堿渣改良海相軟土試驗研究

邵 勇，劉小麗，朱進(jìn)軍

(連云港職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇連云港222006)

0 引 言

工業(yè)堿渣是制堿過程中的廢棄物，每生產(chǎn)1 t純堿將產(chǎn)生0.3～0.6 t工業(yè)堿渣，對這些廢棄物的處理問題一直困擾著制堿企業(yè)。2016年，我國純堿產(chǎn)量為2 588.3萬t，工業(yè)堿渣產(chǎn)量約為776.49～1552.98萬t。工業(yè)堿渣直接排入河海必將對環(huán)境造成較大污染，因此大部分采取直接堆放，此舉占用大量土地。許多學(xué)者對如何實現(xiàn)工業(yè)堿渣的資源化利用展開了研究，尤其是工業(yè)堿渣在建筑工程中的應(yīng)用研究，并取得了一定成果。

(1)在水泥制品中的應(yīng)用，如混凝土、水泥砂漿等。但堿渣中含有CaCl2、NaCl，其中Cl-對鋼筋有腐蝕性，因此堿渣用于水泥制品宜慎重[1-3]。

(2)在制磚中的應(yīng)用。由于堿渣結(jié)構(gòu)松散，粘聚性差，因此在制磚時需加入其他材料來提高其整體性，一般有粉煤灰、石粉、石渣、水泥等。如果生產(chǎn)成本適宜，制磚不失為堿渣資源化利用的一種途徑[4-5]。

(3)在制作固化劑中的應(yīng)用。將堿渣與硅酸鈉溶液、粉煤灰、水玻璃等混合制成固化劑，用于改良土體性質(zhì)。但是，由于制作工藝和造價方面的考慮，并未得到廣泛使用[6- 8]。

(4)在回填工程中的應(yīng)用。將堿渣直接用于鹽腔回填，或與粉煤灰、元明粉等混合，用于路基填筑。工業(yè)堿渣對含水量的變化較為敏感，失水后易粉化，遇水后強度減小，因此在回填工程中，需注意含水量的變化，以確保堿渣土的穩(wěn)定性[9-11]。

工業(yè)堿渣用于膨脹土的改良取得了良好的效果[12]，但用于改良淤泥質(zhì)土未見報道。因此，本文主要研究工業(yè)堿渣改良海相軟土的可行性，為了對比分析，還進(jìn)行了海相軟土摻石灰、水泥等改良劑的試驗。試驗結(jié)果顯示，堿渣與粉煤灰聯(lián)合改良海相軟土具有一定的價值，能夠達(dá)到較好粘土的工程性質(zhì)，且造價方面具有一定的優(yōu)勢。如果能夠在工程建設(shè)中得到大量應(yīng)用，不僅解決堿渣堆放對環(huán)境的影響問題，而且能夠降低工程造價。

1 試驗布置

1.1 原材料

工業(yè)堿渣的主要成分為CaCO3、MgCO3、CaCl2、NaCl、Na2SO4、CaSO4等。其中，CaCO3、MgCO3的含量占60%以上，粒徑主要為0.01～0.075 mm，是一種級配不良的粉粒狀物質(zhì)，還是一種親水物質(zhì)，在天然狀態(tài)下，堿渣液限在95%左右，塑限在45%左右。工業(yè)堿渣的壓塑性較大，壓縮模量約5 MPa[13-14]。微觀結(jié)構(gòu)分析顯示，堿渣中空隙極為發(fā)育，礦物顆粒之間的連結(jié)較為松散?？梢哉J(rèn)為，工業(yè)堿渣含水率高、孔隙大、液塑限高、壓縮性大，工程性質(zhì)較差，直接用于工程建設(shè)的可能性較低。

本次試驗堿渣取自江蘇連云港堿廠，目前連云港堿渣采用了直接堆放的措施，占地面積約1 010 hm2，浪費了大量的土地面積。堿渣生產(chǎn)廢棄液體先排放到堿渣池中，然后自然沉積。排放不久的堿渣，狀態(tài)成流塑狀，取樣后需先進(jìn)行晾曬。堿渣池現(xiàn)場見圖1。

