利用废弃物锰矿渣烧制的广场砖特性研究

张明胜，马　捷，梁　骁

(1.中国矿业大学，江苏 徐州　221008；2.上海财经大学，上海　200433)



利用废弃物锰矿渣烧制的广场砖特性研究

张明胜1，马捷1，梁骁2

(1.中国矿业大学，江苏 徐州221008；2.上海财经大学，上海200433)

摘要：为研究电解锰矿厂废弃矿渣烧制广场砖的抗压特性及其影响因素，采用黏性土壤、黏合剂、骨料与一定量的锰矿渣粉混合，压制成型后在马弗电炉中进行高温烧制；分析锰矿渣质量分数、含水率、成品模压强度、保温时间、配料组成等对成品抗压强度的影响.研究结果表明：在95目锰渣粉的质量分数小于25%、成型制砖毛坯含水量为16%～21%、成品模压强度大于46 MPa、成模保温时间为2 h的条件下，采用复合配料方式制得的产品抗压强度最高.

关键词：锰矿渣；广场砖；抗压强度

对锰矿生产及运用中最终形成的废弃矿渣的处理与处置是解决电解锰矿厂环境污染与破坏等问题的至关重要工作，而废弃矿渣能否无害化、减量化以及资源化利用是解决锰矿厂周边环境的重要前提.此外，它还为废弃矿渣最终的妥善处理提供了重要保障.因此，国内外对锰矿渣的无害化、减量化、资源化处置颇为关注.由于锰矿渣所含有的多种无机组分与许多建筑材料的主要成分相一致，因而对锰矿渣的资源化利用可以制造出具有巨大经济收益与良好环境效益的建筑材料[1-2].

已有的试验表明[3-4]，在将锰矿渣制成毛坯前需要先进行一系列预处理或将锰矿渣焚烧至灰烬后再搅拌混合制成.此外，经过处理后的锰矿渣也可加入制造陶粒的黏土中，搅拌混匀后烧制成陶粒.但是，通过此方法烧制而成的无论砌块还是陶粒用量均较低，且成品易被损坏，强度明显偏低[5-6]，因此本试验在对废弃锰矿渣进行干燥处理后，直接加入黏合剂等配料中，再经过压实成型、高温烧制、降温处理生成抗压强度较高的砖块[7].由锰矿渣为主要原料构成的建筑材料不仅要严格按照规范控制原料中污染物于一定范围之内，而且还要通过相关的国家与行业标准进行检验.抗压强度是检验砖块是否合格的重要指标[8]，因此本试验主要对锰矿渣抗压强度及其影响因素进行相应的探讨.

1材料、仪器设备与过程

锰渣主要来源于某电解锰公司，其化学成分见表1.实验中所使用的主要仪器设备见表2.

表1　某电解锰公司锰渣化学成分

表2　实验主要仪器和设备

续表2

成品烧制的试验过程为：成品烧制过程中按比例投加配料(抗高温黏性土壤、黏合剂、骨料)与锰矿粉，混合并加水搅拌均匀后压实成型形成广场砖毛坯，静止后再进行低温干燥；在智能高温箱式马弗电炉中高温烧制1.5 h后测定；参照断裂模数和破坏强度的测量标准，使用液压式万能材料试验机测试成品抗压强度.

2结果与讨论

2.1锰矿渣质量分数对成品抗压强度的影响

相同掺入量下的几种不同种类的锰矿粉质量分数对烧制成品抗压强度影响关系如图1所示.图中横坐标表示锰矿粉质量分数，本次试验分别选取了质量分数为5%、15%、25%、35%和45%的锰矿粉进行试验；纵坐标表示烧制成品抗压强度.从图中可以看出，锰矿粉质量分数在5%～45%的范围内的95目锰矿粉抗压强度在5～40 MPa之间变化，31目锰矿粉的抗压强度在0～30 MPa之间变化，随着锰矿粉质量分数的增加，抗压强度在逐渐降低，质量分数在25%时抗压强度较低并趋于平缓.就95目锰矿粉而言，当干锰矿粉质量分数从5%增大到35%时，其烧制成品抗压强度降低69.23%；就31目锰矿粉而言，当干锰矿粉质量分数从5%增大到35%时，其烧制成品抗压强度则降低80.00%.由此可知：在加入砖块中的锰矿粉质量分数一样时，锰矿粉颗粒粒径越大，成品抗压强度越低；反之，粒径越小，成品抗压强度越高.

