電解錳渣制備路面基層材料及其力學(xué)性能研究

宋春杰　胡松　曾祥

摘 要：采取水泥粉煤灰電解錳渣作為無機(jī)結(jié)合料的穩(wěn)定碎石，探討電解錳渣摻量對(duì)于路面基層材料力學(xué)性能的影響，在兼顧經(jīng)濟(jì)與質(zhì)量要求的基礎(chǔ)上，促使電解錳渣制備路面基層材料過程中環(huán)節(jié)錳渣堆放的問題，也為電解錳渣的資源化利用提供最新的技術(shù)思路。

關(guān)鍵詞：路面基層材料；電解錳渣；力學(xué)性能；錳渣微粉

中圖分類號(hào)：TQ137.12? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-6903（2023）12-0110-04

0 引言

以高強(qiáng)度、高剛度和良好的整體性能為主導(dǎo)的道路基層建設(shè)工程中，普遍采用水泥穩(wěn)定砂礫路面。該路面最大的缺陷是由于其自身的構(gòu)造收縮較大，易引起路面表面的反射開裂。而灰穩(wěn)定砂礫路面由于其初期強(qiáng)度較低，水穩(wěn)定性較差，在地面及地下水位較高的地段，一般不適用。因此急需要一種高性能的基層路面材料來提升路基的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)路面通行的安全性要求。

1 項(xiàng)目試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 水泥

本項(xiàng)目選擇銅仁海螺集團(tuán)的42.5號(hào)常規(guī)水泥石，其組成見表1。其密度是3.020/cm3，比表面積是369 m2/kg，80 μm的篩余率是3%，橡膠砂的28 d的抗壓強(qiáng)度是47.6 MPa，彎曲強(qiáng)度是7.7 MPa[1]。經(jīng)測(cè)試，該膠凝材料的各項(xiàng)性能均滿足測(cè)試指標(biāo)。

1.2 錳渣

銅仁冶煉廠所排出的一種含錳鐵的爐渣，外表為淡綠或棕黃色，形狀松散、不規(guī)則，在戶外有輕微的凝集現(xiàn)象，其易研磨性能不好，平均顆粒直徑小于3 mm，容積為700 kg/m3，密度為2.87 g/cm3，其水分含量很高，通常為35%。粒子形態(tài)為多角形，表層結(jié)構(gòu)緊密，以粗粒子為主。在表2中列出水淬錳廢液的主要化學(xué)成份。水淬錳渣中鈣、硅、鋁等元素含量較高，與水泥的配伍性較好。如果硫磺的濃度不高，就不會(huì)產(chǎn)生過多的MnS，那么即便是在含錳高的情況下，也可以用來淬火[2]。由于水淬錳渣存在水硬化及火山灰化特性，可用作摻合料，以取代部分水泥。

1.3 粗、細(xì)集料

本次粗細(xì)集料均采為銅仁本地的礦山開采碎石，粗集料采取的粒徑為5～10 mm連續(xù)級(jí)配，細(xì)集料均采自銅仁本地的河砂，細(xì)度模數(shù)為2.8，其屬于中砂范圍內(nèi)。

1.4 石灰石屑

所述的石灰石碎片具有3 mm及其以下的顆粒尺寸、2.66 g/cm3的密度、較低的水分和較高的表面。在表3中列出其物質(zhì)的化學(xué)組成。石粉形狀不規(guī)則，表面平滑、粒度均勻，是一種理想的填料，在作為水泥和混凝土的外加劑中，有著十分良好的填充效果。

1.5 高效減水劑與化學(xué)試劑

本次采取β-萘磺酸甲醛高縮物的鈉鹽高效減水劑，摻量主要為水泥質(zhì)量的1%～2%，減水率在15%～20%，在28 d的強(qiáng)度可以提升20%左右。

1.6 試驗(yàn)方法

錳渣混凝土制備時(shí)，由于水淬錳渣和石灰石子的顆粒非常細(xì)小，所以不需要進(jìn)行粗破碎。先將其放在一個(gè)溫度為（110±5）℃的烘箱里，將其干燥到含水量低于1%，以5 kg的干料為一個(gè)單位，將它們分批地放在500 mm×500 mm的試驗(yàn)小磨中進(jìn)行粉磨，在沒有助磨劑的條件下，分別進(jìn)行25 min和18 min的粉磨[3]。經(jīng)試樣測(cè)定，其比表面為450 m2/kg、600 m2/kg。將粉碎后的錳渣細(xì)粒、石灰石粉末置于乾燥條件下貯存。

