骨料和纖維種類對錳渣加氣混凝土性能的影響

董雙快，卞慧昕，吳福飛，陳亮亮

（1.貴州師范大學 教務處，貴州 貴陽 550025；2.貴州師范大學 材料與建筑工程學院，貴州 貴陽 550025；3.重慶水利電力職業技術學院，重慶 402160）

0 前 言

目前，主要通過電解硫酸錳溶液的方法提取金屬錳，該方法產渣量大，且隨著碳酸錳礦石品位的降低而增大。研究數據表明[1-2]：我國碳酸錳礦石品位普遍較低（10%～16%），平均每生產1 t 電解金屬錳產渣量高達9～11 t，每年新增電解錳渣約2000 萬t，歷年累積已超過5000 萬t，堆存量巨大，不僅占用大量土地，而且對地下水及土壤帶來嚴重的污染[3]。目前，貴州地礦局發現的錳礦床達6 億多t，占全國60%以上[4]，如此多的錳礦一旦開發，將產生近66 億t 廢渣，對環境危害極大。我國是全球最大的電解錳生產國和消費國[5]，生產總能力占世界98%。許多學者和研究人員對電解錳渣資源化利用做了大量的研究，主要集中體現在以下4 個方面[6-13]：（1）采用水洗分離法及微生物浸出法對有價金屬錳再回收；（2）利用錳渣中含有的硒、氨、氮、鉀、鈉、鐵、硼等元素和有機質制作化肥；（3）制備陶瓷材料及墻體材料；（4）研制復合膠凝材料及水泥添加劑。就目前取得的研究成果來看，錳渣的應用并沒有得到有效的推廣，利用量小，且多數停留在試驗階段，錳渣堆存或填埋依然是其主要處理方式。

為了緩解這一問題，本研究首先通過試驗確定大摻量錳渣加氣混凝土的配合比，在此基礎上，討論粉煤灰、加氣混凝土細砂等質量和玻化微珠等體積代替硅砂，分析其對加氣混凝土干密度和抗壓強度的影響。另外，進一步討論外摻稻草葉纖維、稻草桿纖維、竹筋纖維和聚丙烯纖維對加氣混凝土干密度、抗壓強度、抗折強度和吸水量的影響，為廢渣和農作物秸稈制備加氣混凝土提供參考。

1 試驗

1.1 主要原材料

錳渣：黑色，顆粒細小（＜80 μm），泥糊狀的粉體物質，pH值為5.90，呈弱酸性，含水率約19.8%，在露天堆放過程中受雨水影響含水率更高，甚至成漿體狀，化學成分見表1。

水泥：P·O42.5，堯柏水泥，比表面積375 m2/kg、標準稠度27.1%、密度3.02 g/cm3，采用試餅法測試安定性為合格，化學成分見表1。

表1 錳渣、水泥和粉煤灰的化學成分 %

硅砂：中砂，磨細至比表面積為420～425 m2/kg。

纖維材料：竹筋纖維用整棵竹子破開然后搗碎，制成0.3～0.5 mm 細絲。稻草秸稈纖維采用收割完稻子后的秸稈，經過人工搗碎成1～3 mm。稻草葉纖維采用收割完稻子后的葉，其寬度為3～5mm。聚丙烯纖維的密度為0.91 g/cm3，當量直徑為34 μm，斷裂強度590 MPa。

脫硫石膏：通過200 ℃的烘箱中烘干6 h，經“碾槽”或“研缽”進行粉磨，過0.075 mm 篩。

石灰：無定形白色粉末固體，比表面積為380～385 m2/kg，有效CaO 含量為95.3%，消解時間為13 min，消解溫度為88℃，MgO 含量為3.6%。

鋁粉膏：市售，活性鋁含量為96%，0.4 mm 方孔篩篩余為2.4%，5、10、25 min 的發氣率分別為54.3%、86.1%、99%。

玻化微珠：輕質骨料，具有絕熱、防火、吸聲等特征，堆積密度為90 kg/m3，體積吸水率為40%，體積漂浮率為90%。

加氣混凝土細砂：利用加氣混凝土邊角料經過研磨制成，直徑小于1 mm。

電力系統的整體運行和規劃正受到各種科學技術發展的沖擊，面臨著各種各樣的問題。而這不正是工程師們大展拳腳的好機會么？

1.2 試驗方案與試驗方法

經過多次試拌，確定加氣混凝土配合比為m（水泥）∶m（粉煤灰）∶m（錳渣）∶m（石灰）∶m（鋁粉膏）∶m（硅砂）=12∶40∶12∶2∶0.12∶34。在此基礎上，采用粉煤灰、加氣混凝土細砂等質量替代硅砂、玻化微珠等體積替代硅砂，成型70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 的立方體試件，測試其密度和抗壓強度。再采用0.5%～2.0%的竹筋纖維、稻草秸稈纖維、稻草葉纖維和聚丙烯纖維摻入基準配合比中，進一步討論4種纖維對錳渣加氣混凝土密度、強度和吸水量的影響規律。