针对上述结论做出相应的试验发现：锰矿渣本身含有的有机杂质在烧制过程中产生孔洞，由于粒径大的锰矿渣中含有的有机成分较多，故而产生的孔洞也随之增多，导致锰矿渣颗粒间缝隙增加，颗粒间的作用力大大降低.由此得出以下结论：随着锰矿渣粒径的增大，其所含的杂质也增多，进而孔洞明显增加，颗粒间结合力明显降低并最终导致抗压强度降低更多；而锰矿渣颗粒粒径较小时，其杂质的含量也较少，所产生的孔洞也就减少很多，最终烧制成品颗粒的结合力较高，成品外观也较致密，抗压强度也较高.试验完结后发现图1中两种粗细粒径的锰矿渣的烧制成品均存在明显裂纹，究其原因是：由于锰矿渣粉烧失量很大，烧制过程中锰矿渣相互挤压发生较大变形，进而产生裂纹.检测结果是该矿渣所生产的砖块质量均不合格.针对这一弊端可采取如下措施：在成品烧制过程中投放长石粉来促使配料融合，从而使得成品外观光滑无痕.此外，从试验结果可以推断出随着锰矿粉中长石粉含量的增加，成品的表面裂纹愈发得到改善，当长石粉的掺入量达到一定的范围后，烧制成品表面几乎没有肉眼可以观察到的裂纹.然而长石粉的掺入量超过某一特定的范围后，其烧制产品的抗压强度随长石粉的掺入量的增加反而略微下降.因此，想要得到较为完善的烧制成品则需要严格地将长石粉的掺入量控制在一定的范围内.经过实验研究，锰矿渣的质量分数在6%～15%范围内为宜.

2.2成品成型因素的影响

影响成品烧制的主要因素是含水率与压实强度，而满足这2个条件要求是烧制成型的关键.

2.2.1毛坯含水率对成品抗压强度的影响

试验中采用半干压成型试件，针对毛坯含水率对烧制成品的抗压强度的影响做出相应试验并得出实验结果，如图2所示.图中横坐标表示含锰矿粉的毛坯含水率，本次试验分别采取了毛坯含水率为6%、11%、16%和21%进行试验；纵坐标表示烧制成品抗压强度.从图中可以看出，毛坯含水量在6%～21%的范围内，95目锰矿粉强度在13～20 MPa范围内，31目锰矿粉的强度在12.5～15 MPa范围内，且烧制成品的抗压强度随着含水率的增加而逐渐增大.由此可推断，颗粒粒径较小的锰矿粉比粒径较大的锰矿粉烧制成品抗压强度的增加更为明显，就95目煤矿粉而言，当含锰矿粉的毛坯含水率从6%增大到16%时，其烧制成品抗压强度增加到19.5%；就31目煤矿粉而言，其烧制成品抗压强度增加到13.4%.究其原因可知当水分在一定范围内增多时，有利于促进成品配料的充分混合，使得成品各组分性质更趋于一致.而当含水率超过一定范围之后会导致压制过程中有水渗出，且烧制的成品会黏着在模块上不易脱模.

2.2.2模压强度对成品抗压强度的影响

成品形成条件包括锰矿粉的含水量的多少以及压实强度的大小，它们都是烧制的首要条件.试验中采用半干法压成型实验，针对锰矿粉含水率对烧制成品的抗压强度的影响问题，做出相应试验，并得出实验结果，如图3所示.图中以横坐标表示成品模压强度，本次试验的成品模压强度分别为26，36，46，56 MPa；纵坐标表示烧制成品抗压强度.从图中可以看出，成品成型模压强度在12～18 MPa的范围内，95目矿粉强度在14.9～16 MPa范围内，31目矿粉的强度在12～16.5 MPa范围内.就不同粒径大小的31目与95目锰矿粉而言，随着模压强度由26 MPa增大至46 MPa时，其烧制成品的抗压强度分别增大37.5%与18.6%；当模压强度超过46 MPa，烧制成品抗压强度几乎不会随着模压强度的增加而变化.由此可见，在一定的模压强度范围内，烧制成品抗压强度随着成品模压强度的增加而增强，此推论与以往试验得出的增大成品压实强度有利于改善成品的表观结论相同.然而压实强度不能过高，在其达到某一数值后，试件的抗压强度就已达到一定极限，即试件的抗压强度不会随着模压强度增加而增加.经过合理分析推测认为是由于当成型压制强度增加导致试件颗粒间的缝隙减少，进而颗粒间接触面积增加，所以烧制成品的密实度也增加；但当成型压制压强达到某一特定范围后，颗粒间的间距已几乎无法再减少，所以成品密实度已经达到某一极限值，进而烧制成品抗压强度几乎没有变化.

