錳渣應用研究階段性成果總結及后期研究計劃

令狐克浪 張行鵬 袁 波 胡洪麗 唐明英

貴州省公路工程集團有限公司

1 錳渣產量

貴州銅仁錳豐富，錳渣產量大，日產2000多噸，錳渣大量的產出，需要大量的土地堆放，同時重金屬由少變多的聚集，對渣源堆放地周邊的水環境和生態環境造成影響，為了減少環境污染，節約用地，對錳渣應用的研究勢在必行。

2 錳渣形態

剛出爐的錳渣黏結成塊狀，如細黏土，從表面觀初步判斷，處于塑限含水量的狀態。

3 化學成分分析

3.1 礦物質含量分析

根據表1表2兩個生產廠錳渣的化學分析初步確定，SO3含量過高，（K2O+Na2O）含量也偏高，《礦物摻合料應用技術規范》（GB 51003—2014）規定，粉煤灰SO3≦3%，鋼渣粉及粒化高爐礦渣粉等摻和料SO3≦4%，初步判定不宜用于水泥混凝土，水泥混凝土要求摻和料中SO3≦3%。

表1 銅仁松桃三和電解錳渣

3.2 電解錳渣浸出毒性測試

根據我國固體廢棄物浸出毒性的測試方法（HJ 557—2010）。對電解錳渣進行浸出毒性測試，以純水為浸取劑，且電解錳渣與純水質量比為1:10，（純水密度為1g/cm3）常溫下，樣品在110±10min-1轉速條件下浸出8h，放置16h，過濾，檢測濾液中各物質的濃度。由表2可知，電解錳渣浸出液中主要含有Mn2+、NH3+-N、Ca2+、Mg2+，其中電解錳渣浸出液中重金屬Cu、Zn、Cr、Co、Sb、Cd、Sn、Pb等離子的含量均低于國家污水排放標準，而Mn2+和NH3+-N浸出液濃度分別為1187.71mg/L、396.49mg/L，其含量遠超《污水綜合排放標準》（GB 8978—1996）。

表2 銅仁大龍西能硫酸錳渣

表3 電解錳渣浸出測試

4 Mn2+和NH3-N超標問題處理方法

由于貴州土質多屬于黏土，黏土對Mn2+和NH3-N均有一定的吸附作用，擬采用1層黏土1～3層（試驗確定）錳渣的填筑方式，下層的黏土把上層錳渣滲出的Mn2+和NH3-N吸附，解決了Mn2+和NH3-N對環境造成的危害。

5 錳渣作為路基填料研究試驗

錳渣來源，貴州省銅仁市三和錳業棄渣場，直接從運渣輸送帶上取樣。

試驗方法，所有檢測指標均是根據《公路土工試驗規程》（JTGF40—2007）進行試驗的結果，最大干密度和最佳含水量采濕法試驗，同時采用重型擊實和輕型擊實兩種方式互相驗證。CBR采用的是重型擊實試驗。

5.1 用于路基填料初步試驗成果

根據《公路工程地質勘察規范》（JTGC 20—2011）判斷，三和錳渣液限指數為IL=0.04，0＜IL≦0.25屬于硬塑黏性土；自由膨脹率為F a=7.77%，Fa＜40%屬于非膨脹土；根據《公路路基施工技術規范》（JTG 3610—2019）規定，CBR強度為22.8%，大于8%，所檢指標滿足路基填料要求，可作為路基各層的填料（見表1）。作為路基填料時，錳渣的天然含水量接近塑限含水量，滿足路基填筑壓實要求，便于施工。（注意各類錳渣的性能是不同的，需要以試驗數據為準，如西能的硫酸錳渣最大干密度1.33，CBR=21.4%，0.045mm的累計篩余（細度）28.3%）。

6 水泥錳渣穩定土和石灰錳渣穩定土研究試驗成果

(1）細集料：細度模數據3.0，級配為I區的機制砂，石粉含量11%，不含泥，亞甲藍＜1.4，母材抗壓強度80MPa。

（2）粗集料：最大粒徑25mm，5～20mm的連續級配，母材抗壓強度80MPa，不含泥。

（3）水泥：紅獅牌PO 42.5水泥。

（4）錳渣：三和錳業直接廢棄的錳渣，采用水洗法進行細度試驗0.075mm的篩余為5.3%，0.045mm的累計篩余（細度）12.5%。

（5）7天無側限強度試驗方法。由于天然錳渣很難烘干，且烘干后也是塊狀，需要磨細才能使用，考慮烘干-磨細過程需要成本較大。把天然含水量的錳渣塊烘干后進行試驗。試驗時的拌和方法如下：①水泥錳渣穩定土試驗拌和方法，先把不同摻量的錳渣按比例稱好，再按比例加水浸泡后攪拌成錳渣漿體，然后加入已拌和好的水泥砂石混合料中進行拌和，拌和時間需要2min～4min，錳渣摻量越高拌和時間越長，做7天無側限抗壓強度試件。②石灰錳渣穩定土試驗拌和方法，生石灰、錳渣、水、按比例拌和成二灰漿，二灰將再與砂石按比例拌和成二灰土，做7天、28天、60天的無側限抗壓強度。

