脱氨锰渣与赤泥协同制备加气混凝土

张欢欢，程金科＊

（1.贵州大学 化学与化工学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州省高性能砼材料及成型工程技术研究中心，贵州 龙里 561200）

0 引言

电解锰渣富含硅、钙和铝，在建材领域有较大应用潜力，可用于制备水泥[1-2]、蒸压砖[3]、多孔陶瓷[4]等，但均需煅烧，增加能耗；锰渣也可用于制备免烧砖[5]，虽不用煅烧，但未煅烧的锰渣呈黑色，产品用户接受度低。加气混凝土（AAC）重量轻、保温性能好、加工能力强，被广泛用于建筑领域，其生产过程的蒸压养护工序可分解锰渣中有机质、灭活细菌，减少霉变发生，同时制品呈灰白色，易推广，且无需烧结，能耗低，在消纳固废方面有较大优势。

将脱氨锰渣用于制备加气混凝土，可避免氨氮无组织释放而危害人体健康和污染环境，也可防止锰离子影响锰渣掺量和材料性能。脱氨锰渣和赤泥都含有丰富的硅源和钙源，可作为制备加气混凝土的硅质原料[6]。脱氨锰渣为酸性渣，颗粒细、活性低，单掺用于制备加气混凝土会降低料浆碱性，产生憋气和速凝现象，影响产品性能；赤泥为碱性渣，单掺用于制备加气混凝土时料浆碱性增强，铝粉发气较快，易形成连通孔，对制品的力学和热学性能不利[7]。而将脱氨锰渣和赤泥以适宜比例混合替代部分硅源作为生产加气混凝土原料，料浆酸碱度和流动性适中，为铝粉发气提供了较佳条件，且赤泥中碱性物质能激发料浆中SiO2活性，提高抗压强度。

本文以企业配方为基础，即水泥15%、生石灰20%、砂32%、粉煤灰30%、石膏3%，用脱氨锰渣和赤泥作为硅源替代全部粉煤灰制备蒸压加气混凝土，研究脱氨锰渣和赤泥的理化性质、温度、铝粉掺量、质量比、水料比等对料浆发气、抗压强度、干密度的影响，以获得加气混凝土的较佳制备工艺，拓宽锰渣和赤泥资源化利用途径，促进相关行业绿色低碳发展。

1 试验

1.1 原材料

1）脱氨锰渣的理化性质

脱氨锰渣的主要成分及含量见表1。由表1可知，脱氨锰渣主要组成为SiO2、CaO和SO3，占总含量的83.3%。

表1 脱氨锰渣主要成分及含量Tab.1 Main components and contents of deammoniated manganese residue

2）砂

本试验所用砂取自贵州某节能建材有限公司，原料为淡黄色状，SiO2含量大于90%。将样品置于105℃烘箱中烘36h，然后放入球磨机中球磨12h，所得硅砂粉末过80μm方孔筛。其化学组成见表2。

表2 砂的化学组成Tab.2 Chemical composition of sand

3）生石灰

本试验所用生石灰取自贵阳市某企业，符合JC/T 621-2021《硅酸盐建筑制品用生石灰》技术要求，其主要化学成分见表3。

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

4）水泥

本试验所用水泥来自贵阳市某水泥企业的P·O42.5普通硅酸盐水泥，其化学组成见表4。

表4 水泥化学组成Tab.4 Chemical composition of cement

5）石膏

本试验所用石膏由四川祥瑞龙仪器有限公司提供，其化学组成见表5。

表5 石膏主要化学组成Tab.5 Main chemical composition of gypsum

6）铝粉膏

本试验所用铝粉膏为油剂型铝粉膏GLY-75，来自贵州长泰源节能建材有限公司，性能满足JC/T 407-2008《加气混凝土用铝粉膏标准》要求。

7）赤泥的理化性质

赤泥是碱处理铝土矿生产氧化铝过程中产生的固体废弃物，因含有大量氧化铁而呈红色[8]，其特点是pH值和碱含量高[9]。本研究所用赤泥取自贵州某企业。根据HJ 962-2018《土壤pH的测定》方法对赤泥pH值进行测定，测得赤泥浸出液pH值为9.65，呈碱性。赤泥的化学组成如表6所示，由表6可知，赤泥主要成分为SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO，占总含量的82.97%。图1为赤泥矿物组成，由图1可知，赤泥主要矿物为赤铁矿（Fe2O3）、方解石（CaCO3）、水石榴子石（Ca3Al2(SiO4)(OH)8）、水铝石（AlOOH）和钙霞石等。