圖1 堿渣池現(xiàn)場

1.2 試樣制備

將海相軟土取回試驗室風(fēng)干后粉碎，過0.5 mm篩。初步試驗為加入堿渣對其進(jìn)行固化試驗，堿渣摻量為6%、12%、18%、24%、30%和36%，此百分比為工業(yè)堿渣與淤泥干土質(zhì)量之比，兩者均為風(fēng)干后質(zhì)量。堿渣制備過程與淤泥類似，經(jīng)自然風(fēng)干后粉碎，再經(jīng)過0.25 mm篩。

在混合固化材料和風(fēng)干淤泥材料時，將過篩土與固化材料人工混合均勻，配置含水率為30%的混合樣，人工攪拌均勻后，采用靜壓法分3層裝入內(nèi)徑3.91 cm、高8.0 cm的鋼制模具內(nèi)。試樣裝入模具后放入養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)，1 d后脫模，繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期進(jìn)行無側(cè)限抗壓強度試驗，每組3個試樣，結(jié)果取其平均值。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 無側(cè)限抗壓強度

圖2為混合料無側(cè)限抗壓強度與堿渣摻量的關(guān)系。從圖2可知，隨著堿渣摻量的提高，混合料的強度隨之提高，但當(dāng)堿渣摻量達(dá)12%之后，混合料的強度提高速度變緩，說明堿渣的摻量達(dá)12%后繼續(xù)增加，不能明顯提高混合料的強度。

圖2 堿渣摻量與抗壓強度的關(guān)系

圖3為18%堿渣含量的試樣抗壓強度與齡期的關(guān)系。從圖3可知，齡期從0～28 d時，試樣抗壓強度的提高速度較快，28～90 d齡期時，試樣抗壓強度的提高速度較慢。

圖3 抗壓強度與齡期的關(guān)系

2.2 應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

圖4為壓縮過程中的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。從圖4可知，試樣破壞時均有較大的應(yīng)變，可以看出堿渣混合料具有一定的粘滯性，特別是堿渣含量較低時，試樣在達(dá)20%應(yīng)變時仍未見讀數(shù)明顯變小。圖5為堿渣摻量與試樣破壞應(yīng)變的關(guān)系。從圖5可知，隨著堿渣摻量的提高，其破壞應(yīng)變隨著減小，堿渣含量為18%時，破壞應(yīng)變在12%左右，堿渣含量為36%時，破壞應(yīng)變在8%左右。

圖4 不同堿渣摻量應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系(28 d齡期)

圖5 堿渣摻量與破壞應(yīng)變的關(guān)系

圖6為堿渣摻量與壓縮模量的關(guān)系。海相軟土的壓縮模量為1.8 MPa左右，摻入堿渣后，其壓縮模量明顯提高，在堿渣摻入36%時，其壓縮模量達(dá)到了18.2 MPa，已經(jīng)達(dá)到了一般粘土的水平，說明堿渣的摻入有效改善了海相軟土的壓縮性能。此外，與無側(cè)限抗壓強度的發(fā)展規(guī)律一致，在堿渣摻入量達(dá)12%之后，壓縮模量的提高速度有所減緩。

圖6 堿渣摻量與壓縮模量的關(guān)系

2.3 壓實度的影響

填料的施工質(zhì)量對最終的效果影響較大，在實際施工過程中，對填料的使用效果產(chǎn)生影響的因素諸多。因此，本次試驗還進(jìn)行了壓實度的影響分析，分別配置了壓實度為80%、85%、90%和95%等4種試樣，每種試樣配置6個樣品，共計24個，進(jìn)行無側(cè)限抗壓強度試驗。樣品配置過程中，受環(huán)境和人為操作等因素的影響，最終試樣壓實度的測試結(jié)果并不能確保精確，但通過測試，其壓實度均在設(shè)定值附近，對最終研究結(jié)果無影響。測試結(jié)果見圖7。

圖7 壓實度與抗壓強度的關(guān)系

從圖7可以看出，壓實度對堿渣混合料的無側(cè)限抗壓強度影響較大。壓實度在80%附近時，混合料無側(cè)限抗壓強度約100 kPa，而壓實度達(dá)95%附近時，其無側(cè)限抗壓強度在約160 kPa。因此，在混合料實際應(yīng)用過程中，宜嚴(yán)格控制壓實度指標(biāo)。

