堿渣拌合物工程特性研究★

馬純杰 張欣然 韓 磊 郭燕文

(1.濰坊市建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，山東濰坊 261041; 2.山東大地建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司壽光分公司，山東濰坊 261041;3.山東景城建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，山東濰坊 261041; 4.中瀚國際建筑設(shè)計(jì)顧問有限公司，山東青島 266000)

1 概述

堿渣是氨堿法生產(chǎn)純堿過程中產(chǎn)生的一種工業(yè)廢料［1］。伴隨著純堿的生產(chǎn)，每年都會(huì)產(chǎn)生大量的堿渣。目前為止，國內(nèi)外對(duì)堿渣廢料的處理沒有統(tǒng)一有效的方法，大多數(shù)堿廠認(rèn)為堿渣用處不大，本身又無毒，不值得回收利用，一般經(jīng)管道輸送至貯渣場進(jìn)行存儲(chǔ)。但堿渣成分和性質(zhì)復(fù)雜而特殊，特別是含高濃度的腐蝕性氯離子，對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)及區(qū)域性生態(tài)環(huán)境造成不利影響［2］。

基于上述研究背景，國內(nèi)外學(xué)者一直致力于尋找堿渣資源化再利用的有效方法，如堿渣土壤改良劑［3-6］，堿渣建筑材料添加劑［7-9］等，該方法雖在一定程度上消耗了堿渣，但均不能大規(guī)模、低成本地利用堿渣。20世紀(jì)90年代，日本將堿渣與粉煤灰拌合制成工程土應(yīng)用于當(dāng)?shù)氐奶詈Ｔ炻罚〉昧艘欢ㄐЧ?0］;國內(nèi)方面，婁性義等(1999)，張明義等(2003)對(duì)青島堿廠堿渣廢料進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)，并對(duì)其與粉煤灰拌合物工程特性進(jìn)行了研究［11，12］;閆澍旺等(2006)結(jié)合天津堿廠實(shí)際情況，將其與粉煤灰拌合制成工程土進(jìn)行低洼地區(qū)的填墊，并對(duì)填墊后工程土性狀進(jìn)行檢測，效果較好［13］;田學(xué)偉等(2009)對(duì)唐山堿廠堿渣廢料制作工程土進(jìn)行了研究［14］。本文針對(duì)山東海化堿廠堿渣存放的實(shí)際情況，對(duì)其分別與粉煤灰、石灰拌合物的工程特性進(jìn)行研究，為其應(yīng)用于工程實(shí)際提供技術(shù)依據(jù)。

2 堿渣物理力學(xué)性質(zhì)及微觀結(jié)構(gòu)分析

2.1 堿渣物理力學(xué)性質(zhì)分析

山東?；瘔A廠現(xiàn)有渣池已儲(chǔ)存2 000多萬噸純堿的蒸氨廢渣和廢鹽泥，總固體廢料約4 000多萬立方米，渣場高度已達(dá)14 m，占地約4 km2，天然狀態(tài)下堿渣呈白色膏狀物體?，F(xiàn)場取樣后測得膏狀堿渣含水量大于200%，液限大于90%，塑限在60%左右，物理性狀與一般工程土差別很大，不能直接作為工程土使用。風(fēng)干后表層堿渣通常以松散的粉末狀存在，孔隙較大，強(qiáng)度幾乎為零。深層處堿渣因表面存在粒徑為2 μm～5 μm的結(jié)晶物，通常以團(tuán)聚體的形式存在，含水量仍然較高。

研究表明堿渣主要化學(xué)成分為碳酸鈣及鋁、鐵、硅等氧化物，這些氧化物大部分為難溶的鹽類且含量相對(duì)較高，而氯化鈣、氯化鈉等易溶于水的物質(zhì)則含量相對(duì)較少。但是難溶的鹽類物質(zhì)吸水性較強(qiáng)，且易潮解，導(dǎo)致深層堿渣含水量較高。同時(shí)難溶鹽類具有很強(qiáng)的腐蝕性，對(duì)堿渣堆放區(qū)域的生態(tài)環(huán)境造成不利影響。

2.2 堿渣顆粒粒徑分析

為了解堿渣的粒度成分，取深層堿渣土試樣兩份，烘干碾細(xì)后采用激光粒度分析儀分別進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)。分析可知，堿渣試樣顆粒粒徑曲線較為平滑，顆粒粒徑介于0.5 μm～70.0 μm 之間。其中，粒徑分布在0.5 μm ～10.0 μm 顆粒所占百分比約為60%，10.0 μm ～35.0 μm 間的顆粒約占35%，35.0 μm ～70.0 μm間的顆粒約占5%，粒徑分布較好，利于與其他材料拌合形成工程土。

2.3 堿渣微觀結(jié)構(gòu)分析

取深層團(tuán)聚狀堿渣碾細(xì)晾干后加入丙酮，利用超聲波技術(shù)將其擊碎，然后在電鏡下進(jìn)行觀察，這樣可以清楚地觀察到單個(gè)堿渣顆粒的排列。圖1表示放大3 000倍后電鏡下堿渣圖像?？梢钥闯?，堿渣表面較粗糙，內(nèi)部孔隙較大，堿渣呈蜂窩狀存在。單個(gè)堿渣顆粒之間以點(diǎn)接觸方式為主，顆粒之間雖有針狀文石起到膠結(jié)作用，但膠結(jié)作用并不明顯，在環(huán)境變化等因素影響下，文石很容易變?yōu)榉浇馐?，造成堿渣顆粒的團(tuán)聚。團(tuán)聚后堿渣強(qiáng)度較高，較難破壞。團(tuán)聚體對(duì)堿渣起到了骨架作用，為堿渣工程應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

