（岩土工程专业论文）碱渣治理与碱渣土的应用研究.pdf

青岛理工大学工学硕士论文 摘要 碱渣是氨碱法生产纯碱过程中产生的工业废弃物。碱渣与粉煤灰等按适当的 比例拌合均匀的混合料，称为碱渣土。因碱渣的大量堆存严重地危害着环境、制 约着经济的发展并给碱厂带来沉重的负担，因此将碱渣土作为工程用土用于填垫 工程是大规模处理碱渣的有效途径。 本文介绍了碱渣的生成过程、化学组成和矿物组成，分析了粉煤灰在物理和 化学方面对碱渣土强度的提高作用。为了更好的认识碱渣的工程性质，促进碱渣 的大规模应用，作者结合以前的研究成果，进行了大量的室内试验，得出碱渣与 粉煤灰各种不同配比的碱渣土的相对硬化时间；由比重试验得出碱渣土的比重， 并与普通工程用土进行比较；在击实试验和微型触探试验中，对碱渣土在较大的 含水量变化范围内对应的干密度和锤击数作了分析，并得出有实际应用价值的成 果；探讨了碱渣土回填的可行性；针对回填工程作了控制含水量的计算、施工时 压实方法的确定、回填碱渣土的检测、回填后碱渣土承载力的分析以及搅拌运输 回填压实阶段的工程费用分析，并与回填一般料进行了经济上的比较。 本文对碱渣土的工程特性、强度机理及回填压实的方法等进行了较深入、全 面的研究，这对于碱渣治理的资源化、改善城市环境、促进城市全面建设、解决 资源短缺的问题有较高的社会经济效益和环境效益。 本试验研究还有以下实际应用特点； ( 1 ) 提出了“相对硬化时间“的概念，可根据工程实际进行调整。 ( 2 ) 通过室内试验的方法，选出了工程中较合适应用的碱渣土配比，即碱渣与 粉煤灰的比例为2 ：1 。 ( 3 】碱渣土在最优含水量附近的较大范围内进行击实都可以获得较大的干密 度。 关键词：碱渣土，回填土，室内试验，施工流程，i 歌载力，工程费用 青岛理工大学工学硕士论文 a b s t r a c t s o d ar e s i d u ei st h ed r e g sc o m i n gw i t ht h es o d ai nt h ea m m o n i a - s o d ap r o c e s s f l ya s h , l i m ea n ds oo na r ep u ti n t os o d ar e s i d u ei nr a t et ot h er a t i o n a lp r o p o r t i o na n dm i x e d r o u n du n i f o r m l ya c c o r d i n gt ot h er e a s o n a b l ep r o c e s s ，t h i sm i x t u r ei sc a l l e ds o d ar e s i d u e s o i l t h e g r e a tq u a n t i t y o fs o d ae n d a n g e rt h ee n v i r o n m e n ts e r i o u s l y , r e s t r i c t d e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m ya n db r i n gab i gb u r d e nt ot h es o d af a c t o r y t h e r e f o r , i ti s a ne f f e c t i v ew a yt ob s et h es o d aa st h eg e n e r a le n g i n e e r i n gs o i lt ot h eb a c k f i l lp r o j e c t t l l i sa r t i c l ei n t r o d u c e ss o d ap r o d u c ep r o c e s s 、c h y m i c a lf o r ma n dm i n e r a lc o m p o s g , a n a l y s e st h es t i m u l a t i v ee f f e c to f f l ya s ht os o d ar e s i d u es o i li ni n t e n s i t ya tp h y s i c a la n d c h y m i c a la s p e c t t ok n o wt h ee n g i n e e r i