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水淬錳渣在建筑材料中綜合利用研究現(xiàn)狀論文
1 引言
水淬錳渣是錳礦石冶煉生鐵過程中排出的工業(yè)廢渣，也叫錳鐵合金渣，是在高溫熔融狀態(tài)下經(jīng)水淬急冷形成的一種錳含量比普通高爐礦渣高的礦渣。由于我國錳鐵礦品味較低、雜質(zhì)含量高、礦床規(guī)模小、可選性差等特點，在錳鐵合金冶煉過程中產(chǎn)生了大量的水淬錳渣，水淬錳渣產(chǎn)生量約為錳鐵合金產(chǎn)量的2～2.5倍，年產(chǎn)生約1800萬t水淬錳渣，貴州省每年水淬錳渣排放量大約300萬t。
由于現(xiàn)有技術(shù)還不完善，水淬錳渣的綜合利用比例較低，水淬錳渣大部分采用堆填處理。隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展，環(huán)保要求越來越高越來越嚴格，水淬錳渣必須進行無害化資源化處理。因此，如何高效高附加值地回收利用水淬錳渣成為現(xiàn)在亟需解決的問題。水淬錳渣的綜合利用對鋼鐵冶煉工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展及循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展有著非常重要的影響。
2 水淬錳渣的性質(zhì)
水淬錳渣外觀淺綠色、綠色或深棕色，呈疏松不規(guī)則顆粒狀，易磨性差，松散容重700～900 kg/m3，密度2500～2800 kg/m3，含水量較高，一般在40%左右。我國部分地區(qū)水淬錳渣的化學(xué)成分見表1。
不同產(chǎn)地的水淬錳渣化學(xué)成分略有不同，水淬錳渣化學(xué)成分以SiO2和CaO為主，兩者含量之和占到50%以上，部分高達80%，其次是Al2O3、MgO、MnO、Fe2O3等。水淬錳渣主要礦物組成以玻璃體為主（約占85%以上），還有鎂薔薇輝石、錳鈣輝石、鈣鋁黃長石、硅酸二鈣以及少量的硅酸三鈣。水淬錳渣含有硅酸二鈣和鎂薔薇輝石等活性或潛在水凝性和火山灰性物質(zhì)，因此水淬錳渣可作為混凝土摻合料和水泥混合材使用。
水淬錳渣由一些形狀不規(guī)則的多孔非晶質(zhì)顆粒組成，粒徑主要集中在0.25～5 mm，錳渣的有害元素均未超過排放標準，放射性符合GB6566-2011《建筑材料放射性核元素限量》要求，可用于生產(chǎn)建筑物室內(nèi)、外飾面用的建筑材料，以及用于制備室外地磚的建筑材料。
3 水淬錳渣的綜合利用研究現(xiàn)狀
3.1 水淬錳渣用于混凝土研究
水淬錳渣經(jīng)機械激發(fā)、化學(xué)激發(fā)或機械-化學(xué)激發(fā)等激發(fā)活性后，水淬錳渣微粉具有較高活性（可達S75級以上），其在混凝土中的摻量也隨之增加。目前水淬錳渣微粉已逐漸被商品混凝土市場所認可，但由于對水淬錳渣微粉用作混凝土摻合料的研究和認識不足，其在混凝土中的摻量還很低，在工程應(yīng)用中僅占膠凝材料總量的10%左右。