3 堿渣拌合物室內(nèi)試驗(yàn)研究

3.1 堿渣與粉煤灰拌合物工程特性

取堆放場區(qū)深層堿渣試樣，經(jīng)烘干、碾細(xì)后與粉煤灰按照固體重量比 5∶5，6∶4，7∶3，8∶2 拌合，進(jìn)行不同配比條件下堿渣—粉煤灰拌合物的擊實(shí)試驗(yàn)，并利用WY-4型土壤貫入儀對(duì)擊實(shí)后土樣進(jìn)行密實(shí)度檢測，以確定不同配比堿渣—粉煤灰拌合物最優(yōu)含水量、最大干密度及強(qiáng)度情況。

圖2表示不同配比堿渣—粉煤灰拌合物的擊實(shí)曲線。分析可知，粉煤灰的加入對(duì)堿渣—粉煤灰拌合物含水量及干密度均具有一定影響，但不同配比堿渣土最優(yōu)含水量介于60% ～70%之間，最大干密度介于0.83～0.92之間，相差不大。最優(yōu)含水量區(qū)間范圍內(nèi)，5∶5及7∶3兩種配比堿渣拌合物最大干密度大于6∶4及8∶2配比堿渣拌合物。

圖2 不同配比堿渣土的擊實(shí)曲線

以固體含量最優(yōu)配比7∶3對(duì)堿渣與粉煤灰進(jìn)行拌合，并按照最優(yōu)含水量63.5%配制試驗(yàn)土樣，進(jìn)行純堿渣與最優(yōu)配比堿渣—粉煤灰拌合物的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)。分析可知，相比純堿渣，7∶3配比堿渣—粉煤灰拌合物養(yǎng)護(hù)14 d后無側(cè)限抗壓強(qiáng)度約為0.26 MPa，為純堿渣強(qiáng)度的6.5倍?？梢?∶3配比堿渣土—粉煤灰拌合物無側(cè)限抗壓強(qiáng)度較純堿渣有較大幅度提高，力學(xué)性能改善明顯，可以應(yīng)用于工程實(shí)際。

3.2 堿渣與石灰拌合物工程特性

石灰具有一定的活性，廣泛應(yīng)用于建筑物基礎(chǔ)、地面墊層及道路路面基層的施工等方面，因此可通過堿渣中添加一定量石灰粉來提高堿渣拌合物的工程力學(xué)性質(zhì)。

試驗(yàn)過程中將堿渣與石灰粉烘干碾細(xì)后按照石灰粉占?jí)A渣固體含量1%，3%，5%，7%及9%拌合制備堿渣—石灰拌合物，養(yǎng)護(hù)14 d后進(jìn)行無側(cè)限抗壓試驗(yàn)，以測定不同石灰粉含量條件下堿渣土強(qiáng)度變化規(guī)律。堿渣—石灰粉拌合物無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨石灰粉含量變化情況如圖3所示。

由圖3可以看出，石灰粉對(duì)堿渣強(qiáng)度提高效果顯著。當(dāng)加入石灰粉的質(zhì)量比介于1% ～3%時(shí)，堿渣強(qiáng)度提高不明顯，提高幅度約為38.8% ～52.3%;隨著加入石灰粉量的增加(3% ～7%)，堿渣強(qiáng)度提高至0.241 MPa，增長幅度約為516.6%;石灰粉質(zhì)量比達(dá)到7%以后，堿渣強(qiáng)度隨石灰粉含量增加變化不大，趨于穩(wěn)定?？梢?，堿渣中石灰粉含量為7%時(shí)，堿渣強(qiáng)度最高，石灰粉占?jí)A渣固體含量最優(yōu)百分比為7%。

圖3 堿渣—石灰拌合物強(qiáng)度隨石灰粉含量變化曲線

4 結(jié)語

1)天然堿渣含水量高，物理力學(xué)性狀與一般工程土差別較大，不能直接作為工程土使用。但其主要成分碳酸鈣等氧化物為堿渣提供了骨架成分，同時(shí)良好的粒徑分布為堿渣的工程應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

2)粉煤灰對(duì)堿渣力學(xué)性能影響較大。堿渣與粉煤灰固體含量配比7∶3時(shí)，拌合物最優(yōu)含水量及最大干密度分別為0.64，0.88時(shí)效果最好;最優(yōu)配比條件下養(yǎng)護(hù)14 d后拌合物無側(cè)限抗壓強(qiáng)度約為純堿渣的6.5倍，力學(xué)性能改善明顯。

3)研究表明，堿渣中石灰粉含量為7%時(shí)，拌合物強(qiáng)度最高。養(yǎng)護(hù)14 d后堿渣—石灰拌合物無側(cè)限抗壓強(qiáng)度約為純堿渣的6.1 倍，效果顯著。