图2　锰矿粉的毛坯含水率对成品抗压强度的影响

图3　模压强度对成品抗压强度的影响

2.3保温时间对成品抗压强度的影响

将烧制温度控制在10～300 ℃范围内，温度过高会导致坯料的分子结构等发生变化，熔点低的化合物在高温下融化后渗入填充物的缝隙内与填充颗粒融合在一起.又因为坯体是不均匀多相体系，所以试样内各组分在烧制过程中的反应类型不等，速度也不同，但为了使得胚料的各项组分速度都能趋向一致，结构趋于均一，物理化学变化趋向完全，则必须严格控制烧制最高温度后的时间.所以，对胚料烧制后的保温时间控制尤为重要.本试验针对坯料烧制后的保温时长对试件的抗压强度的影响程度进行了研究，将不同粒径和含量的四类成品分别保温2，4，6 h.如图4所示.从图中可知，经历较长的保温时间后的各种配料的烧制成品抗压强度均有所下降，由此还可推断胚料物理化学反应在2 h保温时间内已经彻底完成，而过长时间会融化胚料，影响坯体的骨架形成，最终导致力学性能降低.显然，2 h的保温时间最佳.

图4　保温时间对成品抗压强度的影响

2.4配料组成结构对成品抗压强度的影响

在烧制过程中投放较多的锰矿渣后，烧制成品的强度会显著降低，故而针对不同材料结构对烧制成品的强度产生的影响进行了研究.如图5所示.从图中可知，就复合与单一两种结构的干锰矿渣均为21.4%的粒径较小的31目配料和粒径较大的95目配料而言，其复合结构生产出的砖块强度分别增大约23.7%和22.2%.复合结构生产的砖块耐压性能均符合GB/T 4100.5—1999《中华人民共和国国家标准》规定和GB 5101—93《烧结普通砖强度等级》中MU20的强度等级要求.显而易见，复合结构比单一材料结构的抗压强度高的多，故采用复合材料的优势更大.

图5　复合结构对成品抗压强度的影响

3结论

1)在粉碎后的废弃矿渣中加入其他成分，对烧制的广场砖产生很好的效果.在其他条件相同的情况下，成品的抗压强度会随着锰矿渣粉质量分数的增加而减弱；此外，在烧制过程中投放长石粉，能减少或消除砖块的裂纹，使得砖块表面光滑无痕.

2)成品中的含水率是抗压强度的因素之一，水分在一定范围内增加时，成品抗压强度也随之增强.除此之外，压实强度也影响成品的抗压强度，成品抗压强度随压实的强度的增大而增强，然而压实强度不能过高，因为即使试件的抗压强度再高也不会再发生较大变化.

3)适当的保温时间可以增大抗压强度，但是保温时间不能太长，抗压强度不会随时间的增加而产生明显的增大.

4)采用复合结构能有效提高成品抗压性能.

参考文献：

[1] 杜军,李国云,刘仁龙,等.氧化锰矿渣改性制备SCR脱硝催化剂[J].环境工程学报,2012,6(10):3762-3766.

[2] 冉岚,刘少友,文正康.利用电解锰渣制备多孔陶瓷材料[J].非金属矿,2014,37(4):30-31.

[3] 冉岚,刘少友,文正康.电解锰渣-废玻璃低温烧结制备陶瓷砖的研究[J].无机盐工业,2014,46(7):56-58.

[4] 蒋明磊,杜亚光,杜冬云,等.利用电解金属锰渣制备硅锰肥的试验研究[J].中国锰业,2014,32(2):16-19.

[5] 高武斌,王志增,赵伟洁.电解锰渣复合Fe-Mn-Cu-Co系红外辐射材料的制备及性能研究[J].功能材料,2015,46(6):6076-6080.

[6] 陈平,姜晗,刘荣进.利用水淬锰渣制备B06级加气混凝土[J].混凝土,2015(2):142-145.

[7] 马泽峰,王广银.利用锰渣生产缓凝水泥的生产实践[J].水泥工程,2014(6):70.

[8] 张海燕,高武斌,但智钢.以山砂为骨料的电解锰渣蒸压砖工况使用强度失效问题研究[J].硅酸盐通报,2015,34(2):461-465.

(编辑徐永铭)

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

中图分类号：X799.1

文献标志码：A

文章编号：1674-358X(2016)01-0014-05

作者简介：张明胜(1964-)，男，教授，博士，博士生导师，主要从事材料科学与计算科学研究.

基金项目：中国建筑材料联合会项目(2014-M3-3)；住房和城乡建设部科技计划项目(2015-K6-018)；国家星火计划项目(2014GA690133)

收稿日期：2015-07-25