋁粉摻量相同，脫氨錳渣與赤泥質(zhì)量比在1:0、1:0.3和1:0.5時，隨著脫氨錳渣摻量減少、赤泥摻量增加，加氣混凝土抗壓強度逐漸增強。脫氨錳渣與赤泥質(zhì)量比為1:1時的砌塊抗壓強度比1:0時低，因為赤泥中的堿性物質(zhì)雖然可激發(fā)SiO2活性，促進SiO2溶解，生成更多水化產(chǎn)物[10]，但赤泥過量會使料漿流動性變大，發(fā)氣量增大，導(dǎo)致加氣混凝土孔隙率高，制品強度降低。

鋁粉摻量對加氣混凝土干密度的影響如圖5所示。由圖5可知，脫氨錳渣與赤泥質(zhì)量比相同時，隨著鋁粉摻量增加，加氣混凝土干密度逐漸降低。鋁粉摻量相同，脫氨錳渣與赤泥質(zhì)量比在1:0、1:0.3、1:0.5和1:1時，隨著脫氨錳渣摻量減少、赤泥摻量增加，加氣混凝土干密度呈遞減趨勢，這和赤泥顆粒粒徑及比表面積有關(guān)，赤泥顆粒粒徑較大，比表面積較小，導(dǎo)致料漿粘稠度低，鋁粉發(fā)氣充分。

綜合考慮鋁粉摻量對抗壓強度和干密度的影響可以發(fā)現(xiàn)，鋁粉摻量0.2%、脫氨錳渣與赤泥質(zhì)量比1:0.5時，制品抗壓強度和干密度符合GB/T 11968-2020《蒸壓加氣混凝土砌塊》中A5.0（抗壓強度≥5.0MPa）、B07（干密度≤750kg/m3）要求。因此，鋁粉摻量選擇0.2%。

2）水料比與加氣混凝土抗壓強度和干密度的關(guān)系

水料比對加氣混凝土抗壓強度的影響如圖6所示。由圖6可知，脫氨錳渣和赤泥質(zhì)量比相同時，隨著水料比增加，加氣混凝土制品抗壓強度呈先增后降趨勢。水料比為0.8時，各組砌塊抗壓強度最大。脫氨錳渣和赤泥顆粒較細，吸水性強，水料比較小時，水化不充分，生成的水化產(chǎn)物較少，制品抗壓強度較低，而水料比較大時，料漿發(fā)氣順暢，漿料中存在的小氣泡合并成大氣泡，一旦加氣混凝土在壓力下硬化，應(yīng)力集中可能發(fā)生，從而降低砌塊機械性能[11-12]。

圖6 水料比對加氣混凝土抗壓強度的影響Fig.6 Effect of water-material ratio on compressive strength of AAC

水料比對加氣混凝土干密度的影響如圖7所示。由圖7可知，脫氨錳渣與赤泥質(zhì)量比相同時，水料比變化與干密度成反比，水料比越大，加氣混凝土干密度越低。水料比增大，漿料初始粘度降低，漿料增稠速度減慢，鋁粉與漿料中堿溶液的反應(yīng)導(dǎo)致漿料膨脹阻力降低，因此，鋁粉發(fā)氣更充分，加氣混凝土干密度下降。當水料比大于0.8、脫氨錳渣與赤泥質(zhì)量比為1:0.5和1:1時，所得制品符合GB/T 11968-2020中A5.0（抗壓強度≥5.0MPa）、B07（干密度≤750kg/m3）要求。

圖7 水料比對加氣混凝土干密度的影響Fig.7 Effect of water-material ratio on dry density of AAC

綜合考慮水料比對抗壓強度和干密度影響可以發(fā)現(xiàn)，水料比為0.8時，制品抗壓強度和干密度符合GB/T 11968-2020中A5.0（抗壓強度≥5.0MPa）、B07（干密度≤750kg/m3）要求。因此，水料比選擇0.8。

3）脫氨錳渣與赤泥質(zhì)量比對加氣混凝土抗壓強度的影響

脫氨錳渣與赤泥質(zhì)量比對加氣混凝土抗壓強度的影響如圖8所示。由圖8可知，隨著脫氨錳渣減少、赤泥增多，加氣混凝土抗壓強度先增后降。脫氨錳渣與赤泥質(zhì)量比在1:0、1:0.3和1:0.5時，加氣混凝土抗壓強度呈遞增趨勢，而脫氨錳渣與赤泥質(zhì)量比為1:1時的抗壓強度比1:0時低。赤泥中的堿性物質(zhì)能作為SiO2活性激發(fā)劑促進水化產(chǎn)物生成，但赤泥過量時，料漿流動性增強，發(fā)氣效果好，制品孔隙率高，強度降低。在脫氨錳渣與赤泥質(zhì)量比為1:0.5時，制品抗壓強度為5.7MPa，干密度為745kg/m，符合GB/T 11968-2020中A5.0（抗壓強度≥5.0MPa）、B07（干密度≤750kg/m3）要求。

圖8 脫氨錳渣與赤泥質(zhì)量比對加氣混凝土抗壓強度的影響Fig.8 Effect of mass ratio of deaminated manganese residue to red mud on compressive strength of AAC

綜上，通過研究鋁粉摻量、水料比和脫氨錳渣與赤泥質(zhì)量比對加氣混凝土抗壓強度和干密度的影響，得出制備加氣混凝土的較佳工藝為：水泥用量15%、生石灰用量20%、砂用量32%、脫氨錳渣用量20%、赤泥用量10%、石膏用量3%、鋁粉摻量0.2%、水料比0.8，所制得加氣混凝土砌塊符合GB/T 11968-2020中A5.0（抗壓強度≥5.0MPa）、B07（干密度≤750kg/m3）要求。

3 結(jié)論

1）隨著溫度升高，料漿發(fā)氣加快且發(fā)氣量增加，適宜的發(fā)氣溫度為55℃；隨著赤泥摻量增加、脫氨錳渣摻量減少，料漿發(fā)氣速度加快，發(fā)氣量大幅增加，且發(fā)氣時間遞減。

2）在水泥用量15%、生石灰用量20%、砂用量32%、脫氨錳渣20%、赤泥用量10%、石膏用量3%、鋁粉摻量0.2%、水料比0.8時，所得制品的抗壓強度為5.7MPa，干密度為745kg/m3，達到GB/T 11968-2020中A5.0強度級別及B07干密度級別的要求。