掺电解锰渣砂浆的强度与微结构及碳排放分析_王继林.pdf

第 20 卷 第 4 期2023 年 4 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 4April 2023掺电解锰渣砂浆的强度与微结构及碳排放分析王继林1，龙广成1，董荣珍1，王凡1，白敏1，石莹莹1，周天阳2(1.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；2.湘潭建工集团，湖南 湘潭 411100)摘要：为促进电解锰渣在水泥基材料中的低碳和高效利用，提高水泥基材料的绿色度，运用一系列宏观、微观试验方法，研究电解锰渣等质量取代水泥对砂浆流动性、强度、水化物相及孔隙结构的影响规律，分析电解锰渣在砂浆中的强度贡献，探讨相应的机理。采用碳排放指标，阐明电解锰渣对砂浆的碳排放影响。电解锰渣掺量不大于10%时，可较好地改善新拌砂浆的流动性。电解锰渣对砂浆3 d龄期抗压、抗折强度有较大提高作用，且对抗折强度的提高更为显著，电解锰渣掺量不超过15%时，其对3 d龄期砂浆抗折、抗压强度的贡献系数达1.25以上。随着龄期的增加，电解锰渣对砂浆强度的贡献减弱，但180 d龄期时其抗折强度贡献系数仍在0.5左右。电解锰渣的掺入使砂浆中生成了较多钙矾石相，电解锰渣掺量少于15%时，试件的孔隙结构无明显劣化现象，但随着电解锰渣掺量的增加，体系的孔隙率显著增大。综合考虑碳排放量及复合胶凝体系性能，建立了基于强度性能的碳排放指标。研究结果表明：电解锰渣的加入降低了水泥基材料体系碳排放量，当电解锰渣掺量为10%15%之间时，水泥胶砂的碳排放指数较低，可以较好地实现水泥基材料的减排要求。关键词：电解锰渣；砂浆；强度；微结构；碳排放指数中图分类号：TU528 文献标志码：A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7029（2023）04-1382-10Analysis of strength,microstructure and carbon emission of mortar mixed with electrolytic manganese residueWANG Jilin1,LONG Guangcheng1,DONG Rongzhen1,WANG Fan1,BAI Min1,SHI Yingying1,ZHOU Tianyang2(1.School of Civil Engineering,Central South University,Changsha 410075,China;2.Xiangtan Construction Engineering Group,Xiangtan 411100,China)Abstract:In order to promote the low-carbon and efficient utilization of electrolytic manganese residue in cement-based materials and improve the green degree of cement-based materials,the effects of replacing cement with equal mass of electrolytic manganese residue on the fluidity,strength,hydrate phase and pore structure of mortar were studied in this paperby adopting a series of macroscopic and microscopic test methods.The contribution and mechanism of electrolytic manganese residue to strength in mortar were explored.The influence 收稿日期：2022-04-14基金项目：湖南省重点研发项目(2020wk2005)通信作者：龙广成(1973)，男，江西万载人，教授，博士，从事先进水泥基复合材料研究；E-mail：DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20220731第 4 期王继林，等：掺电解锰渣砂浆的强度与微结构及碳排放分析of electrolytic manganese residue on carbon emission of mortar was expounded by using the carbon emission index.The results show that when the content of manganese residue is not more than 10%,it can improve the fluidity of fresh mortar better.The manganese residue has a greater role in improving the compressive and flexural strength of mortar at the age of 3 d,and the improvement of flexural strength is more significant.When the content of electrolytic manganese residue is less than 15%,its contribution coefficient to the flexural and compressive strength of 3 d mortar is more than 1.25.The contribution of electrolytic manganese residue to