2 錳渣混凝土初步配合比設(shè)計(jì)

2.1 確定混凝土的配置強(qiáng)度

在對(duì)混凝土配置強(qiáng)度進(jìn)行確定過程中，需要結(jié)合公式（1）進(jìn)行取值。

結(jié)合公式（1）分析，水泥選擇P.O42.5標(biāo)號(hào)，σ取值為5.0，fcu.k取值為30，得到fcu≥38.225。

2.2 水灰比（W/C）的初步確定

結(jié)合混凝土的強(qiáng)度公式進(jìn)行分析，具體公式見式（2）。

碎石集料中的A取值為0.46，B取值為0.07，fc數(shù)據(jù)由試驗(yàn)所獲取，最終得到數(shù)據(jù)為47.5，W/C取值為0.55。該試驗(yàn)所處的環(huán)境均為潮濕環(huán)境，并且沒有任何凍害表現(xiàn)，根據(jù)表格數(shù)據(jù)的查詢，得到最大水灰比為0.60，因此取值計(jì)算水灰比為0.55。

2.3 坍落度、骨料粒徑與用水量

本次實(shí)驗(yàn)的坍落度選定在10～30 mm，石子的最大粒徑為10 mm。結(jié)合坍落度和碎石的最大粒徑去頂混凝土的用水量W為210 kg/m3。混凝土的減水率設(shè)定為20%，進(jìn)而對(duì)其實(shí)際用水量進(jìn)行計(jì)算得到W為168 kg/m3。

2.4 水泥用量與砂率β的確定

結(jié)合水灰比與混凝土的用水量，對(duì)水泥用量C加以確定，其數(shù)值為281.8 kg/m3。隨后結(jié)合水灰比和骨料的最大粒徑，確定砂率β為37%。

2.5 確定砂用量與石用量

混凝土在1 m3的質(zhì)量取值為2 450 kg，結(jié)合β對(duì)砂、石的質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算，具體公式見式（3）。

減水劑計(jì)算結(jié)果為5.73kg/m3。

2.6 確定最終的混凝土初步配合比

實(shí)際用水量為168 kg/m3，水泥用量為381.8 kg/m3，水灰比為0.44，砂用量為701 kg/m3，石用量為1 193 kg/m3，減水劑為5.73 kg/m3，砂率為37%。

3 錳渣混凝土的研制

3.1 正交試驗(yàn)方案

本課題擬利用正交設(shè)計(jì)方法，對(duì)摻入錳渣細(xì)粒-石灰石混合料的工作和機(jī)械特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。對(duì)其進(jìn)行抗壓強(qiáng)度的分析和研究。

摻入錳渣微粉混凝土是由水泥、錳渣微粉和石灰石粉組成的一種新型混凝土。含有石，沙，水，外加劑的成分[4]。水膠比對(duì)錳渣細(xì)粒鈣石粉混凝土的性能有很大影響，要制備出錳渣細(xì)粒鈣石粉混凝土，應(yīng)根據(jù)水膠比變化，采用相應(yīng)的鈣渣細(xì)粒鈣石粉取代同等品質(zhì)的水泥，并在其中適量添加超塑化劑。隨著砂比變化，水泥各組份的作用會(huì)更加明顯。采用以上方法，可有效地改善復(fù)摻錳渣細(xì)磨細(xì)石灰石混凝土的工作特性及機(jī)械特性。

通過前期探索實(shí)驗(yàn)，利用L9（34）正交實(shí)驗(yàn)方案對(duì)混合比進(jìn)行了測(cè)試，具體如表4和表5所示。

3.2 錳渣混凝土的工作性能分析

通過對(duì)不同粒徑、不同粒徑的錳渣水泥混凝土進(jìn)行比較，得出錳渣細(xì)粒水泥混凝土的最高允許值為25 mm，最低允許值為13 mm，滿足了10～30 mm的坍落度要求。

