用电解锰渣制备免烧砖的试验研究
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第33卷第1期 2010年1月
非金属矿
Non-Metallic Mines
Vol.33 No.1 January, 2010
用电解锰渣制备免烧砖的试验研究
蒋小花1 王 智2* 侯鹏坤1 钱觉时1 曹金鹏2
(1 重庆大学材料科学与工程学院,重庆 400045;2 重庆大学化学化工学院,重庆 400044)
表3 电解锰渣胶凝材料组成最佳配合比的确定
试验号 1
粉煤灰 (A) 生石灰 (B)
1
1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
水泥 (C) 1
P28d /MPa 2.50
2
1
2
2
8.32
3
1
3
3
10.15
4
2
1
2
6.41
5
2
2
3
9.71
6
2
3
1
7.11
7
3
1
3
8.03
8
3
2
1
7.24
9
3
3
2
7.69
Ⅰ
20.97
16.94
16.85
位级 Ⅱ
5
50
32
8
10 1.05 2.10 3.20 9.03
6
40
40
10 10 1.15 3.20 3.64 11.95
2.1.2 电解锰渣胶凝材料最佳配合比的确定:为了 确定电解锰渣胶凝材料的最佳配合比,按 L9(33) 的正 交表进行正交试验,并根据基础试验结果确定因素与
水平,因素 A 为粉煤灰,其水平 A1= 25%,A2= 30%, A3= 35%;因素 B 为生石灰,其水平 B1=5%,B2=10%, B3=15%;因素 C 为水泥,其水平为 C1=5%,C2=10%, C3=15%。正交表的试验安排及试验结果见表 3。
收稿日期:2009-11-02 基金项目:国家863项目(2008AA031206)资助 *通讯作者,E-mail: cquwangzhi@
参与水化反应,制备免烧砖是对电解锰渣合理资源化 利用的有效措施。本实验主要研究了电解锰渣 - 粉 煤灰 - 石灰 - 水泥胶凝材料及其用于制备免烧砖的配 方及工艺,为电解锰企业的可持续发展和新型墙体材 料的制备提供技术支持。 1 实验部分 1.1 原材料 电解锰渣:试验中电解锰渣取自武陵 锰业的电解锰渣堆场。露天堆放的电解锰渣呈浆体 状的黑色黏稠物;粉煤灰:为重庆珞璜电厂三级干排 灰,电解锰渣和粉煤灰的化学成分和物理性能,见表 1;生石灰:取自重庆市歌乐山石灰厂,其活性氧化钙 76.5%,其细度参照水泥细度标准测定,筛余量 0.8%; 水泥:重庆市拉法基水泥厂购买的 42.5 级普通硅酸 盐水泥;砂:建筑用砂来自长江,细度模数分别为 3.1 和 1.1。 1.2 试验方法 试验中所有的配比均为各物料的干 料比例。 1.2.1 电解锰渣预处理:由于新鲜电解锰渣含水率一 般为 30%~40% 左右、呈弱酸性、MnSO4 和 (NH4)2SO4
摘 要 研究了电解锰渣 - 粉煤灰 - 石灰 - 水泥胶凝材料,掺入一定的骨料,经压制成型生产电解锰渣免烧砖,自然条件下洒水养护 28d 抗 压强度在 10MPa 以上,并对影响强度的胶砂比和成型压力进行了分析。试验结果表明,配合料成型过程中的加压,为砖的强度的形成和发展奠定 了基础,水泥、粉煤灰、石灰和电解锰渣等胶凝材料水化产生的胶凝物质使电解锰渣免烧砖的强度逐步增强;各原料的最佳配比总结为:电解锰渣 50%、粉煤灰 30%、生石灰 10%、水泥 10%,胶凝材料 : 砂 =1.0∶0.9、水固比 0.14、成型压力 25MPa。
电解锰渣 粉煤灰 生石灰 水泥
编号
/%
/% /% /%
抗折强度 /MPa
7d 28d
抗压强度 /MPa
7d 28d
1
60
32
8
— 0.30 0.85 0.75 2.70
2
50
40
10 — 0.40 1.40 0.84 5.02
3
40
48
12 — 0.45 2.15 0.95 6.34
4
60
24
6
10 0.85 1.95 3.02 7.69
废渣免烧砖的是一种新型节能利废的制砖技术 和废渣资源化利用技术。电解锰渣是一种富含硫酸 盐的惰性硅铝质材料,粒径在 80μm 以下的颗粒所占 比例高达 80%,SO3 含量高达 15%~25%[6]。因此,电 解锰渣无需粉磨即可直接用于制备免烧砖,而且在胶 凝体系中可作为粉煤灰类材料的火山灰活性激发剂
由表 2 可知,电解锰渣 - 粉煤灰 - 石灰胶凝体系
的强度均较低,不能满足实际需要,在电解锰渣 - 粉
煤灰 - 石灰胶凝材料中掺入 10% 水泥替代粉煤灰和
石灰可显著改善胶凝材料的力学性能。因此,我们确
定电解锰渣 - 粉煤灰 - 石灰 - 水泥胶凝体系为较好配
料体系。
表2 两种不同配料胶凝体系强度试验结果
电解锰渣免烧砖试验中,采用半干压成型工艺, 由于实验室条件所限,采用 Φ50mm×55mm 的成型 模具,成型好的试件采用空气中洒水养护。试验中强 度测定参照 GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方 法》,性能检测参照 GB/T2542-2003《人民共和国国家 标准砌墙砖试验方法》。 2 结果与讨论
23.23
25.27
22.42
Ⅲ
22.96
24.94
27.89
极差
2.26
8.33
