張歡歡，程金科＊

（1.貴州大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.貴州省高性能砼材料及成型工程技術(shù)研究中心，貴州 龍里 561200）

0 引言

電解錳渣富含硅、鈣和鋁，在建材領(lǐng)域有較大應(yīng)用潛力，可用于制備水泥[1-2]、蒸壓磚[3]、多孔陶瓷[4]等，但均需煅燒，增加能耗；錳渣也可用于制備免燒磚[5]，雖不用煅燒，但未煅燒的錳渣呈黑色，產(chǎn)品用戶接受度低。加氣混凝土（AAC）重量輕、保溫性能好、加工能力強(qiáng)，被廣泛用于建筑領(lǐng)域，其生產(chǎn)過程的蒸壓養(yǎng)護(hù)工序可分解錳渣中有機(jī)質(zhì)、滅活細(xì)菌，減少霉變發(fā)生，同時(shí)制品呈灰白色，易推廣，且無需燒結(jié)，能耗低，在消納固廢方面有較大優(yōu)勢(shì)。

將脫氨錳渣用于制備加氣混凝土，可避免氨氮無組織釋放而危害人體健康和污染環(huán)境，也可防止錳離子影響錳渣摻量和材料性能。脫氨錳渣和赤泥都含有豐富的硅源和鈣源，可作為制備加氣混凝土的硅質(zhì)原料[6]。脫氨錳渣為酸性渣，顆粒細(xì)、活性低，單摻用于制備加氣混凝土?xí)档土蠞{堿性，產(chǎn)生憋氣和速凝現(xiàn)象，影響產(chǎn)品性能；赤泥為堿性渣，單摻用于制備加氣混凝土?xí)r料漿堿性增強(qiáng)，鋁粉發(fā)氣較快，易形成連通孔，對(duì)制品的力學(xué)和熱學(xué)性能不利[7]。而將脫氨錳渣和赤泥以適宜比例混合替代部分硅源作為生產(chǎn)加氣混凝土原料，料漿酸堿度和流動(dòng)性適中，為鋁粉發(fā)氣提供了較佳條件，且赤泥中堿性物質(zhì)能激發(fā)料漿中SiO2活性，提高抗壓強(qiáng)度。

本文以企業(yè)配方為基礎(chǔ)，即水泥15%、生石灰20%、砂32%、粉煤灰30%、石膏3%，用脫氨錳渣和赤泥作為硅源替代全部粉煤灰制備蒸壓加氣混凝土，研究脫氨錳渣和赤泥的理化性質(zhì)、溫度、鋁粉摻量、質(zhì)量比、水料比等對(duì)料漿發(fā)氣、抗壓強(qiáng)度、干密度的影響，以獲得加氣混凝土的較佳制備工藝，拓寬錳渣和赤泥資源化利用途徑，促進(jìn)相關(guān)行業(yè)綠色低碳發(fā)展。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

1）脫氨錳渣的理化性質(zhì)

脫氨錳渣的主要成分及含量見表1。由表1可知，脫氨錳渣主要組成為SiO2、CaO和SO3，占總含量的83.3%。

表1 脫氨錳渣主要成分及含量Tab.1 Main components and contents of deammoniated manganese residue

2）砂

本試驗(yàn)所用砂取自貴州某節(jié)能建材有限公司，原料為淡黃色狀，SiO2含量大于90%。將樣品置于105℃烘箱中烘36h，然后放入球磨機(jī)中球磨12h，所得硅砂粉末過80μm方孔篩。其化學(xué)組成見表2。

表2 砂的化學(xué)組成Tab.2 Chemical composition of sand

3）生石灰

本試驗(yàn)所用生石灰取自貴陽(yáng)市某企業(yè)，符合JC/T 621-2021《硅酸鹽建筑制品用生石灰》技術(shù)要求，其主要化學(xué)成分見表3。

表3 生石灰的主要成分Tab.3 Main components of quicklime

4）水泥

本試驗(yàn)所用水泥來自貴陽(yáng)市某水泥企業(yè)的P·O42.5普通硅酸鹽水泥，其化學(xué)組成見表4。

表4 水泥化學(xué)組成Tab.4 Chemical composition of cement

5）石膏

本試驗(yàn)所用石膏由四川祥瑞龍儀器有限公司提供，其化學(xué)組成見表5。

表5 石膏主要化學(xué)組成Tab.5 Main chemical composition of gypsum

6）鋁粉膏

本試驗(yàn)所用鋁粉膏為油劑型鋁粉膏GLY-75，來自貴州長(zhǎng)泰源節(jié)能建材有限公司，性能滿足JC/T 407-2008《加氣混凝土用鋁粉膏標(biāo)準(zhǔn)》要求。