图1 赤泥的XRD图Fig.1 XRD of red mud

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

1.2 试验方案

1）加气混凝土样品的制备

根据设计的试验配比，用电子天平准确称量脱氨锰渣、赤泥、水泥、砂和石膏，倒入水泥净浆搅拌机中，在55℃温水下搅拌1min，加入生石灰继续搅拌1min，最后加入铝粉膏搅拌40s。将混合料浆搅拌均匀后注入50mm×50mm×50mm模具中，在恒温干燥箱中静停养护5h，试件经发气后去除多余部分，取出并放入蒸压釜中养护。蒸压养护制度为预热50min，抽真空50min，蒸压釜内气压为0.06MPa，然后恒温3.2h，釜内气压达到1.15MPa，最后恒温恒压蒸养8h。

2）加气混凝土干密度和抗压强度检测方法

将混合均匀的料浆倒入50mm×50mm×50mm钢制模具中，放入养护箱中静停养护，待样品有一定强度后去除超出模具部分，将所得标准立方体试件放入蒸压釜中养护，养护完毕后取出，砌块按GB/T 11969-2020《蒸压加气混凝土性能试验方法》进行测试。

3）分析方法

采用荷兰帕纳科Zetium X射线荧光法（XRF,Al Kα=1253.8eV）测定样品化学组成，采用X射线粉末衍射仪（XRD,D8，荷兰帕纳科）在扫描范围5°～90°，电压40kV，电流40mA条件下采用Cu Kα辐射源分别对处理前后的电解锰渣及蒸压加气混凝土砌块的物相组成进行分析。采用JADE软件分析样品XRD图谱，根据标准卡片库（PDF 2004）检索得到矿物组成。

2 结果与讨论

2.1 加气混凝土料浆发气研究

1）温度对料浆发气的影响

图2为温度对料浆发气的影响。由图2可知，随着料浆温度升高，发气速度加快，发气量不断增加，由138mL增到166mL，同时发气时间缩短，料浆温度45℃时温度低，反应较慢，发气时间较长，约35min，65℃时温度高，反应迅速，发气时间较短，约25min，55℃时反应适中，30min完成发气。

图2 温度对料浆发气的影响Fig.2 Effect of temperature on gas generation of slurry

2）脱氨锰渣与赤泥质量比对料浆发气的影响

脱氨锰渣与赤泥质量比与料浆发气的关系见图3。由图3可知，随着赤泥掺量增加，脱氨锰渣掺量减少，料浆发气速度加快，发气量大幅增加，发气时间递减。这是因为赤泥掺量增加使溶液中碱性物质增多、溶液碱性增强，与铝粉反应较充分；脱氨锰渣的主要矿物相为CaSO4·0.5H2O，CaSO4·0.5H2O会重新吸水变为CaSO4·2H2O，导致浆体流动性变化，而浆体吸水越少，初始粘度越低，流动性越高，发气膨胀越快，反应时间就越短。但赤泥过量对料浆发气存在不利影响，如0.3:1和0.5:1时，发气时间为15min和20min，发气过快导致气泡快速增加，出现冒泡现象。

图3 脱氨锰渣与赤泥质量比对料浆发气的影响Fig.3 Effect of mass ratio of deaminated manganese residue to red mud on gas generation of slurry

综上，随着温度升高，料浆发气加快且发气量增加，适宜的发气温度为55℃；脱氨锰渣越少，赤泥越多，发气速度越快，发气时间越短，这与脱氨锰渣成分及赤泥碱性有关。

2.2 加气混凝土砌块性能研究

1）铝粉掺量对加气混凝土抗压强度和干密度的影响

铝粉掺量对料浆发气膨胀起重要作用，铝粉含量越多，发气量越大，但铝粉过量会发生冒泡现象，铝粉过少则会导致发气不足。因此，需探究铝粉的较佳掺量。

铝粉掺量与加气混凝土抗压强度的关系见图4。由图4可知，脱氨锰渣与赤泥质量比相同时，随着铝粉掺量增加，加气混凝土抗压强度逐渐降低。铝粉掺量相同，脱氨锰渣与赤泥质量比在1:0、1:0.3和1:0.5时，随着脱氨锰渣掺量减少、赤泥掺量增加，加气混凝土抗压强度逐渐增强。脱氨锰渣与赤泥质量比为1:1时的砌块抗压强度比1:0时低，因为赤泥中的碱性物质虽然可激发SiO2活性，促进SiO2溶解，生成更多水化产物[10]，但赤泥过量会使料浆流动性变大，发气量增大，导致加气混凝土孔隙率高，制品强度降低。

铝粉掺量对加气混凝土干密度的影响如图5所示。由图5可知，脱氨锰渣与赤泥质量比相同时，随着铝粉掺量增加，加气混凝土干密度逐渐降低。铝粉掺量相同，脱氨锰渣与赤泥质量比在1:0、1:0.3、1:0.5和1:1时，随着脱氨锰渣掺量减少、赤泥掺量增加，加气混凝土干密度呈递减趋势，这和赤泥颗粒粒径及比表面积有关，赤泥颗粒粒径较大，比表面积较小，导致料浆粘稠度低，铝粉发气充分。