2 試驗結果與分析

2.1 骨料種類對加氣混凝土性能的影響

2.1.1 錳渣加氣混凝土的干密度

粉煤灰、加氣混凝土細砂和玻化微珠對加氣混凝土干密度的影響如圖1所示。

圖1 骨料對錳渣加氣混凝土干密度的影響

由圖1 可見，隨著粉煤灰和玻化微珠的摻入，加氣混凝土的干密度不斷降低。當摻量為50%時，加氣混凝土的干密度比對照組分別降低了18%和16%。隨加氣混凝土細砂摻量的增加，加氣混凝土的干密度呈先增加后降低的趨勢。加氣混凝土細砂摻量為20%時，加氣混凝土干密度比對照組降低了6%；摻量為50%時，加氣混凝土干密度比對照組增加了18%。對比3種骨料的試驗結果發現，玻化微珠對加氣混凝土干密度的降低作用較大。

2.1.2 錳渣加氣混凝土的抗壓強度

粉煤灰、加氣混凝土細砂和玻化微珠對加氣混凝土抗壓強度的影響如圖2所示。

由圖2 可見，隨粉煤灰、加氣混凝土細砂和玻化微珠摻量的增加，加氣混凝土的抗壓強度降低率不斷增加。骨料摻量從10%增加到50%時，粉煤灰加氣混凝土抗壓強度比對照組降低6.5%～52.3%；加氣混凝土細砂加氣混凝土抗壓強度比對照組降低15.7%～58.2%；玻化微珠加氣混凝土抗壓強度比對照組降低20.9%～62.7%。3種骨料對加氣混凝土抗壓強度的影響順序為：玻化微珠＞加氣混凝土細砂＞粉煤灰。當骨料摻量為50%時，玻化微珠加氣混凝土抗壓強度的降低率比加氣混凝土細砂加氣混凝土高7.7%，比粉煤灰加氣混凝土高19.9%。

圖2 骨料對錳渣加氣混凝土抗壓強度的影響

綜合上述，粉煤灰和玻化微珠替代硅砂后雖能降低錳渣加氣混凝土的干密度，但也大幅度地降低了錳渣加氣混凝土的抗壓強度。加氣混凝土細砂錳渣加氣混凝土干密度的影響雖有不同，但大幅度地降低了錳渣加氣混凝土的抗壓強度。由于上述3種骨料對錳渣加氣混凝土的抗壓強度影響較大，因此不適合用作錳渣加氣混凝土的骨料使用。

2.2 纖維種類對錳渣加氣混凝土的影響

2.2.1 錳渣加氣混凝土的干密度

4種纖維對加氣混凝土干密度的影響如圖3所示。

圖3 纖維對錳渣加氣混凝土干密度的影響

由圖3 可見，摻入4種纖維均在一定程度上降低了錳渣加氣混凝土的干密度，摻量越大，干密度的降低也越大。纖維摻量從0.5%增大到2.0%時，稻草葉纖維錳渣加氣混凝土、稻草桿纖維錳渣加氣混凝土、竹筋纖維錳渣加氣混凝土、聚丙烯纖維錳渣加氣混凝土的干密度比對照組分別降低1.8%～7.8%、2.7%～12.0%、4.3%～14.0%、6.3%～16.0%。4種纖維對干密度的影響順序為：聚丙烯纖維＞竹筋纖維＞稻草桿纖維＞稻草葉纖維，干密度降低率最大相差超過8.2 個百分點。因此，在選用纖維時，可采用稻草和竹子進行加工，達到降低成本和利用農作物秸稈的目的。

2.2.2 錳渣加氣混凝土的抗壓強度

4種纖維對加氣混凝土抗壓強度的影響如圖4所示。

圖4 纖維對錳渣加氣混凝土抗壓強度的影響

由圖4 可見，摻入4種纖維均在一定程度上提高了錳渣加氣混凝土的抗壓強度，摻量越大，其抗壓強度越高。這主要是纖維摻入后，提高了錳渣加氣混凝土內壁的密實度和連接力，進而將各細小的顆粒連接在一起，因此，其抗壓強度高于對照組。纖維摻量從0.5%增大到2.0%時，稻草葉纖維錳渣加氣混凝土、稻草桿纖維錳渣加氣混凝土、竹筋纖維錳渣加氣混凝土、聚丙烯纖維錳渣加氣混凝土的抗壓強度比對照組分別提高了9%～28%、11%～32%、12%～38%、18%～44%。4種纖維對抗壓強度的影響順序為：聚丙烯纖維＞竹筋纖維＞稻草桿纖維＞稻草葉纖維，抗壓強度增長率最大相差不超過16 個百分點。這主要4種纖維不同，單根受力不同，相對而言，稻草葉的抗拉能力最小，聚丙烯纖維的抗拉能力最大。因此，在選擇纖維時，若相對要求不高，可選擇稻草秸稈纖維，實現提高加氣混凝土的抗壓強度。

