锰渣应用研究阶段性成果总结及后期研究计划

2021-07-02令狐克浪张行鹏胡洪丽唐明英

绿色环保建材 2021年6期

关键词：试验段填料黏土

令狐克浪张行鹏袁波胡洪丽唐明英

贵州省公路工程集团有限公司

1 锰渣产量

贵州铜仁锰丰富，锰渣产量大，日产2000多吨，锰渣大量的产出，需要大量的土地堆放，同时重金属由少变多的聚集，对渣源堆放地周边的水环境和生态环境造成影响，为了减少环境污染，节约用地，对锰渣应用的研究势在必行。

2 锰渣形态

刚出炉的锰渣黏结成块状，如细黏土，从表面观初步判断，处于塑限含水量的状态。

3 化学成分分析

3.1 矿物质含量分析

根据表1表2两个生产厂锰渣的化学分析初步确定，SO3含量过高，（K2O+Na2O）含量也偏高，《矿物掺合料应用技术规范》（GB 51003—2014）规定，粉煤灰SO3≦3%，钢渣粉及粒化高炉矿渣粉等掺和料SO3≦4%，初步判定不宜用于水泥混凝土，水泥混凝土要求掺和料中SO3≦3%。

表1 铜仁松桃三和电解锰渣

3.2 电解锰渣浸出毒性测试

根据我国固体废弃物浸出毒性的测试方法（HJ 557—2010）。对电解锰渣进行浸出毒性测试，以纯水为浸取剂，且电解锰渣与纯水质量比为1:10，（纯水密度为1g/cm3）常温下，样品在110±10min-1转速条件下浸出8h，放置16h，过滤，检测滤液中各物质的浓度。由表2可知，电解锰渣浸出液中主要含有Mn2+、NH3+-N、Ca2+、Mg2+，其中电解锰渣浸出液中重金属Cu、Zn、Cr、Co、Sb、Cd、Sn、Pb等离子的含量均低于国家污水排放标准，而Mn2+和NH3+-N浸出液浓度分别为1187.71mg/L、396.49mg/L，其含量远超《污水综合排放标准》（GB 8978—1996）。

表2 铜仁大龙西能硫酸锰渣

表3 电解锰渣浸出测试

4 Mn2+和NH3-N超标问题处理方法

由于贵州土质多属于黏土，黏土对Mn2+和NH3-N均有一定的吸附作用，拟采用1层黏土1～3层（试验确定）锰渣的填筑方式，下层的黏土把上层锰渣渗出的Mn2+和NH3-N吸附，解决了Mn2+和NH3-N对环境造成的危害。

5 锰渣作为路基填料研究试验

锰渣来源，贵州省铜仁市三和锰业弃渣场，直接从运渣输送带上取样。

试验方法，所有检测指标均是根据《公路土工试验规程》（JTGF40—2007）进行试验的结果，最大干密度和最佳含水量采湿法试验，同时采用重型击实和轻型击实两种方式互相验证。CBR采用的是重型击实试验。

5.1 用于路基填料初步试验成果

根据《公路工程地质勘察规范》（JTGC 20—2011）判断，三和锰渣液限指数为IL=0.04，0＜IL≦0.25属于硬塑黏性土；自由膨胀率为F a=7.77%，Fa＜40%属于非膨胀土；根据《公路路基施工技术规范》（JTG 3610—2019）规定，CBR强度为22.8%，大于8%，所检指标满足路基填料要求，可作为路基各层的填料（见表1）。作为路基填料时，锰渣的天然含水量接近塑限含水量，满足路基填筑压实要求，便于施工。（注意各类锰渣的性能是不同的，需要以试验数据为准，如西能的硫酸锰渣最大干密度1.33，CBR=21.4%，0.045mm的累计筛余（细度）28.3%）。