在不同的摻入率下，混凝土的坍落度也會(huì)發(fā)生不同程度的變化。在正交實(shí)驗(yàn)中，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行更加直接的分析，并在圖1和表6中給出實(shí)驗(yàn)的曲線。從圖1可以看出，對(duì)塌落程度的影響最大的是石灰石粉含量和微細(xì)錳渣含量，且以石灰石粉含量最高，微細(xì)錳渣含量次之，第3個(gè)因素是水膠比對(duì)，第4個(gè)因素是砂率[5]。與粉煤灰等外加劑相比，水淬錳渣的加入并不能提高其工作性能，反而會(huì)導(dǎo)致其工作性能下降，且影響因素主要取決于水淬錳渣的淬火工藝及晶粒形態(tài)。

從該趨勢(shì)圖1可以看出，其最優(yōu)配合是A3-B1-C1-D3，即水膠比為0.48%，砂率為34%，錳渣微粉的比例為20%，石灰石的比例為20%。

3.3 錳渣混凝土的力學(xué)性能研究

結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)可以明確以下4點(diǎn)。

第一，在4個(gè)因素中，錳渣細(xì)粉和石灰石粉的摻入量對(duì)水泥的抗彎性能有較大的作用。其中錳渣細(xì)粉的摻入量、水膠比對(duì)和沙率的作用最大。

第二，水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度與水泥砂漿中的水泥石粉及水泥砂漿的比例有關(guān)，其中水泥砂漿中水泥砂漿的比例對(duì)水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度起著重要作用，水泥砂漿的比例其次，水泥砂漿的比例對(duì)水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度的作用最小。

第三，最好的28 d彎曲強(qiáng)度配比為A2-B1-C3-D1，即A為0.44的水膠比值，B為34%的沙粒含量，C為40%的錳渣細(xì)粉，D為10%的石灰石粉。

第四，在28 d的抗壓強(qiáng)度中，以A1-B1-C1-D1的最佳配合比例是A為0.40的水膠比值，B為34%的沙含量，C為20%的錳渣細(xì)粉和10%的石灰石粉[6]。

在對(duì)混凝土坍落度及抗折、抗壓強(qiáng)度不同齡期各因素影響進(jìn)行正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上（如表7），可以得到雙摻微粉混凝土配合比最佳組合為A2-B1-C3-D1，也就是水膠比為0.44，砂率為34%，錳渣微粉摻量為40%，石灰石粉摻量為10%。以水泥為192 kg/m3、錳渣細(xì)粉為154 kg/m3、石粉為38 kg/m3、卵石為1 252 kg/m3、砂為645 kg/m3、水為169 kg/m3、減水劑為5.8 kg/m3。

4 結(jié)束語

結(jié)合本次試驗(yàn)與上述數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，本文確定路面基層材料制備的各種材料摻量數(shù)據(jù)和抗壓強(qiáng)度分析，最終得到各類材料摻量具體數(shù)據(jù)。結(jié)合數(shù)據(jù)可知，由電解錳渣制備的路面具有良好的穩(wěn)定性和力學(xué)性能，能夠保障路面車輛通行的安全性。

參考文獻(xiàn)

[1] 張先偉，高永紅，王平，等.電解錳渣-生活垃圾焚燒底渣協(xié)同制備路面基層材料試驗(yàn)研究[J].硅酸鹽通報(bào)，2023，42 （4）：1363-1373.

[2] 譚波，劉琦，陳平.鋼渣、赤泥、電解錳渣協(xié)同制備路基水穩(wěn)材料及性能研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2021，43（8）：51-56.

[3] 李宇，方琴，郭玉蘭，等.電解錳渣制備路面基層材料及其力學(xué)性能研究[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2021（12）：85-87+139.

[4]黃先杰，王玥，周玨，等.聚丙烯酸鹽復(fù)合電解錳渣膠凝材料的防滲性能研究[J].金屬礦山，2023（1）：283-288.

[5] 付德進(jìn)，王海峰，勾碧波，等.電解錳渣洗液可控制備類球形Mn3O4的研究[J].礦冶工程，2023，43（2）：135-139.

[6] 熊鑫，謝更新，晏銘，等.黏土礦物復(fù)合材料固化電解錳渣中Mn的研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2022，45（9）：57-63.

收稿日期：2023-09-01

基金項(xiàng)目：貴州省教育廳青年科技人才成長(zhǎng)項(xiàng)目（黔教合KY字 [2018]347號(hào)）

作者簡(jiǎn)介：宋春杰（1988—），女，天津人，碩士研究生，講師，研究方向：結(jié)構(gòu)工程、地下工程。