電解錳渣制備路面基層材料及其力學性能研究

宋春杰　胡松　曾祥

摘 要：采取水泥粉煤灰電解錳渣作為無機結合料的穩定碎石，探討電解錳渣摻量對于路面基層材料力學性能的影響，在兼顧經濟與質量要求的基礎上，促使電解錳渣制備路面基層材料過程中環節錳渣堆放的問題，也為電解錳渣的資源化利用提供最新的技術思路。

關鍵詞：路面基層材料；電解錳渣；力學性能；錳渣微粉

中圖分類號：TQ137.12? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2096-6903（2023）12-0110-04

0 引言

以高強度、高剛度和良好的整體性能為主導的道路基層建設工程中，普遍采用水泥穩定砂礫路面。該路面最大的缺陷是由于其自身的構造收縮較大，易引起路面表面的反射開裂。而灰穩定砂礫路面由于其初期強度較低，水穩定性較差，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定性，實現路面通行的安全性要求。

1 項目試驗材料與試驗方法

1.1 水泥

本項目選擇銅仁海螺集團的42.5號常規水泥石，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的抗壓強度是47.6 MPa，彎曲強度是7.7 MPa[1]。經測試，該膠凝材料的各項性能均滿足測試指標。

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、不規則，在戶外有輕微的凝集現象，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%。粒子形態為多角形，表層結構緊密，以粗粒子為主。在表2中列出水淬錳廢液的主要化學成份。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，就不會產生過多的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、細集料

本次粗細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連續級配，細集料均采自銅仁本地的河砂，細度模數為2.8，其屬于中砂范圍內。

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中列出其物質的化學組成。石粉形狀不規則，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，摻量主要為水泥質量的1%～2%，減水率在15%～20%，在28 d的強度可以提升20%左右。

1.6 試驗方法

錳渣混凝土制備時，由于水淬錳渣和石灰石子的顆粒非常細小，所以不需要進行粗破碎。先將其放在一個溫度為（110±5）℃的烘箱里，將其干燥到含水量低于1%，以5 kg的干料為一個單位，將它們分批地放在500 mm×500 mm的試驗小磨中進行粉磨，在沒有助磨劑的條件下，分別進行25 min和18 min的粉磨[3]。經試樣測定，其比表面為450 m2/kg、600 m2/kg。將粉碎后的錳渣細粒、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計

2.1 確定混凝土的配置強度

在對混凝土配置強度進行確定過程中，需要結合公式（1）進行取值。

結合公式（1）分析，水泥選擇P.O42.5標號，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

結合混凝土的強度公式進行分析，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數據由試驗所獲取，最終得到數據為47.5，W/C取值為0.55。該試驗所處的環境均為潮濕環境，并且沒有任何凍害表現，根據表格數據的查詢，得到最大水灰比為0.60，因此取值計算水灰比為0.55。

2.3 坍落度、骨料粒徑與用水量

本次實驗的坍落度選定在10～30 mm，石子的最大粒徑為10 mm。結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。混凝土的減水率設定為20%，進而對其實際用水量進行計算得到W為168 kg/m3。

2.4 水泥用量與砂率β的確定

結合水灰比與混凝土的用水量，對水泥用量C加以確定，其數值為281.8 kg/m3。隨后結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的質量取值為2 450 kg，結合β對砂、石的質量進行計算，具體公式見式（3）。

減水劑計算結果為5.73kg/m3。

2.6 確定最終的混凝土初步配合比

實際用水量為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 正交試驗方案

本課題擬利用正交設計方法，對摻入錳渣細粒-石灰石混合料的工作和機械特性進行實驗研究。對其進行抗壓強度的分析和研究。

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]。水膠比對錳渣細粒鈣石粉混凝土的性能有很大影響，要制備出錳渣細粒鈣石粉混凝土，應根據水膠比變化，采用相應的鈣渣細粒鈣石粉取代同等品質的水泥，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更加明顯。采用以上方法，可有效地改善復摻錳渣細磨細石灰石混凝土的工作特性及機械特性。

通過前期探索實驗，利用L9（34）正交實驗方案對混合比進行了測試，具體如表4和表5所示。

3.2 錳渣混凝土的工作性能分析

通過對不同粒徑、不同粒徑的錳渣水泥混凝土進行比較，得出錳渣細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發生不同程度的變化。在正交實驗中，對實驗結果進行更加直接的分析，并在圖1和表6中給出實驗的曲線。從圖1可以看出，對塌落程度的影響最大的是石灰石粉含量和微細錳渣含量，且以石灰石粉含量最高，微細錳渣含量次之，第3個因素是水膠比對，第4個因素是砂率[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，反而會導致其工作性能下降，且影響因素主要取決于水淬錳渣的淬火工藝及晶粒形態。

從該趨勢圖1可以看出，其最優配合是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 錳渣混凝土的力學性能研究

結合實驗結構可以明確以下4點。

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

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

第三，最好的28 d彎曲強度配比為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%的錳渣細粉，D為10%的石灰石粉。

第四，在28 d的抗壓強度中，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%的錳渣細粉和10%的石灰石粉[6]。

在對混凝土坍落度及抗折、抗壓強度不同齡期各因素影響進行正交試驗數據的基礎上（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 結束語

結合本次試驗與上述數據統計分析，本文確定路面基層材料制備的各種材料摻量數據和抗壓強度分析，最終得到各類材料摻量具體數據。結合數據可知，由電解錳渣制備的路面具有良好的穩定性和力學性能，能夠保障路面車輛通行的安全性。

參考文獻

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

[2] 譚波，劉琦，陳平.鋼渣、赤泥、電解錳渣協同制備路基水穩材料及性能研究[J].武漢理工大學學報，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性能研究[J].水利規劃與設計，2021（12）：85-87+139.

[4]黃先杰，王玥，周玨，等.聚丙烯酸鹽復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，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.黏土礦物復合材料固化電解錳渣中Mn的研究[J].環境科學與技術，2022，45（9）：57-63.

收稿日期：2023-09-01

基金項目：貴州省教育廳青年科技人才成長項目（黔教合KY字 [2018]347號）

作者簡介：宋春杰（1988—），女，天津人，碩士研究生，講師，研究方向：結構工程、地下工程。