2.2.3 錳渣加氣混凝土的抗拉強度

4種纖維對加氣混凝土抗拉強度的影響如圖5所示。

圖5 纖維對錳渣加氣混凝土抗拉強度的影響

由圖5 可見，摻入4種纖維均在一定程度上提高了加氣混凝土的抗拉強度，且隨4種纖維摻量的增加，抗拉強度逐漸提高。纖維摻量從0.5%增大到2.0%時，稻草葉纖維錳渣加氣混凝土、稻草桿纖維錳渣加氣混凝土、竹筋纖維錳渣加氣混凝土、聚丙烯纖維錳渣加氣混凝土的抗拉強度比對照組分別增加了2%～23%、9%～28%、11%～34%、14%～38%。4種纖維對抗拉強度的影響順序為：聚丙烯纖維＞竹筋纖維＞稻草桿纖維＞稻草葉纖維。從4種纖維摻量對加氣混凝土干密度、抗壓強度、抗拉強度的影響規律發現，隨著纖維摻量的增加，錳渣加氣混凝土抗壓強度與抗拉強度均呈提高的趨勢，但干密度呈降低的趨勢。可見，纖維的摻入有利于改善錳渣加氣混凝土的性能。因此，在錳渣加氣混凝土中摻入農作物秸稈，既能改善加氣混凝土的性能，也能解決農作物的堆存和使用問題。

2.2.4 錳渣加氣混凝土的吸水量

4種纖維對加氣混凝土吸水率的影響如圖6所示。

圖6 纖維對錳渣加氣混凝土吸水量的影響

由圖6 可見，摻入4種纖維均在一定程度上增加了加氣混凝土的吸水量，且隨4種纖維摻量的增加，其吸水量增加率逐漸增大，當摻量達到2%時，吸水量增加率最大。纖維摻量從0.5%增大到2.0%時，稻草葉纖維錳渣加氣混凝土、稻草桿纖維錳渣加氣混凝土、竹筋纖維錳渣加氣混凝土、聚丙烯纖維錳渣加氣混凝土的吸水量分別比對照組增加了6.38%～12.31%、1.69%～6.12%、0.79%～3.96%、7.22%～13.30%。4種纖維對錳渣加氣混凝土吸水量的影響順序為：聚丙烯纖維＞稻草葉纖維＞稻草桿纖維＞竹筋纖維。這主要是因為4種纖維對水的吸附能力不同，聚丙烯纖維本身雖不吸水，但是其長細比較大，對水的傳導能力較強，導致其吸水量較大。通常植物的葉比桿吸水能力強，因此，稻草葉纖維錳渣加氣混凝土的吸水量高于稻草桿纖維加氣混凝土。

綜合上述，通過對4種纖維的研究發現，稻草葉纖維、稻草桿纖維、竹筋纖維能降低加氣混凝土的干密度，同時增強其抗壓強度和抗拉強度。因此，采用生物秸稈纖維和錳渣制備錳渣加氣混凝土，既能大量使用錳渣，也能使用農作物生物秸稈，從而降低加氣混凝土的成本。

3 結論

（1）粉煤灰、玻化微珠和加氣混凝土細砂替代硅砂，雖然能夠降低錳渣加氣混凝土的干密度，但是卻大幅度降低了錳渣加氣混凝土的抗壓強度，因此不適合用作錳渣加氣混凝土骨料使用。

（2）稻草葉纖維、稻草桿纖維、竹筋纖維和聚丙烯纖維摻入錳渣加氣混凝土，纖維摻量從0.5%增大到2.0%時，其干密度降低了1.8%～16.0%，抗壓強度提高了9%～44%，抗拉強度提高了2%～38%，吸水量增加了0.79%～13.30%。由此可見，這4種纖維既能降低加氣混凝土的干密度，同時也能增強其抗壓強度和抗拉強度，其影響作用大小排序為：聚丙烯纖維＞竹筋纖維＞稻草桿纖維＞稻草葉纖維。4種纖維能增加錳渣加氣混凝土的吸水量，其影響作用大小排序為：聚丙烯纖維＞稻草葉纖維＞稻草桿纖維＞竹筋纖維。

（3）采用生物秸稈纖維和錳渣制備加氣混凝土，既能大量使用錳渣，也能使用農作物生物秸稈，同時達到降低加氣混凝土成本的目的。