7）赤泥的理化性質(zhì)

赤泥是堿處理鋁土礦生產(chǎn)氧化鋁過程中產(chǎn)生的固體廢棄物，因含有大量氧化鐵而呈紅色[8]，其特點(diǎn)是pH值和堿含量高[9]。本研究所用赤泥取自貴州某企業(yè)。根據(jù)HJ 962-2018《土壤pH的測(cè)定》方法對(duì)赤泥pH值進(jìn)行測(cè)定，測(cè)得赤泥浸出液pH值為9.65，呈堿性。赤泥的化學(xué)組成如表6所示，由表6可知，赤泥主要成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO，占總含量的82.97%。圖1為赤泥礦物組成，由圖1可知，赤泥主要礦物為赤鐵礦（Fe2O3）、方解石（CaCO3）、水石榴子石（Ca3Al2(SiO4)(OH)8）、水鋁石（AlOOH）和鈣霞石等。

圖1 赤泥的XRD圖Fig.1 XRD of red mud

表6 赤泥的成分分析Tab.6 Compositional analysis of red mud

1.2 試驗(yàn)方案

1）加氣混凝土樣品的制備

根據(jù)設(shè)計(jì)的試驗(yàn)配比，用電子天平準(zhǔn)確稱量脫氨錳渣、赤泥、水泥、砂和石膏，倒入水泥凈漿攪拌機(jī)中，在55℃溫水下攪拌1min，加入生石灰繼續(xù)攪拌1min，最后加入鋁粉膏攪拌40s。將混合料漿攪拌均勻后注入50mm×50mm×50mm模具中，在恒溫干燥箱中靜停養(yǎng)護(hù)5h，試件經(jīng)發(fā)氣后去除多余部分，取出并放入蒸壓釜中養(yǎng)護(hù)。蒸壓養(yǎng)護(hù)制度為預(yù)熱50min，抽真空50min，蒸壓釜內(nèi)氣壓為0.06MPa，然后恒溫3.2h，釜內(nèi)氣壓達(dá)到1.15MPa，最后恒溫恒壓蒸養(yǎng)8h。

2）加氣混凝土干密度和抗壓強(qiáng)度檢測(cè)方法

將混合均勻的料漿倒入50mm×50mm×50mm鋼制模具中，放入養(yǎng)護(hù)箱中靜停養(yǎng)護(hù)，待樣品有一定強(qiáng)度后去除超出模具部分，將所得標(biāo)準(zhǔn)立方體試件放入蒸壓釜中養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)完畢后取出，砌塊按GB/T 11969-2020《蒸壓加氣混凝土性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試。

3）分析方法

采用荷蘭帕納科Zetium X射線熒光法（XRF,Al Kα=1253.8eV）測(cè)定樣品化學(xué)組成，采用X射線粉末衍射儀（XRD,D8，荷蘭帕納科）在掃描范圍5°～90°，電壓40kV，電流40mA條件下采用Cu Kα輻射源分別對(duì)處理前后的電解錳渣及蒸壓加氣混凝土砌塊的物相組成進(jìn)行分析。采用JADE軟件分析樣品XRD圖譜，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)卡片庫(kù)（PDF 2004）檢索得到礦物組成。

2 結(jié)果與討論

2.1 加氣混凝土料漿發(fā)氣研究

1）溫度對(duì)料漿發(fā)氣的影響

圖2為溫度對(duì)料漿發(fā)氣的影響。由圖2可知，隨著料漿溫度升高，發(fā)氣速度加快，發(fā)氣量不斷增加，由138mL增到166mL，同時(shí)發(fā)氣時(shí)間縮短，料漿溫度45℃時(shí)溫度低，反應(yīng)較慢，發(fā)氣時(shí)間較長(zhǎng)，約35min，65℃時(shí)溫度高，反應(yīng)迅速，發(fā)氣時(shí)間較短，約25min，55℃時(shí)反應(yīng)適中，30min完成發(fā)氣。