11.04
由正交试验所得各因素的位级与极差数值的大
小,可确定影响电解锰渣胶凝材料强度的主要因素依
次为水泥、生石灰、粉煤灰,较优配比为 C3B2A2。为了 达到电解锰渣高效利用的目的,在满足电解锰渣胶凝
材料强度要求的情况下,尽可能减少水泥在胶凝材料
中的掺量,因此本试验将最优配比定为 C2B2A2,即电 解锰渣 50%,粉煤灰 30%,生石灰 10%,水泥 10%。
2.1.3 电解锰渣胶凝材料的物理性能:电解锰渣 - 粉
煤灰 - 生石灰 - 水泥胶凝体系的物理性能,见表 4。
- 15 -
第33卷第1期
非金属矿
2010年1月
表4 胶凝材料的物理性能
电解锰渣(EMR)是由锰矿(通常为碳酸锰矿) 采用电解方法生产金属锰过程中产生的酸浸废渣。 作为世界电解锰的最主要生产国,我国近年来电解锰 产量近百万吨 [1~2]。我国锰矿品位低(有效锰含量仅 占矿石组成的 15%~20%),据相关企业生产统计和报 道,每生产 1t 电解锰粉所排放的电解锰渣约 6~7t,其 堆放占用大量土地资源,增加企业处置费用;其次,电 解锰渣含有一定量的有害元素,任其排放将严重污染 环境。因此,对电解锰渣加以有效利用,不仅能给电 解锰生产企业带来一定的经济效益,甚至还能彻底解 决电解锰渣的污染问题 。 [3~5]
Chongqing University, Chongqing 400044) Abstract The electrolytic manganese residue non-burnt brick is developed by using electrolytic manganese residue-fly ash-lime-cement system as the binding material, added with certain quantities of aggregates and moulded by press, which can yield 28-day compressive strength up to 10MPa by curing of sprinkling wate under natural conditions. The factors affecting the strength of product are analyzed, such as plastic sand ratio and molding pressure. The results show that the pressurized molding process of material is the foundation of the formation and development of strength for the brick, and the hydration of binding materials such as cement, fly ash, lime and electrolytic manganese residue increase the strength of non-burnt brick. The optimum compositions of raw materials have been recommended as the following: electrolytic manganese slag 50%, fly ash 30%, lime10%, cement 10%, cementitious material: sand = 1.0∶0.9, water-solid ratio 0.14,molding pressure 25MPa. Key words electrolytic manganese residue non-burnt brick pressing forming plastic sand ratio molding pressure
关键词 电解锰渣 免烧砖 压制成型 胶砂比 成型压力 中图分类号:TU522.1+9 文献标识码:A 文章编号:1000-8098(2010)01-0014-04
Experimental Study on Preparation of Non-burnt Brick from Electrolytic Manganese Residue
Jiang Xiaohua1 Wang Zhi2* Hou Pengkun1 Qian Jueshi1 Cao Jinpeng2 (1 College of Material Science and Engineering, Chongqing University, Chongqing 400045; 2 College of Chemistry and Chemical Engineering,
电解锰渣
30.92
3.04
30.72
—
粉煤灰
20.23
2.45
—
96
注:电解锰渣细度测试方法参照 GB1345-2005《水泥细度检验方法》。
含量分别为 4.23% 和 2.83%,为了除去过多的水分、 获得碱性环境及固化残留的 Mn2+ 离子,同时消除制 品在使用过程中 NH4+ 的释放对环境造成影响,试验 前用 7% 生石灰对电解锰渣进行预处理,并将混合料 陈放 24h。 1.2.2 试件制备:电解锰渣胶凝材料研究实验,试件 尺寸采用 4cm×4cm×16cm,灰砂比 1∶2,水灰比根 据砂浆的流动度与采用标准砂相近进行调整,试件采 用标准养护。
