低温改性电解锰渣基岩溶注浆材料的工程特性与环境效应研究

针对电解锰渣(EMR)堆存量大、活性低且含NH3-N/Mn等污染物的难题，研究人员开发了由300℃煅烧EMR、电石渣(CCS)和水泥熟料(CC)组成的复合活化剂(CA)，替代矿渣(GGBS)制备高性能注浆材料。研究表明，当EMR:CCS:CC=25:3:4时，材料28天无侧限抗压强度>24MPa、渗透系数<10-7cm/s，且重金属浸出浓度低于国标限值，为锰三角地区岩溶渗漏治理提供了环保解决方案。

　　

【研究背景】
在中国"锰三角"地区（重庆秀山、贵州松桃、湖南花垣），电解锰产业每年产生超150万吨电解锰渣(EMR)，其富含NH₃-N、Mn²⁺及重金属，pH值仅3-5，长期堆存于岩溶地貌区导致严重的地下水污染。传统水泥-水玻璃注浆材料存在凝结时间长、界面粘结差等问题，而微生物诱导矿化(MICP)技术又面临NH₄⁺副产物风险。如何将EMR"变废为宝"并解决岩溶渗漏，成为环境与岩土工程领域的重大挑战。

【研究方法】
贵州某研究团队通过三步法制备新型注浆材料：(1)机械-热活化EMR（300℃煅烧2h）；(2)将活化EMR与CCS、CC按25:3:4配比制成复合活化剂(CA)；(3)CA与GGBS、水泥熟料混合制备EMR-GGBS-CC浆体(EGC)。采用SEM-EDS、XRD分析微观结构，通过毒性浸出实验评估环境安全性，并对比分析了与传统材料的碳排放差异。

【研究结果】

1. 材料制备与优化
   CA系统显著提升EGC早期水化效率，最佳配比下生成的钙矾石(AFt)和C-S-H凝胶形成网状致密结构。低煅烧温度既保留EMR中CaSO₄·2H₂O向半水石膏的转化活性，又避免高能耗问题。

2. 工程性能
   • 凝结时间：随水灰比增大而延长，但CA含量增加会缩短凝结时间
   • 流动度：水灰比0.6时流动度达270mm，满足泵送要求
   • 力学强度：28天无侧限抗压强度(UCS)超24MPa，抗折强度>5MPa
   • 抗渗性：渗透系数稳定在10^-8-10^-7cm/s量级

3. 环境安全性
   毒性浸出实验中Mn和NH₃-N浓度分别为0.8mg/L和12.3mg/L，低于GB 8978-1996限值（2mg/L和25mg/L）。CA中CCS提供的碱性环境有效固定重金属离子。

4. 经济环保性
   每吨EGC成本较传统材料降低35%，CO₂排放减少28%，兼具经济效益与低碳优势。

【结论与意义】
该研究开创性地将危险废物EMR转化为高性能岩溶注浆材料，通过低温活化-复合配比协同调控，实现了"以废治漏"的双重目标。材料兼具早期强度高（1天UCS达8.7MPa）、终期结构致密、污染物固化稳定等特点，特别适用于锰矿区岩溶裂隙封堵与污染阻控。该成果为《国家危险废物名录》中的EMR处置提供了可推广的解决方案，对推进"无废城市"建设具有重要实践价值。