圖2 溫度對(duì)料漿發(fā)氣的影響Fig.2 Effect of temperature on gas generation of slurry

2）脫氨錳渣與赤泥質(zhì)量比對(duì)料漿發(fā)氣的影響

脫氨錳渣與赤泥質(zhì)量比與料漿發(fā)氣的關(guān)系見圖3。由圖3可知，隨著赤泥摻量增加，脫氨錳渣摻量減少，料漿發(fā)氣速度加快，發(fā)氣量大幅增加，發(fā)氣時(shí)間遞減。這是因?yàn)槌嗄鄵搅吭黾邮谷芤褐袎A性物質(zhì)增多、溶液堿性增強(qiáng)，與鋁粉反應(yīng)較充分；脫氨錳渣的主要礦物相為CaSO4·0.5H2O，CaSO4·0.5H2O會(huì)重新吸水變?yōu)镃aSO4·2H2O，導(dǎo)致漿體流動(dòng)性變化，而漿體吸水越少，初始粘度越低，流動(dòng)性越高，發(fā)氣膨脹越快，反應(yīng)時(shí)間就越短。但赤泥過量對(duì)料漿發(fā)氣存在不利影響，如0.3:1和0.5:1時(shí)，發(fā)氣時(shí)間為15min和20min，發(fā)氣過快導(dǎo)致氣泡快速增加，出現(xiàn)冒泡現(xiàn)象。

圖3 脫氨錳渣與赤泥質(zhì)量比對(duì)料漿發(fā)氣的影響Fig.3 Effect of mass ratio of deaminated manganese residue to red mud on gas generation of slurry

綜上，隨著溫度升高，料漿發(fā)氣加快且發(fā)氣量增加，適宜的發(fā)氣溫度為55℃；脫氨錳渣越少，赤泥越多，發(fā)氣速度越快，發(fā)氣時(shí)間越短，這與脫氨錳渣成分及赤泥堿性有關(guān)。

2.2 加氣混凝土砌塊性能研究

1）鋁粉摻量對(duì)加氣混凝土抗壓強(qiáng)度和干密度的影響

鋁粉摻量對(duì)料漿發(fā)氣膨脹起重要作用，鋁粉含量越多，發(fā)氣量越大，但鋁粉過量會(huì)發(fā)生冒泡現(xiàn)象，鋁粉過少則會(huì)導(dǎo)致發(fā)氣不足。因此，需探究鋁粉的較佳摻量。

鋁粉摻量與加氣混凝土抗壓強(qiáng)度的關(guān)系見圖4。由圖4可知，脫氨錳渣與赤泥質(zhì)量比相同時(shí)，隨著鋁粉摻量增加，加氣混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸降低。鋁粉摻量相同，脫氨錳渣與赤泥質(zhì)量比在1:0、1:0.3和1:0.5時(shí)，隨著脫氨錳渣摻量減少、赤泥摻量增加，加氣混凝土抗壓強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。脫氨錳渣與赤泥質(zhì)量比為1:1時(shí)的砌塊抗壓強(qiáng)度比1:0時(shí)低，因?yàn)槌嗄嘀械膲A性物質(zhì)雖然可激發(fā)SiO2活性，促進(jìn)SiO2溶解，生成更多水化產(chǎn)物[10]，但赤泥過量會(huì)使料漿流動(dòng)性變大，發(fā)氣量增大，導(dǎo)致加氣混凝土孔隙率高，制品強(qiáng)度降低。

鋁粉摻量對(duì)加氣混凝土干密度的影響如圖5所示。由圖5可知，脫氨錳渣與赤泥質(zhì)量比相同時(shí)，隨著鋁粉摻量增加，加氣混凝土干密度逐漸降低。鋁粉摻量相同，脫氨錳渣與赤泥質(zhì)量比在1:0、1:0.3、1:0.5和1:1時(shí)，隨著脫氨錳渣摻量減少、赤泥摻量增加，加氣混凝土干密度呈遞減趨勢(shì)，這和赤泥顆粒粒徑及比表面積有關(guān)，赤泥顆粒粒徑較大，比表面積較小，導(dǎo)致料漿粘稠度低，鋁粉發(fā)氣充分。

綜合考慮鋁粉摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度和干密度的影響可以發(fā)現(xiàn)，鋁粉摻量0.2%、脫氨錳渣與赤泥質(zhì)量比1:0.5時(shí)，制品抗壓強(qiáng)度和干密度符合GB/T 11968-2020《蒸壓加氣混凝土砌塊》中A5.0（抗壓強(qiáng)度≥5.0MPa）、B07（干密度≤750kg/m3）要求。因此，鋁粉摻量選擇0.2%。

2）水料比與加氣混凝土抗壓強(qiáng)度和干密度的關(guān)系

水料比對(duì)加氣混凝土抗壓強(qiáng)度的影響如圖6所示。由圖6可知，脫氨錳渣和赤泥質(zhì)量比相同時(shí)，隨著水料比增加，加氣混凝土制品抗壓強(qiáng)度呈先增后降趨勢(shì)。水料比為0.8時(shí)，各組砌塊抗壓強(qiáng)度最大。脫氨錳渣和赤泥顆粒較細(xì)，吸水性強(qiáng)，水料比較小時(shí)，水化不充分，生成的水化產(chǎn)物較少，制品抗壓強(qiáng)度較低，而水料比較大時(shí)，料漿發(fā)氣順暢，漿料中存在的小氣泡合并成大氣泡，一旦加氣混凝土在壓力下硬化，應(yīng)力集中可能發(fā)生，從而降低砌塊機(jī)械性能[11-12]。