力学性能
凝结时间
/MPa 标准稠度 /min
需水量
抗折 抗压 强度 强度
/%
初凝 终凝 3d
线收缩率 /%
7d 14d 28d
2.50 10.05 39.00 115 265 0.046 0.073 0.088 0.092
2.2 电解锰渣免烧砖的研究 在电解锰渣胶凝材料 试验的基础上,对用这种胶凝材料制备免烧砖进行了 实验室试验。压制成型可以提高强度,降低用水量, 利用电解锰渣压制成型免烧砖是资源化利用电解锰 渣的有效途径 [9]。 2.2.1 电解锰渣免烧砖配方及工艺的确定:在整个工 艺中,水固比是一个关键的参数,试验参照免烧砖成 型工艺 [10~11],水固比以成型时有无浆体从成型模具中 溢出为依据,初步确定在 0.10~0.20 之间,并根据具体 的配合比进行变化。
- 14 -
第33卷第1期
非金属矿
2010年1月
表1 电解锰渣和粉煤灰化学成分及物理性能
化学成分 /% SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO MnO 电解锰渣 35.43 11.48 5.40 9.46 — 3.79
SO3 16.10
粉煤灰 物理性能
42.91 24.55 20.61 3.84 1.12 — 0.82 细度 /% 密度 /(g/cm3) 含水率 /% 需水量 /%
通过对电解锰渣的 X 衍射图谱(图 1)及化学成 分(表 1)分析可知,电解锰渣中存在的晶相物质主要 为二水石膏相,除此之外还有石英相和莫来石相。因 此,本实验利用电解锰渣中硫酸盐对粉煤灰类火山灰 活性的激发作用制备电解锰渣胶凝材料,进而研制电 解锰渣免烧砖。
2θ/(°)
图1 电解锰渣XRD分析结果 2.1 电解锰渣胶凝材料的研究 根据文献介绍 [7~8] 和课题组的前期研究,试验配合比为粉煤灰∶生石灰 = 4∶1 的基础上对电解锰渣胶凝材料进行研究。 2.1.1 不同配料体系电解锰渣胶凝材料力学性能:两 种不同配料体系的电解锰渣胶凝材料制品的力学性 能,见表 2。
非金属矿
Non-Metallic Mines
Vol.33 No.1 January, 2010
用电解锰渣制备免烧砖的试验研究
蒋小花1 王 智2* 侯鹏坤1 钱觉时1 曹金鹏2
(1 重庆大学材料科学与工程学院,重庆 400045;2 重庆大学化学化工学院,重庆 400044)
表3 电解锰渣胶凝材料组成最佳配合比的确定
试验号 1
粉煤灰 (A) 生石灰 (B)
1
1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
水泥 (C) 1
P28d /MPa 2.50
2
1
2
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8.32
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1
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Ⅰ
20.97
16.94
16.85
位级 Ⅱ
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10 1.05 2.10 3.20 9.03
6
40
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10 10 1.15 3.20 3.64 11.95
2.1.2 电解锰渣胶凝材料最佳配合比的确定:为了 确定电解锰渣胶凝材料的最佳配合比,按 L9(33) 的正 交表进行正交试验,并根据基础试验结果确定因素与
水平,因素 A 为粉煤灰,其水平 A1= 25%,A2= 30%, A3= 35%;因素 B 为生石灰,其水平 B1=5%,B2=10%, B3=15%;因素 C 为水泥,其水平为 C1=5%,C2=10%, C3=15%。正交表的试验安排及试验结果见表 3。
收稿日期:2009-11-02 基金项目:国家863项目(2008AA031206)资助 *通讯作者,E-mail: cquwangzhi@
参与水化反应,制备免烧砖是对电解锰渣合理资源化 利用的有效措施。本实验主要研究了电解锰渣 - 粉 煤灰 - 石灰 - 水泥胶凝材料及其用于制备免烧砖的配 方及工艺,为电解锰企业的可持续发展和新型墙体材 料的制备提供技术支持。 1 实验部分 1.1 原材料 电解锰渣:试验中电解锰渣取自武陵 锰业的电解锰渣堆场。露天堆放的电解锰渣呈浆体 状的黑色黏稠物;粉煤灰:为重庆珞璜电厂三级干排 灰,电解锰渣和粉煤灰的化学成分和物理性能,见表 1;生石灰:取自重庆市歌乐山石灰厂,其活性氧化钙 76.5%,其细度参照水泥细度标准测定,筛余量 0.8%; 水泥:重庆市拉法基水泥厂购买的 42.5 级普通硅酸 盐水泥;砂:建筑用砂来自长江,细度模数分别为 3.1 和 1.1。 1.2 试验方法 试验中所有的配比均为各物料的干 料比例。 1.2.1 电解锰渣预处理:由于新鲜电解锰渣含水率一 般为 30%~40% 左右、呈弱酸性、MnSO4 和 (NH4)2SO4