综合考虑铝粉掺量对抗压强度和干密度的影响可以发现，铝粉掺量0.2%、脱氨锰渣与赤泥质量比1:0.5时，制品抗压强度和干密度符合GB/T 11968-2020《蒸压加气混凝土砌块》中A5.0（抗压强度≥5.0MPa）、B07（干密度≤750kg/m3）要求。因此，铝粉掺量选择0.2%。

2）水料比与加气混凝土抗压强度和干密度的关系

水料比对加气混凝土抗压强度的影响如图6所示。由图6可知，脱氨锰渣和赤泥质量比相同时，随着水料比增加，加气混凝土制品抗压强度呈先增后降趋势。水料比为0.8时，各组砌块抗压强度最大。脱氨锰渣和赤泥颗粒较细，吸水性强，水料比较小时，水化不充分，生成的水化产物较少，制品抗压强度较低，而水料比较大时，料浆发气顺畅，浆料中存在的小气泡合并成大气泡，一旦加气混凝土在压力下硬化，应力集中可能发生，从而降低砌块机械性能[11-12]。

图6 水料比对加气混凝土抗压强度的影响Fig.6 Effect of water-material ratio on compressive strength of AAC

水料比对加气混凝土干密度的影响如图7所示。由图7可知，脱氨锰渣与赤泥质量比相同时，水料比变化与干密度成反比，水料比越大，加气混凝土干密度越低。水料比增大，浆料初始粘度降低，浆料增稠速度减慢，铝粉与浆料中碱溶液的反应导致浆料膨胀阻力降低，因此，铝粉发气更充分，加气混凝土干密度下降。当水料比大于0.8、脱氨锰渣与赤泥质量比为1:0.5和1:1时，所得制品符合GB/T 11968-2020中A5.0（抗压强度≥5.0MPa）、B07（干密度≤750kg/m3）要求。

图7 水料比对加气混凝土干密度的影响Fig.7 Effect of water-material ratio on dry density of AAC

综合考虑水料比对抗压强度和干密度影响可以发现，水料比为0.8时，制品抗压强度和干密度符合GB/T 11968-2020中A5.0（抗压强度≥5.0MPa）、B07（干密度≤750kg/m3）要求。因此，水料比选择0.8。

3）脱氨锰渣与赤泥质量比对加气混凝土抗压强度的影响

脱氨锰渣与赤泥质量比对加气混凝土抗压强度的影响如图8所示。由图8可知，随着脱氨锰渣减少、赤泥增多，加气混凝土抗压强度先增后降。脱氨锰渣与赤泥质量比在1:0、1:0.3和1:0.5时，加气混凝土抗压强度呈递增趋势，而脱氨锰渣与赤泥质量比为1:1时的抗压强度比1:0时低。赤泥中的碱性物质能作为SiO2活性激发剂促进水化产物生成，但赤泥过量时，料浆流动性增强，发气效果好，制品孔隙率高，强度降低。在脱氨锰渣与赤泥质量比为1:0.5时，制品抗压强度为5.7MPa，干密度为745kg/m，符合GB/T 11968-2020中A5.0（抗压强度≥5.0MPa）、B07（干密度≤750kg/m3）要求。

图8 脱氨锰渣与赤泥质量比对加气混凝土抗压强度的影响Fig.8 Effect of mass ratio of deaminated manganese residue to red mud on compressive strength of AAC

综上，通过研究铝粉掺量、水料比和脱氨锰渣与赤泥质量比对加气混凝土抗压强度和干密度的影响，得出制备加气混凝土的较佳工艺为：水泥用量15%、生石灰用量20%、砂用量32%、脱氨锰渣用量20%、赤泥用量10%、石膏用量3%、铝粉掺量0.2%、水料比0.8，所制得加气混凝土砌块符合GB/T 11968-2020中A5.0（抗压强度≥5.0MPa）、B07（干密度≤750kg/m3）要求。

3 结论

1）随着温度升高，料浆发气加快且发气量增加，适宜的发气温度为55℃；随着赤泥掺量增加、脱氨锰渣掺量减少，料浆发气速度加快，发气量大幅增加，且发气时间递减。

2）在水泥用量15%、生石灰用量20%、砂用量32%、脱氨锰渣20%、赤泥用量10%、石膏用量3%、铝粉掺量0.2%、水料比0.8时，所得制品的抗压强度为5.7MPa，干密度为745kg/m3，达到GB/T 11968-2020中A5.0强度级别及B07干密度级别的要求。