圖6 水料比對(duì)加氣混凝土抗壓強(qiáng)度的影響Fig.6 Effect of water-material ratio on compressive strength of AAC

水料比對(duì)加氣混凝土干密度的影響如圖7所示。由圖7可知，脫氨錳渣與赤泥質(zhì)量比相同時(shí)，水料比變化與干密度成反比，水料比越大，加氣混凝土干密度越低。水料比增大，漿料初始粘度降低，漿料增稠速度減慢，鋁粉與漿料中堿溶液的反應(yīng)導(dǎo)致漿料膨脹阻力降低，因此，鋁粉發(fā)氣更充分，加氣混凝土干密度下降。當(dāng)水料比大于0.8、脫氨錳渣與赤泥質(zhì)量比為1:0.5和1:1時(shí)，所得制品符合GB/T 11968-2020中A5.0（抗壓強(qiáng)度≥5.0MPa）、B07（干密度≤750kg/m3）要求。

圖7 水料比對(duì)加氣混凝土干密度的影響Fig.7 Effect of water-material ratio on dry density of AAC

綜合考慮水料比對(duì)抗壓強(qiáng)度和干密度影響可以發(fā)現(xiàn)，水料比為0.8時(shí)，制品抗壓強(qiáng)度和干密度符合GB/T 11968-2020中A5.0（抗壓強(qiáng)度≥5.0MPa）、B07（干密度≤750kg/m3）要求。因此，水料比選擇0.8。

3）脫氨錳渣與赤泥質(zhì)量比對(duì)加氣混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

脫氨錳渣與赤泥質(zhì)量比對(duì)加氣混凝土抗壓強(qiáng)度的影響如圖8所示。由圖8可知，隨著脫氨錳渣減少、赤泥增多，加氣混凝土抗壓強(qiáng)度先增后降。脫氨錳渣與赤泥質(zhì)量比在1:0、1:0.3和1:0.5時(shí)，加氣混凝土抗壓強(qiáng)度呈遞增趨勢(shì)，而脫氨錳渣與赤泥質(zhì)量比為1:1時(shí)的抗壓強(qiáng)度比1:0時(shí)低。赤泥中的堿性物質(zhì)能作為SiO2活性激發(fā)劑促進(jìn)水化產(chǎn)物生成，但赤泥過量時(shí)，料漿流動(dòng)性增強(qiáng)，發(fā)氣效果好，制品孔隙率高，強(qiáng)度降低。在脫氨錳渣與赤泥質(zhì)量比為1:0.5時(shí)，制品抗壓強(qiáng)度為5.7MPa，干密度為745kg/m，符合GB/T 11968-2020中A5.0（抗壓強(qiáng)度≥5.0MPa）、B07（干密度≤750kg/m3）要求。

圖8 脫氨錳渣與赤泥質(zhì)量比對(duì)加氣混凝土抗壓強(qiáng)度的影響Fig.8 Effect of mass ratio of deaminated manganese residue to red mud on compressive strength of AAC

綜上，通過研究鋁粉摻量、水料比和脫氨錳渣與赤泥質(zhì)量比對(duì)加氣混凝土抗壓強(qiáng)度和干密度的影響，得出制備加氣混凝土的較佳工藝為：水泥用量15%、生石灰用量20%、砂用量32%、脫氨錳渣用量20%、赤泥用量10%、石膏用量3%、鋁粉摻量0.2%、水料比0.8，所制得加氣混凝土砌塊符合GB/T 11968-2020中A5.0（抗壓強(qiáng)度≥5.0MPa）、B07（干密度≤750kg/m3）要求。

3 結(jié)論

1）隨著溫度升高，料漿發(fā)氣加快且發(fā)氣量增加，適宜的發(fā)氣溫度為55℃；隨著赤泥摻量增加、脫氨錳渣摻量減少，料漿發(fā)氣速度加快，發(fā)氣量大幅增加，且發(fā)氣時(shí)間遞減。

2）在水泥用量15%、生石灰用量20%、砂用量32%、脫氨錳渣20%、赤泥用量10%、石膏用量3%、鋁粉摻量0.2%、水料比0.8時(shí)，所得制品的抗壓強(qiáng)度為5.7MPa，干密度為745kg/m3，達(dá)到GB/T 11968-2020中A5.0強(qiáng)度級(jí)別及B07干密度級(jí)別的要求。