摘 要 研究了电解锰渣 - 粉煤灰 - 石灰 - 水泥胶凝材料,掺入一定的骨料,经压制成型生产电解锰渣免烧砖,自然条件下洒水养护 28d 抗 压强度在 10MPa 以上,并对影响强度的胶砂比和成型压力进行了分析。试验结果表明,配合料成型过程中的加压,为砖的强度的形成和发展奠定 了基础,水泥、粉煤灰、石灰和电解锰渣等胶凝材料水化产生的胶凝物质使电解锰渣免烧砖的强度逐步增强;各原料的最佳配比总结为:电解锰渣 50%、粉煤灰 30%、生石灰 10%、水泥 10%,胶凝材料 : 砂 =1.0∶0.9、水固比 0.14、成型压力 25MPa。
电解锰渣 粉煤灰 生石灰 水泥
编号
/%
/% /% /%
抗折强度 /MPa
7d 28d
抗压强度 /MPa
7d 28d
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— 0.30 0.85 0.75 2.70
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10 — 0.40 1.40 0.84 5.02
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12 — 0.45 2.15 0.95 6.34
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10 0.85 1.95 3.02 7.69
废渣免烧砖的是一种新型节能利废的制砖技术 和废渣资源化利用技术。电解锰渣是一种富含硫酸 盐的惰性硅铝质材料,粒径在 80μm 以下的颗粒所占 比例高达 80%,SO3 含量高达 15%~25%[6]。因此,电 解锰渣无需粉磨即可直接用于制备免烧砖,而且在胶 凝体系中可作为粉煤灰类材料的火山灰活性激发剂
由表 2 可知,电解锰渣 - 粉煤灰 - 石灰胶凝体系
的强度均较低,不能满足实际需要,在电解锰渣 - 粉
煤灰 - 石灰胶凝材料中掺入 10% 水泥替代粉煤灰和
石灰可显著改善胶凝材料的力学性能。因此,我们确
定电解锰渣 - 粉煤灰 - 石灰 - 水泥胶凝体系为较好配
料体系。
表2 两种不同配料胶凝体系强度试验结果
电解锰渣免烧砖试验中,采用半干压成型工艺, 由于实验室条件所限,采用 Φ50mm×55mm 的成型 模具,成型好的试件采用空气中洒水养护。试验中强 度测定参照 GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方 法》,性能检测参照 GB/T2542-2003《人民共和国国家 标准砌墙砖试验方法》。 2 结果与讨论
23.23
25.27
22.42
Ⅲ
22.96
24.94
27.89
极差
2.26
8.33
11.04
由正交试验所得各因素的位级与极差数值的大
小,可确定影响电解锰渣胶凝材料强度的主要因素依
次为水泥、生石灰、粉煤灰,较优配比为 C3B2A2。为了 达到电解锰渣高效利用的目的,在满足电解锰渣胶凝
材料强度要求的情况下,尽可能减少水泥在胶凝材料
中的掺量,因此本试验将最优配比定为 C2B2A2,即电 解锰渣 50%,粉煤灰 30%,生石灰 10%,水泥 10%。
2.1.3 电解锰渣胶凝材料的物理性能:电解锰渣 - 粉
煤灰 - 生石灰 - 水泥胶凝体系的物理性能,见表 4。
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第33卷第1期
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表4 胶凝材料的物理性能
电解锰渣(EMR)是由锰矿(通常为碳酸锰矿) 采用电解方法生产金属锰过程中产生的酸浸废渣。 作为世界电解锰的最主要生产国,我国近年来电解锰 产量近百万吨 [1~2]。我国锰矿品位低(有效锰含量仅 占矿石组成的 15%~20%),据相关企业生产统计和报 道,每生产 1t 电解锰粉所排放的电解锰渣约 6~7t,其 堆放占用大量土地资源,增加企业处置费用;其次,电 解锰渣含有一定量的有害元素,任其排放将严重污染 环境。因此,对电解锰渣加以有效利用,不仅能给电 解锰生产企业带来一定的经济效益,甚至还能彻底解 决电解锰渣的污染问题 。 [3~5]
Chongqing University, Chongqing 400044) Abstract The electrolytic manganese residue non-burnt brick is developed by using electrolytic manganese residue-fly ash-lime-cement system as the binding material, added with certain quantities of aggregates and moulded by press, which can yield 28-day compressive strength up to 10MPa by curing of sprinkling wate under natural conditions. The factors affecting the strength of product are