水淬錳渣微粉對混凝土拌合物性能、力學(xué)性能和耐久性能均有較大影響。王一靚等[1]經(jīng)過試驗研究發(fā)現(xiàn)，用水量和水淬錳渣比表面積是影響混凝土坍落度的主要因素，錳渣比表面積越大、錳渣摻量越高，則混凝土坍落度越大，但錳渣摻量增加會增大混凝土拌和物的泌水率，降低混凝土的粘聚性。王勇[2]將水淬錳渣磨細并經(jīng)過酸性激發(fā)劑激發(fā)其活性后，內(nèi)摻水淬錳渣粉達到30%時水泥膠砂90 d強度仍比空白試件（未摻錳渣粉膠砂）高，但28 d強度略低于空白試件，說明經(jīng)過物理-化學(xué)聯(lián)合改性后，水淬錳渣粉具有較高活性；并對改性錳渣粉用于高強高性能混凝土進行了研究，研究發(fā)現(xiàn)：在膠凝材料總量600 kg的情況下內(nèi)摻水泥用量30%的水淬錳渣和10%的膨脹劑，利用碎石和普通山砂可配制強度達70～80 MPa、塌落度190～220 mm、耐久性能很好的高強高性能混凝土。
也有大量的研究表明[3～5]，隨著錳渣摻量的增加（內(nèi)摻30%以內(nèi)），混凝土強度早期強度迅速降低、中期強度降低速度變緩、后期強度高于或與空白試件相當，但摻量30%以上時后期強度下降比較明顯。內(nèi)摻錳渣粉的混凝土抗?jié)B等級有一定提高，摻量在15%以上時混凝土抗凍性能隨著錳渣摻量的增加而降低。因此，在摻量合理的情況下，摻加錳渣粉有利于混凝土早期抗裂、后期強度增加、增強抗?jié)B等耐久性能。
還有部分學(xué)者直接利用顆粒狀水淬錳渣用于混凝土、瀝青研究，如利用硅錳渣配制透水混凝土等[6，7]。
3.2 水淬錳渣用于墻體材料研究
水淬錳渣因含硅量較高、具有一定活性、顆粒大小適中，因此可以作為硅質(zhì)原料和集料用于生產(chǎn)磚瓦等墻體材料。
陳平等[8]研究了水淬錳渣制備加氣混凝土的可行性，試驗前將水淬錳渣經(jīng)球磨機粉磨至比表面積415 m2/kg，摻加硅砂作為補充硅質(zhì)原料。結(jié)果表明：當水淬錳渣摻量為25%、石灰為15%、硅砂為43%、石膏為2%、鋁粉膏為0.12%，水料比為0.50時，所制備的加氣混凝土能達到GB/T11968-2006《蒸壓加氣混凝土砌塊》中A3.5 B06級合格品要求。但水淬錳渣摻量高于25%時，所制備出的加氣混凝土強度達不到標準要求。張洪波[9]研究了利用水淬錳渣制備生態(tài)透水磚，通過正交實驗法得出較佳配方：硅錳渣60 g、硅藻土15 g、粘土15 g、廢陶瓷60 g，燒成溫度1050 ℃，保溫時間30 min，制品抗壓強度達到32.5 MPa，透水系數(shù)1.8×10-2 cm/s，且保水性和抗凍性均符合行業(yè)標準JC/T945-2005《透水磚》要求。王國新[10]利用�；郀t礦渣生產(chǎn)LC/EPS斷熱節(jié)能復(fù)合砌塊，并開展了工業(yè)化試驗，其復(fù)合砌塊同時具備輕質(zhì)、高強、保溫隔熱、隔音、體積穩(wěn)定等特點，是一種新型墻體材料。任素梅等[11]研究了水淬錳渣代替煤渣生產(chǎn)空心砌塊磚，主要是利用了水淬錳渣的集料特性和潛在活性。郭一峰等[12]以適量硅灰和水泥復(fù)合組成的膠凝材料與水淬錳渣經(jīng)過拌合、成型、蒸汽養(yǎng)護等工序后，制備出錳渣輕質(zhì)保溫墻磚，研究發(fā)現(xiàn)摻入2%的硅灰配制成復(fù)合膠凝材料后，墻磚的強度顯著提高，制得的墻磚導(dǎo)熱系數(shù)達到0.14 W/（m·K）、抗折強度0.7 MPa、抗壓強度2.3 MPa。
3.3 水淬錳渣用于水泥研究