6 水泥锰渣稳定土和石灰锰渣稳定土研究试验成果

(1）细集料：细度模数据3.0，级配为I区的机制砂，石粉含量11%，不含泥，亚甲蓝＜1.4，母材抗压强度80MPa。

（2）粗集料：最大粒径25mm，5～20mm的连续级配，母材抗压强度80MPa，不含泥。

（3）水泥：红狮牌PO 42.5水泥。

（4）锰渣：三和锰业直接废弃的锰渣，采用水洗法进行细度试验0.075mm的筛余为5.3%，0.045mm的累计筛余（细度）12.5%。

（5）7天无侧限强度试验方法。由于天然锰渣很难烘干，且烘干后也是块状，需要磨细才能使用，考虑烘干-磨细过程需要成本较大。把天然含水量的锰渣块烘干后进行试验。试验时的拌和方法如下：①水泥锰渣稳定土试验拌和方法，先把不同掺量的锰渣按比例称好，再按比例加水浸泡后搅拌成锰渣浆体，然后加入已拌和好的水泥砂石混合料中进行拌和，拌和时间需要2min～4min，锰渣掺量越高拌和时间越长，做7天无侧限抗压强度试件。②石灰锰渣稳定土试验拌和方法，生石灰、锰渣、水、按比例拌和成二灰浆，二灰将再与砂石按比例拌和成二灰土，做7天、28天、60天的无侧限抗压强度。

（6）7天无侧限抗压强度试验结果。在试验过程中，保持拌和物的施工性能（干湿度）与未加锰渣的拌和物性能一致，每增加3%的锰渣，就要增加水0.52%。

①水泥锰渣稳定土试验结果显示（表5），水泥用量不变，增加锰渣会降低7天强度，锰渣的增加在15%以内，7天无侧限强度没变化不大，如果锰渣增加到20%以上，由于用水量大量增加，水与水泥的比例增加，导致7天无侧限抗压强度降低；如（表5）中，水泥+锰渣=2%+15%与水泥+锰渣=5%+20%的7天抗压强度相等，均为4MPa，如果保持7天强度一致，锰渣掺量大于20%，对水泥的消耗增大，不节约成本；增加锰渣掺量，能改善拌和物的施工性能，但降低早期强度，减少锰渣掺量可以提高早期强度，并节约成本。因此在使用时，根据需要，选择锰渣掺量。

表4 锰渣作为填料时路用性能试验结果

表5 水泥锰渣稳定土试验数据

②石灰锰渣稳定土试验数据显示（表6），7天强度低，后期强度随龄期延长而增长，

表6 石灰锰渣稳定土试验数据

根据以上初步试验成果，说明锰渣在公路工程中是有一定使用价值的，但还需进一步试验研究证明它的稳定性和对环境的影响。

7 下步研究试验计划

前期的试验结果，只能说明锰渣各项指标满足《公路路基施工技术规范》（JTG/T 3610—2019）对路基填料的技术要求；满足《公路路面基层施工技术细则》（JTGF20—2015）中7天无侧限抗压强度要求；作为填料对环境影响方面未说清楚，作为胶材产生的收缩膨胀对路面基层后期造成破坏未说清，作为胶材后期强度发展趋势未说清楚，因此还需要完成以下试验。

7.1 中期试验计划

（1）锰渣填料的路用性能试验：对西能厂的硫酸锰渣进行路用性能各项指标检测，包括用于填方的性能指标，和用于路面的性能指标。

（2）浸出毒性测试：为了防止锰渣渗出液对环境造成污染，基于黏土对Mn2+和NH3-N离子有吸附作用来考虑，计划采用天然含水锰渣进行试验（与实际施工相同），黏土与锰渣分层压实，按1:1、1:2、1:3、1:4、1:5进行分层压实，压实度按50%进行（压实度过大，水渗不下去），干锰渣与水的比例按1:10的加水浸渗，检测渗出液中的Mn2+和NH3-N含量及其他有害物质含量，以便确定路基分层填筑方案。

(3）无侧限抗压强度：固定水泥掺量为3%，分别掺入最大干密度的5%、10%、15%、20%、25%的锰渣，每增加5%的锰渣，砂率降低1%、2%，测7天、28天、60天强度，找强度发展规律。

（4）干缩试验：固定水泥掺量为5%，分别掺入最大干密度的10%、15%、20%、25%、30%、40%的锰渣（每增加5%的锰渣，砂率降低1%、2%），检测稳定土的干缩值，找出导致收缩的掺量范围。