n gc h a r a c t e ro fs o i lr e s i d u es o i lb e t t e ra n d a c c e l e r a t et h ea p p l i a n c ec o s m i c a l l y , al o to fi n - d o o rt e s ta r ec a r r i e dc o m b i n i n gw i t h r e s e a f c hr e s u l t sb e f o r e ，t h er e l a t i v er i g i d i f i c a t i o nt i m eo fs o d aa n df l ya s hi nd i f f e r e n t p r o p o r t i o na r ee d u c e d ；i nt h er a t i ot e s t ，r a t i oo fs o d ar e s i d u es o i li sc o m p a r e dw i t h g e n e r a le n g i n e e r i n gs o i l ；i nc o m p a f i o nt e s ta n dl i g h tp e n e t r a t i o nt e s t , t h er e l e v a n td r y d e n s i t ya n dh i tn u m b e r i naw i d ec h a n g i n gr a n g eo f w a t e rc o n t e n ta l ea n a l y s e d ，a n dt h e r e s u l t so f a p p l i e dv a l u ea r ee l i c i t e d ；t h ef e a s i b i l i t yo f s o d ar e s i d u es o i la r cd i s c u s s e d ；t h e a c c o u n to f c o n 仃o l l e dw a t e rc o n t e n t , t h ef i xo fc o m p a c t i o nm o d e , t h ec h e c ko f b a c k f i l l s o d ar e s i d u es o i l t h el o a dc a p a c i t ya n a l y s eo fi ta n dt h ep r o j e c te x p e n s ea n a l y s ei n m i x t u r e ，t r a n s p o r t , b a c k f i l l ，c o m p a c t i o np h a s e , t h ee c o n o m i cc o m p a r ew i t hg e n e r a l e n g i n e e r i n gs o i la r ed o n e t 1 1 i sa r t i c l em a k e sar e s e a r c ho fs o d ar e s i d u es o i li ne n g i n e e r i n gc h a r a c t e r , i n t e n s i t y m e c h a n i s m , t h em o d eo f b a c k f i l la n dc o m p a c t i o n t h e s eh a v es o c i a le c o n o m yb e n e f i t a n de n v i r o n m e n ta d v a n t a g et on 嚣o u r c es o d ar e s i d u es o i l i m p r o v ec i t ye n v i r o n m e n t , a c c e l e r a t ec i t yc o m p r e h e n s i v ec o n s t r u c t i o na n ds o l v et h es h o r to f l a n d t h i sa r t i c l eh a sa p p l i e dc h a r a c t e r sa sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ec o n c e p to f r e l a t i v er i g i d i f i c a t i o nt i m e 黜c r e a t e d , a n dc a nb em o d u l a t e d w i mp e o j e c t ( 2 ) t h o u g hi n - d o o rt e s t , t h ep r o p e rp r o p o r t i o no fs o d ar e s i d u es o i li np r o j e c ta r e c h o o s e d ，t h ep r o p o r t i o no f s o d aa n df l ya s hi s2t o1 t t 青岛理工大学工学硕士论文 ( 3 ) a b i g d r y d e n s i t y o f s o d a r e s i d u es o i lc a n b e o b t a i n e d i na w i d e c h a n g i n g r a n g e o f w a t e rc o n t e n ta r o u n dt h eb e s tw a t e rc o n t e n t k e yw o r d s ：s o d ar e s i d u es o i l ，b a c k f i l ls o i l ，i n d o o rt e s t , p r o j e c tf l o w , l o a dc a p a c i t y , p r o j e c te x p e n s e i i i 青岛理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 碱渣的堆积危害及治理的意义 1 1 1 碱渣的堆积与危害 纯碱工业是基础化学工业之一，纯碱是重要的基本工业原料，在国民经济中 占有重要地位。我国的纯碱工业诞生于1 9 1 7 年，解放后，纯碱工业得到了快速发 展。到2 0 0 0 年末，国内共有纯碱厂6 0 个，其中大型厂1 0 个，纯碱的生产能力为9 0 0 万吨。名列世界第二。我国纯碱生产方法按产量计，氨碱法占6 l ，联合制碱法 占3 7 6 ，天然碱加工法占1 4 。由此可见，氨碱法是我国生产纯碱的主要方法， 并占主导地位。目前，我国大中型碱厂的情况列于表1 1 中。 表i 1 我国大中型碱厂的生产能力及生产方法 公司地址能力( = - t - 吨年)生产方法 大连化学公司辽宁大连 8 0 0 联碱氨碱法 唐山三友碱厂河北唐山8 5 0氨碱法 天津碱厂天津 7 0 0 联碱，氨碱法 山东潍坊海洋化工集团山东潍坊 8 5 0 氨碱法 青岛碱厂山东青岛 6 0 0 氨碱法 连云港碱厂江苏连云港 8 0 0 氨碱法 湖北双环湖北应城 6 0 0 联碱氨碱法 自贡鸿鹤四川自贡 3 4 0 联碱氨碱法 广东南方碱厂广东广州 。 2 5 0 氨碱法 吉兰泰碱厂内蒙古吉兰泰 2 5 0氨碱法 苏尼特碱厂内蒙古查干诺尔 2 天然碱 安棚河南安棚 2 0 0 天然碱 氨碱法生产纯碱的最大缺点是蒸氨工艺流程中会产生大量废弃物。据统计， 每生产1 吨纯碱要排出9 1 l 立方米的废弃物，其中含固体废渣约0 3 - - 0 6 吨，排 出的废渣一层层堆积，日积月累，逐渐形成若干占地面积达数平方公里的碱渣堆。 废液废渣不加限制地混合排放，会带来一系列的严重后果：废液造成海域、河流不 同程度的污染和淤塞；影响附近船坞的正常使用，危及航运业的发展；对河流的 青岛理工大学工学硕士学位论文 防洪能力带来不利影响；破坏海洋生态平衡，水产业遭到破坏：废渣的沉积占用 大量的土地或在海域造成。白海”，不仅浪费土地，而且造成环境和水体污染； 而且，碱渣在空气中极难碳化，所以一直不能自行凝固变硬，在地震等外界因素 的影响下，还可能出现塌方和大滑坡，造成财产损失和人员伤亡。 国内大多数氨碱厂都建在海边，如海滨城市青岛的碱渣堆积和排放( 如国1 - 1 ) 不仅制约着制碱工业生产，也很难适应招商引资和旅游业的发展。 图1 1 碱渣的捧放污染 1 1 2 碱渣的治理意义 由于碱渣给环境造成了污染和危害，一些发达国家已陆续关闭了氨碱法制碱 厂，但我国是一个发展中的国家，关闭这样的碱厂是不现实的。