（6）7天無側限抗壓強度試驗結果。在試驗過程中，保持拌和物的施工性能（干濕度）與未加錳渣的拌和物性能一致，每增加3%的錳渣，就要增加水0.52%。

①水泥錳渣穩定土試驗結果顯示（表5），水泥用量不變，增加錳渣會降低7天強度，錳渣的增加在15%以內，7天無側限強度沒變化不大，如果錳渣增加到20%以上，由于用水量大量增加，水與水泥的比例增加，導致7天無側限抗壓強度降低；如（表5）中，水泥+錳渣=2%+15%與水泥+錳渣=5%+20%的7天抗壓強度相等，均為4MPa，如果保持7天強度一致，錳渣摻量大于20%，對水泥的消耗增大，不節約成本；增加錳渣摻量，能改善拌和物的施工性能，但降低早期強度，減少錳渣摻量可以提高早期強度，并節約成本。因此在使用時，根據需要，選擇錳渣摻量。

表4 錳渣作為填料時路用性能試驗結果

表5 水泥錳渣穩定土試驗數據

②石灰錳渣穩定土試驗數據顯示（表6），7天強度低，后期強度隨齡期延長而增長，

表6 石灰錳渣穩定土試驗數據

根據以上初步試驗成果，說明錳渣在公路工程中是有一定使用價值的，但還需進一步試驗研究證明它的穩定性和對環境的影響。

7 下步研究試驗計劃

前期的試驗結果，只能說明錳渣各項指標滿足《公路路基施工技術規范》（JTG/T 3610—2019）對路基填料的技術要求；滿足《公路路面基層施工技術細則》（JTGF20—2015）中7天無側限抗壓強度要求；作為填料對環境影響方面未說清楚，作為膠材產生的收縮膨脹對路面基層后期造成破壞未說清，作為膠材后期強度發展趨勢未說清楚，因此還需要完成以下試驗。

7.1 中期試驗計劃

（1）錳渣填料的路用性能試驗：對西能廠的硫酸錳渣進行路用性能各項指標檢測，包括用于填方的性能指標，和用于路面的性能指標。

（2）浸出毒性測試：為了防止錳渣滲出液對環境造成污染，基于黏土對Mn2+和NH3-N離子有吸附作用來考慮，計劃采用天然含水錳渣進行試驗（與實際施工相同），黏土與錳渣分層壓實，按1:1、1:2、1:3、1:4、1:5進行分層壓實，壓實度按50%進行（壓實度過大，水滲不下去），干錳渣與水的比例按1:10的加水浸滲，檢測滲出液中的Mn2+和NH3-N含量及其他有害物質含量，以便確定路基分層填筑方案。

(3）無側限抗壓強度：固定水泥摻量為3%，分別摻入最大干密度的5%、10%、15%、20%、25%的錳渣，每增加5%的錳渣，砂率降低1%、2%，測7天、28天、60天強度，找強度發展規律。

（4）干縮試驗：固定水泥摻量為5%，分別摻入最大干密度的10%、15%、20%、25%、30%、40%的錳渣（每增加5%的錳渣，砂率降低1%、2%），檢測穩定土的干縮值，找出導致收縮的摻量范圍。

7.2 后期試驗計劃

7.2.1 路基填方試驗段

找一段長大于200m高大于2m的路基做試驗段——根據室內試驗成果、現場情況，編寫試驗段施工方案——按方案填筑（每層檢測壓實度）——填筑完成后在路基底部及頂部設沉降觀測點，路基底部設積水檢測點——檢測沉降數據和積水的有害物質含量——總結成果。

7.2.2 路面基層試驗段

可以在路基試驗段上做路面基層試驗段——根據室內試驗成果、現場情況編寫試驗段施工方案——按方案施工（檢測壓實度和7天無側限強度）——養護——鉆芯檢測強度——檢查基層表面是否產生裂紋——營運一段時間后路面情況——總結。

8 結束語

通過初步研究，確認錳渣的各項指標滿足公路填料及路面基層的基本要求，為后期研究奠定了基礎，增強了研究信心。