硅锰渣在建筑材料中的利用研究

硅锰合金中的锰和硅与氧的亲和力较强，在炼钢中产生的脱氧产物 MnSiO ₄ 和 Mn ₂ SiO ₄ 的熔点分别为 1270℃和 1327℃，具有熔点低、颗粒大、容易上浮、脱氧效果好等优点，因此，硅锰合金在炼钢中得到广泛的应用。随着国内外市场需求的增长以及连铸、炉外精炼等技术的发展，硅锰合金产量增长速度高于铁合金的平均增长速度，更高于钢的增长速度，成为钢铁工业不可缺少的复合脱氧剂和合金加入剂。从 1998 年以来，硅锰合金产量逐渐增大，2001 年起超过锰铁合金成为产量最大的锰系铁合金。到 2008 年，硅锰合金产量为 509.15万t，占锰系铁合金的 68.33%，占铁合金总量的 26.73%。

 硅锰渣是铁合金企业用锰矿、富锰渣、石灰、焦碳和硅石等原料在矿热炉中冶炼硅锰合金时排放的高温炉渣经过水淬或在空气中自然冷却形成的一种工业废渣。高温熔融的硅锰合金炉渣经过水淬快冷后形成疏松多孔的颗粒状硅锰渣，硅锰合金炉渣在空气中自然冷却或由于水淬不充分则形成结构密实的块状硅锰渣。硅锰渣的主要化学成分为SiO ₂ 和CaO ，其次是Al ₂ O ₃ 和MgO，硅锰渣的化学成分较锰铁渣与水泥成分之间的差别更大。在硅锰合金的冶炼过程中，为了改善硅的还原条件，炉料中必须有足够的 SiO ₂ 。同时为了使排放的炉渣流动性好且锰含量低，矿热炉的炉渣碱度((CaO＋MgO)/SiO ₂ )一般控制在 0.6~0.8，因此铁合金企业排放的硅锰渣呈酸性（CaO/SiO ₂ ＜1.0），这是硅锰渣与锰铁渣的显著区别。颗粒状硅锰渣由于水淬急冷形成大量的玻璃体和少量的 SiO ₂ 、Ca S 和 CaAl(AlSiO ₂ )等矿物。缓慢冷却的块状硅锰渣主要含有镁黄长石、钙铝的硅化物、锰氧化物、石英等晶体矿物。

据相关企业统计和报道，每生产 1t 硅锰合金将产生 1.2~1.3t 硅锰渣，近 10 来，每年约有 300 万t 硅锰渣产生，且大部分铁合金企业排放的硅锰渣未经任何处理直接丢弃，或排入河、海中，或筑坝堆置起来。任意排放和堆置的硅锰渣不仅占用大量土地，而且还污染环境，同时也造成可再利用资源的浪费，因此综合利用废弃的硅锰渣，让其变废为宝已是当务之急。对于近年来大量产生的硅锰渣的综合利用研究较少，且主要集中于硅锰渣中的颗粒状硅锰渣，而对活性相对较低且排放量也很大的块状硅锰渣研究却鲜见报道。目前硅锰渣在建筑材料领域的综合利用有以下途径：

本论文对硅锰渣理化特性进行了较充分研究，并对硅锰渣在建筑材料中的利用分别开发了用于水泥混凝土掺合料、碱激发胶凝材料和路面混凝土集料三条途径，同时探索了热活化和调质热活化两条技术途径来提高块状硅锰渣掺合料活性。研究主要得出以下结论：

① 硅锰渣主要含有 CaO（25%~27%）和 SiO ₂ （35%~37%）等成分，质量系数和碱性系数分别约为 1.0 和 0.8。块状硅锰渣主要含有 CaSiO ₃ 、CaAl ₂ O ₄ 、Ca ₂ Al ₂ SiO ₇ 、Ca ₂ MgSi ₂ O ₇ 、MgSiO ₃ 等矿物成分。颗粒状硅锰渣主要由非晶体和少量的硅酸铝和石英等矿物组成。块状硅锰渣和颗粒状硅锰渣水泥胶砂的 28d 抗压强度比分别为 82.6%和 93.3%，可用作水泥混凝土掺合料和碱激发胶凝材料等。 

② 硅锰渣掺合料的掺入会降低水泥净浆、胶砂和混凝土的早期强度，但掺量在 10%~20%左右时水泥基材料的后期强度和混凝土耐久性得到提高，掺合料越细其增强效果越好，且颗粒状硅锰掺合料优于块状硅锰渣掺合料。

 ③ 热活化和调质热活化工艺提高块状硅锰渣早期活性约 50%，热活化块状硅锰渣后期活性有所降低，而调质热活化块状硅锰渣后期活性与未处理块状硅锰渣相当。煅烧 1050℃后急冷的块状硅锰渣颗粒活性最高，以 Ca O 作为调质剂调质硅锰渣质量系数到 1.48 并经 1050℃煅烧后急冷的调质热活化块状硅锰渣活性最好。

 ④ 无水硫酸钠、氢氧化钠和水玻璃作为颗粒状硅锰渣胶凝材料激发剂时最佳掺量分别为 3%、4%和 5%。水玻璃激发效果最好，其掺量为 5%时碱激发颗粒状硅锰渣胶凝材料的 28d 抗压强度和抗折强度分别达到 64.1MPa 和 9.5MPa。

 ⑤ 块状硅锰渣粗集料按照适当比例级配后适用于各类路面混凝土。块状硅锰渣粗集料取代率超过50%以后，路面混凝土的力学性能和耐磨性能分别提高了10%和 30%、干燥收缩值降低了 15%。块状硅锰渣作为粗集料应用于路面混凝土中时可以完全取代天然粗集料，使得块状硅锰渣在混凝土中的利用率达到 100%。

上述研究表明：硅锰渣在水泥混凝土、碱激发胶凝材料和路面混凝土等建筑材料领域的利用不仅能够减少硅锰渣的环境污染，还能获得性能优良的建筑材料，可以广泛的加以推广应用。