但环境问题己成 为全球共同面临的问题，可持续发展战略是我国的基本国策，所以三废的有效治 理和利用是保护环境的重要措施之一。 在青岛。由于青岛碱厂的历史原因，胶州湾娄山河口一带已形成一片1 5 3 平 方公里的碱渣白色视觉污染区。自泥堆积已经改变和阻挡了胶州湾湾口内的水动 力平衡。该海域水动力的减弱。直接导致了湾内纳潮量的减少，以及自净能力、 承受污染负荷的能力即水体自然交换与携带污染能力的下降，确实到了非治理不 可的地步后虽经“围坝拦渣、清液排海”以及碱渣回填造地等多项措施加以治 理，目前海域自泥的排放已经得到控制，但采取措施前形成的污染物仍没有得到 解决，这有悖于青岛市建设生态城市、迎办2 0 0 8 年海上奥运赛事、缩小南北差距 等的目标和要求，因此彻底清除海域自泥的污染成为刻不容缓需要解决的向题。 青岛市经委、环保局等部门根据市政府提出的期限治理胶州湾娄山河口自泥 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 的指示精神，召开了胶州湾娄山河口白泥治理的专题会议。2 0 0 5 年市十三届人大 三次会议将胶州湾的保护和治理列入第九号议案，并制定了总体实施方案和分工 细则。 另外，建筑工程的场地和地基许多情况下需要大量土料填筑。例如青岛市北 胶州湾新产业区，两年累计需要7 5 0 万立方米的填土料，毁田或毁山取土的办法 已经越来越行不通。利用稳定的工业废料作为地基土，是一种最为合理的选择。 所以，将胶州湾白泥加入粉煤灰后制成碱渣土回填至位于青岛城阳区的市北胶州 湾新产业区不失为一种双赢的方法。 综上所述，为创造一个良好的生产生活环境，建设生态城市，解决氨碱厂的 后顾之优，使环境与经济效益都能得到保证，对碱渣特性进行深入研究，进而进 行有效合理的利用是有积极意义的。 1 2 碱渣的来源与组成 1 2 1 碱渣的来源 氨碱法生产的纯碱以食盐、石灰石为原料，借助氨的媒介作用，经过石灰石煅 烧、盐水精制、吸氨、碳化、碳酸氢钠过滤、煅烧、母液蒸氨等工序制得，工艺流 程如图1 - 2 所示。 图l - 2 氨碱法生产的纯碱工艺流程 氨碱法制碱的生产过程可分以下几个步骤： ( 1 ) 将石灰石在窑内锻烧，分解为氧化钙和二氧化碳，二氧化碳气要经过净化， 然后再用于碳化，石灰用水消化制成石灰乳，其反应式如下： c a c 0 3 = c a o + c 0 2f ( 1 - 1 ) 3 青岛理工人学t 学硕十学位论文 c a o + h 2 0 = c a l ：o h ) 2( 1 - 2 ) ( 2 ) 用原盐制成的饱和盐水，须除去其中钙、镁等杂质，根据c a 2 + 、m 矿+ 量的 多少，采用石灰氨法或石灰碱法，其反应式如下： m 9 2 + + c a ( o h ) 2 = m g ( o h ) 2 + c a 2 + ( 1 - 3 ) 2 c a z + + ( n 磁) ：c 0 3 = 2 c a ( o h ) 2i + 2 n i - h +( 1 - 4 ) ( 3 ) 盐水的氨化和碳化，是用精制的盐水吸收n h 3 后，再进行碳化生成重碱， 其反应式如下： n a c i + n h 3 + c 0 2 + h 2 0 = n a h c 0 3 + n i - b , c 1 ( 1 - 5 ) ( 4 ) 重碱锻烧，是用洗好的湿重碱，送到回转炉内经锻烧制成轻质纯碱，并回 收近一半的c 0 2 作碳化制碱之用，其反应式如下： 2 n a h c 0 3 = n a 2 c 0 3 + h 2 0 + c 0 2f(1-0 ( 5 ) 蒸馏回收氨是将碳化过滤母液加石灰乳分解，然后将分解出来的n h 3 ，用 蒸馏方法加以回收，其有关反应式如下： 2 n i - h c l + c a ( o h ) 2 = 2 n h 3f + c a c l 2 + 2 h 2 0 ( 1 - 刀 c a ( o h ) 2 + c 0 2 = c a c 0 3l + h 2 0 ( 1 8 ) 可见，废渣主要来自氨碱法生产流程中的蒸氨过程中所生成的c a c l 2 ，c a c 0 3 和石灰石带来的s i 0 2 、c a c 0 3 ，以及由原盐带来未除尽的少量杂质与其生成物。 一般生产每吨纯碱需排渣约3 0 0 5 0 0 千克。 蒸馏废液的液相组成主要是氯化钙和氯化钠( 每升清液约含8 5 1 0 0 克氯化 钙、5 0 5 5 克氯化钠) ，固相组成主要是c a c 0 3 、m g ( o h h 、c a c l 2 、s i 0 2 、c a s 0 4 、 铁铝氧化物等。