劉榮進等研究表明，錳渣具有潛在水硬性和火山灰性，可以作為水泥混合材使用。陳向榮等[13]將水淬錳渣用于制備復(fù)合水泥進行了研究，煤渣摻量為20%、錳渣摻量為20%時，可配制合格的P·C42.5水泥，煤渣摻量為30%、錳渣摻量為20%時，可配制合格的P·C32.5水泥。安慶峰等[14]將水泥熟料、礦渣微粉、錳鐵合金渣和激發(fā)劑AFJS用于配制復(fù)合水泥研究，研究發(fā)現(xiàn)錳渣最高摻量可達40%，在摻量30%時制備出強度等級達到52.5級復(fù)合水泥。劉琴[15]使用經(jīng)過預(yù)處理的錳渣作為水泥摻合料制備膠凝材料，然后將膠凝材料與光催化劑Ti2O結(jié)合，研制出具備光催化性能和自清潔功能的光催化水泥，研究結(jié)果表明：錳渣的最佳摻量為10%～15%，水灰比以0.45～0.50為宜，添加少量的Ti2O可以提高水泥的水化速度，但是Ti2O的含量繼續(xù)增加會降低水泥強度，光催化水泥對甲基橙的降解率可達98.2%，對甲醛的降解率可達44.9%，光催化活性隨著水泥使用壽命的延長而有所下降，但仍具有持續(xù)光催化功能。
3.4 水淬錳渣用于其他建筑材料研究
鑄石具有很好的耐腐蝕、耐磨性能，越來越被廣泛應(yīng)用在電力、化工、建筑建材等領(lǐng)域。賈寶志等[16]將水淬錳渣作為原料之一，經(jīng)配料、熔融、澆鑄、結(jié)晶、退火等工序制備鑄石，生產(chǎn)工藝為：1320 ℃熔融澆鑄，在空氣中迅速冷卻至900 ℃以上，然后進入結(jié)晶爐950 ℃保溫2～6 h結(jié)晶，750 ℃保溫2～4 h退火。
水淬錳渣中的硅鈣鎂鋁鐵等元素也是生產(chǎn)微晶玻璃所需成分，因此水淬錳渣也可用于生產(chǎn)微晶玻璃[17]。陳坤[18]等以硅錳水淬渣為基本原料，加入10%石英，溫度為900 ℃燒制3 h時，可制備出具有良好析晶能力的微晶玻璃；以硅錳水淬渣和粉煤灰漂珠為主要原料，且硅錳水淬渣與漂珠引入質(zhì)量比3∶7，熱處理制度為經(jīng)900 ℃保溫60 min后，再經(jīng)1125 ℃保溫40 min，制備出性能優(yōu)異的微晶多孔材料。
近年來，國內(nèi)有學(xué)者將錳鐵渣用于制作優(yōu)質(zhì)、高效絕熱材料礦渣棉研究，或?qū)⒏郀t渣改性后制作礦渣棉，主要是調(diào)整錳渣中的Al2O3、CaO和MgO的含量，調(diào)節(jié)原料成分以及減低熔化溫度，以有利于原料的熔化和制取細的纖維，其中錳鐵渣摻量可達90%以上，采用先進的四輥離心機成棉率可達70%左右[19～22]。
4 結(jié)論與展望
水淬錳渣是一種可全部再生利用的工業(yè)固體廢棄物，利用其物理特性、化學(xué)成分、礦物特點等因素對其綜合利用的研究越來越多，但真正實現(xiàn)經(jīng)濟效益較好的工業(yè)化利用較為少見。
從社會效益、經(jīng)濟效益和生態(tài)環(huán)境效益來看，將水淬錳渣大量無害化利用消納、高附加值再生利用和建筑材料化利用為主是非常明確的發(fā)展趨勢。水淬錳渣用于生產(chǎn)高性能混凝土礦物摻和料、礦渣棉和微晶玻璃是高附加值的利用途徑，但仍需進一步加強其相關(guān)試驗研究，早日實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
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