mortar strength decreases with increasing age,but the contribution coefficient of flexural strength is still about 0.5 at 180 d age.When the doping amount of electrolytic manganese residue is less than 15%,there is no obvious deterioration of the pore structure of the mortar,but the porosity of the system increases significantly with the increase of the doping amount of electrolytic manganese residue.By considering the carbon emission and the performance of the composite cementitious system,the carbon emission index based on the strength performance was established,and the results show that the addition of electrolytic manganese residue reduces the carbon emission of the mortar.When the doping amount of electrolytic manganese residue is between 10%and 15%,the carbon emission index of mortar is lower and can better achieve the emission reduction requirement of cementitious materials.Key words:electrolytic manganese residue;mortar;strength;microstructure;carbon emission index 中国是世界上最大的电解锰生产国。电解锰渣是工业生产电解锰所产生的固体废弃物，每生产1 t电解锰就将排放1012 t电解锰渣(Electrolytic manganese residue,简称 EMR)1，目前生产企业普遍直接将电解锰渣露天堆放，我国现有堆放存量约 1.2亿 t的电解锰渣，且仍以 1 000 t/a的速度增加23。这样不仅占用大量的土地资源，同时堆放过程中，其中可溶性盐和硫酸铵等成分分解又会对周边土壤、地下水及大气造成污染45，引发严重的环境问题，甚至危害人民群众的生命健康6。因此电解锰渣的高效无害化利用已经成为锰行业发展亟需解决的关键问题。水泥基材料是最大宗的建筑材料，锰渣等固废资源资源化应用于水泥基材料，不仅有利于减少固废的大量堆积，而且有助于水泥基材料的可持续发展。已有学者开展了电解锰渣在水泥基材料中的应用研究。电解锰渣较高的硫酸盐含量，使得电解锰渣可以用作水泥煅烧时的矿化剂，水泥熟料的煅烧温度可以降低100，且熟料中的C3S含量有所增加7；同时电解锰渣也可作为火山灰、矿渣等活性矿物材料的硫酸盐激发剂，用于制备复合胶凝材料和地质聚合物814；鉴于电解锰渣中主要氧化物成分与水泥一致，HE等1516采用电解锰渣制备得到强度性能优异的硫铝酸盐水泥体系，改善氧化物含量占比；ZHANG 等17将电解锰渣、赤泥与水泥混合，制作了 7 d 强度达 5.7 MPa 的路基填料；张兰芳等18采用交流阻抗谱法研究了掺电解锰渣水泥砂浆的水化过程，表明电解锰渣对水泥砂浆的水化过程有明显影响；宋松松19探究了电解锰渣作为掺合料对混凝土性能的影响，适量电解锰渣有助于改善水泥基材料的宏观性能，但不同性质电解锰渣对混凝土性能影响不同2021。上述研究表明，电解锰渣在水泥基材料中应用具有良好可行性，而且通过适当改性还可提升水泥基材料品质或生成性能优异的水泥材料。然而，随着锰矿品质的不断下降，电解锰渣的成分愈发复杂，对其在水泥基材料中应用带来更大的挑战。总体而言，有关电解锰渣对水泥基材料性能影响及其机理的研究成果仍不多见，尤其是电解锰渣在水泥基材料中的作用效应及其应用于水泥基材料时的经济生态效应研究鲜见报道。本文以低品位锰矿石生产电解锰所废弃的电解锰渣为研究对象，研究了电解锰渣对水泥砂浆流动性、强度的影响规律，分析了电解锰渣在砂浆中的强度贡献及其作用效应，进一步利用微观测试手段分析了电解锰渣对试件物相及孔隙结构的影响；同时，分析了电解锰渣在水泥砂浆中应用的碳排放，以期为电解锰渣在水泥基材料中的合理利用提供参考。1383铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 4月1 原材料及试验方法1.1原材料水泥：采用中联水泥有限公司出品的强度等级为42.5的基准水泥(P I 42.5水泥)，表观密度为3.12 g/cm3，比表面积为358 m3/kg，主要物相组成见表1，化学成分组成见表2，粒径分布见图1，其D50为14.22 m。砂：采用厦门艾思欧标准砂有限公司生产的中国 ISO 标准砂，为 II 区中砂，细度模数为 2.7。符合水泥砂浆强度检验方法(ISO 法)(GB/T 176711999)标准。水：采用饮用自来水。锰渣：采用湘潭电化提供的电解锰渣，因原矿中含有铁相物质，因此呈现暗红色，粒径分布见图 1，其 D50为 10.85 m，稍小于水泥颗粒；按照液固比10:1混合澄清后，测得其pH值约为6.2，呈现弱酸性。其主要化学成分见表2，主要化学成分包括SiO2，Fe2O3及SO3等，其XRD测试结果见图2。主要晶态物相有石膏、石英、黄钾铁矾等，微观形貌见图3，从图3中可以看出电解锰渣颗粒为外观不规则、多棱角块状结构。1.2试验配比与制备参照水泥