3 對比試驗分析

3.1 無側(cè)限抗壓強度

表1～4為各混合料無側(cè)限抗壓強度測試結(jié)果。以最終90 d齡期為例，堿渣摻量為6%～36%的強度為121.83～232.058 kPa；摻入堿渣12%+粉煤灰3%～18%的強度為280.403～444.777 kPa；石灰摻量為3%～12%的強度為290.072～655.563 kPa；水泥摻量為3%～12%的強度為328.748～1 005.583 kPa。通過對比發(fā)現(xiàn)，摻入水泥的效果最好，單摻堿渣的效果最差。

圖8為28 d齡期各混合料的無側(cè)限抗壓強度。從圖8可以看出，固化劑的摻量越大，其強度越高；從固化劑摻量對強度的影響來看，水泥摻量的變化對強度影響最大，堿渣摻量的變化對強度影響最??；水泥摻量與強度的關(guān)系近似線性，其他3種固化劑成非線性，即摻量增大初期強度提高較快，后期較慢，說明固化劑摻量提高對強度的提高效果變?nèi)酰拯c分別為：堿渣在18%附近，堿渣+粉煤灰在12%附近，石灰在9%附近。

表1 摻堿渣無側(cè)限抗壓強度測試結(jié)果 kPa

表2 摻12%堿渣+粉煤灰無側(cè)限抗壓強度測試結(jié)果 kPa

表3 摻石灰無側(cè)限抗壓強度測試結(jié)果 kPa

表4 摻水泥無側(cè)限抗壓強度測試結(jié)果 kPa

圖8 無側(cè)限抗壓強度對比

從無側(cè)限抗壓強度值來看，摻入36%堿渣與摻入12%堿渣+3%粉煤灰或摻入3%石灰的強度值相當(dāng)，摻入12%堿渣+12%粉煤灰與摻入6%石灰或摻入4.5%水泥的強度值相當(dāng)。

3.2 破壞應(yīng)變

圖9為各種固化劑摻量與破壞應(yīng)變的關(guān)系(取自28 d齡期測試結(jié)果)。從圖9可以看出，摻入水泥或石灰的試樣破壞應(yīng)變最小，均在5%以內(nèi)；摻入堿渣+粉煤灰試樣的破壞應(yīng)變次之，在5%左右；摻入堿渣的試驗破壞應(yīng)變最大，在12%左右。相對而言，堿渣混合料具有一定的粘滯性，水泥及石灰混合料具有一定的脆性。

圖9 固化劑摻量與破壞應(yīng)變的關(guān)系

3.3 壓縮模量

圖10為固化劑摻量與試樣壓縮模量的關(guān)系，其特征與無側(cè)限抗壓強度類似。摻入堿渣后，海相軟土可達(dá)到一般性粘土的性質(zhì)，摻入堿渣+粉煤灰能夠達(dá)到較好粘土的性質(zhì)。

圖10 固化劑摻量與壓縮模量的關(guān)系

綜合無側(cè)限抗壓強度及壓縮模量來看，堿渣作為一種固化劑材料具有一定的可行性，能夠有效地改良海相軟土的工程性質(zhì)。

4 結(jié) 語

本文通過工業(yè)堿渣改良海相軟土的試驗研究，得到了以下幾點認(rèn)識：

(1)隨著堿渣摻量的提高，改良土強度隨之增大，摻量達(dá)12%之后強度提高緩慢。從壓縮模量來看，改良后軟土能夠達(dá)到一般性粘土的性質(zhì)。

(2)與粉煤灰聯(lián)合后，摻入12%堿渣+12%粉煤灰與摻入6%石灰或摻入4.5%水泥的強度值相當(dāng)，說明堿渣和粉煤灰聯(lián)合改良海相軟土具有更高的利用價值。

(3)與石灰、水泥相比，利用工業(yè)堿渣來改良海相軟土的造價更低。在滿足工程要求的前提下，可選用工業(yè)堿渣。