analyzed, such as plastic sand ratio and molding pressure. The results show that the pressurized molding process of material is the foundation of the formation and development of strength for the brick, and the hydration of binding materials such as cement, fly ash, lime and electrolytic manganese residue increase the strength of non-burnt brick. The optimum compositions of raw materials have been recommended as the following: electrolytic manganese slag 50%, fly ash 30%, lime10%, cement 10%, cementitious material: sand = 1.0∶0.9, water-solid ratio 0.14,molding pressure 25MPa. Key words electrolytic manganese residue non-burnt brick pressing forming plastic sand ratio molding pressure
关键词 电解锰渣 免烧砖 压制成型 胶砂比 成型压力 中图分类号:TU522.1+9 文献标识码:A 文章编号:1000-8098(2010)01-0014-04
Experimental Study on Preparation of Non-burnt Brick from Electrolytic Manganese Residue
Jiang Xiaohua1 Wang Zhi2* Hou Pengkun1 Qian Jueshi1 Cao Jinpeng2 (1 College of Material Science and Engineering, Chongqing University, Chongqing 400045; 2 College of Chemistry and Chemical Engineering,
电解锰渣
30.92
3.04
30.72
—
粉煤灰
20.23
2.45
—
96
注:电解锰渣细度测试方法参照 GB1345-2005《水泥细度检验方法》。
含量分别为 4.23% 和 2.83%,为了除去过多的水分、 获得碱性环境及固化残留的 Mn2+ 离子,同时消除制 品在使用过程中 NH4+ 的释放对环境造成影响,试验 前用 7% 生石灰对电解锰渣进行预处理,并将混合料 陈放 24h。 1.2.2 试件制备:电解锰渣胶凝材料研究实验,试件 尺寸采用 4cm×4cm×16cm,灰砂比 1∶2,水灰比根 据砂浆的流动度与采用标准砂相近进行调整,试件采 用标准养护。
力学性能
凝结时间
/MPa 标准稠度 /min
需水量
抗折 抗压 强度 强度
/%
初凝 终凝 3d
线收缩率 /%
7d 14d 28d
2.50 10.05 39.00 115 265 0.046 0.073 0.088 0.092
2.2 电解锰渣免烧砖的研究 在电解锰渣胶凝材料 试验的基础上,对用这种胶凝材料制备免烧砖进行了 实验室试验。压制成型可以提高强度,降低用水量, 利用电解锰渣压制成型免烧砖是资源化利用电解锰 渣的有效途径 [9]。 2.2.1 电解锰渣免烧砖配方及工艺的确定:在整个工 艺中,水固比是一个关键的参数,试验参照免烧砖成 型工艺 [10~11],水固比以成型时有无浆体从成型模具中 溢出为依据,初步确定在 0.10~0.20 之间,并根据具体 的配合比进行变化。
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第33卷第1期
非金属矿
2010年1月
表1 电解锰渣和粉煤灰化学成分及物理性能
化学成分 /% SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO MnO 电解锰渣 35.43 11.48 5.40 9.46 — 3.79
SO3 16.10
粉煤灰 物理性能
42.91 24.55 20.61 3.84 1.12 — 0.82 细度 /% 密度 /(g/cm3) 含水率 /% 需水量 /%
通过对电解锰渣的 X 衍射图谱(图 1)及化学成 分(表 1)分析可知,电解锰渣中存在的晶相物质主要 为二水石膏相,除此之外还有石英相和莫来石相。因 此,本实验利用电解锰渣中硫酸盐对粉煤灰类火山灰 活性的激发作用制备电解锰渣胶凝材料,进而研制电 解锰渣免烧砖。
2θ/(°)
图1 电解锰渣XRD分析结果 2.1 电解锰渣胶凝材料的研究 根据文献介绍 [7~8] 和课题组的前期研究,试验配合比为粉煤灰∶生石灰 = 4∶1 的基础上对电解锰渣胶凝材料进行研究。 2.1.1 不同配料体系电解锰渣胶凝材料力学性能:两 种不同配料体系的电解锰渣胶凝材料制品的力学性 能,见表 2。