表1 2 所示为两大制碱厂废渣的组成。 值得注意的是，各种泥渣的纯度不一样。二次泥中，c a c 0 3 含量可达9 7 以 上，只要稍加处理，即刻成为成品。因此，对各种废渣应先分别处理，不宜轻易 混合排放，以免增加处理难度。 青岛理工大学工学硕士学位论文 表1 - 2 制碱废渣的组成， 废渣来源废渣来源 废渣成分废渣成分 青岛碱厂天津碱厂青岛碱厂天津碱厂 c a c 0 3 5 3 3 8 3 8 6 1 s i 0 2 ( 酸不溶物) 9 0 95 l o c a s 0 4 1 4 1 01 6c a o4 0 06 - , , 1 5 经海水洗涤 m g ( o h ) 2 9 0 44 1 3c a c l ，5 1 6 ( 以c i - 计) 1 0 1 f e 2 0 3 6 8 9o 4 1 0n a c l2 3 6o 4 7 a 1 2 0 3 2 4 1 2 2 碱渣的成分特征 从碱渣的生成过程可以看出。碱渣是石灰石和粗盐在特定流程之后的副产品， 一般来说，其化学成分为无毒的无机盐和无机化合物。 ( 1 ) 由表1 - 2 可看出，制碱碱渣中主要水不溶性成分为c a c 0 3 、m g ( o h ) z 、 c a s 0 4 ( 还含少量的a 1 2 0 3 、f e 2 0 3 、s i 0 2 等) ，含量在6 0 朴8 0 ；而易溶性的盐 主要成分是c a c l 2 、n a c l 等，含量在1 2 2 2 ；此外，还含有6 l o 的酸不 溶物。碱渣中c a c 0 3 、c a s 0 4 、c a o 含量高，不溶物总量的含量就高。 ( 2 ) 碱渣中可溶性氯化物( c a c l 2 、n a c l ) 盐类含量较高，即氯离子含量较高。 因此，碱渣在工业上的再利用，特别是在建筑材料工业上的利用会受到很大限制。 ( 3 ) 碱渣的粉体特征见表1 3 。碱渣的颗粒非常细小，是碱渣的又一个主要特 征。其中，6 5 以上( 体积分数) 的碱渣粒径 将；5 千过的碱渣土研碎，称取1 5 9 。用玻璃漏斗装入预先洗净和烘干的比 重瓶。 ( 5 ) 为了排除士中的气体，将纯水 注入已装有干土的比重瓶中至一半处， 摇动比重瓶，然后将瓶放在砂浴上煮 沸，如图3 3 。煮沸时间自悬液沸腾对 算起不少于3 0 分钟，以使士粒分散。 悬液沸腾后应调节砂浴温度，以避免瓶 中悬液溢出瓶外。 图3 0 悬渡沸煮 ( 6 ) 将纯水煮沸，冷却至室温后注入比重瓶内，塞紧瓶塞，多余的水从瓶塞毛 细管中溢出使瓶内无气泡。 ( 7 ) 将比重瓶置于恒温水槽内待瓶内水温稳定，且瓶内上部悬液澄清。然后 取出比重瓶，擦干瓶外壁，称比重瓶、水、试样总质量。 ( 8 ) 按下式计算比重： q = ( 3 1 ) 7 b - + 孵h 一一 式中g 土的比重； 厅k 比重瓶、试样总质量( g ) ； 。比重瓶、水总质量( g ) ； 撑珞。比重瓶、水、试样总质量( g ) ： 比重瓶质量( g ) ： ( 0 t 时纯水的比重，准确至o 0 0 1 由图3 _ 4 密度随水温的变化曲线可知t c 时纯水的比重，进而算得各个试样 青岛理工大学工学硕士学位论文 的比重，如表3 - 5 所示。 图3 - 4 水温随温度的变化曲线 表3 - 5 各试样的比重 l 试样编号3 号4 号5 号6 号7 号 比重2 4 0 22 3 5 42 2 9 52 2 3 52 1 8 7 碱渣土的比重试验应注意的是：在将烘干研碎后的碱渣土装入比重瓶时要 非常小心，因为碱渣土的颗粒细小，容易粘连在比重瓶口，从而造成试验结果的 不准确；在比重瓶内的水和碱渣土的混合液煮沸时，随时调节电炉的温度大小， 避免因混合液沸腾而从瓶口溢出。 3 2 3 碱渣土的湿陷性 所谓湿陷性就是土浸水后在外荷载或自重的作用下发生下沉的现象。湿陷性 又可分为自重湿陷性和非自重湿陷性两类。土的湿陷性会对工程产生不利的后果。 韩风芹在文献( 1 ) 中用双线法进行了试验。双线法是指：用环刀制各了两个 相同的试样，一个在天然湿度下分级加荷固结，分别记录各级压力下稳定时的高 度h 。另一个在天然湿度下加第一级荷载，下沉稳定后浸水，直至湿陷稳定，然后 在与前一个土样相同的压力分级下加荷至稳定，分别记录稳定时的土样高度”。 最后根据公式： 互= 等 计算各级压力下的湿陷系数眨，正大于0 0 1 5 时不会湿陷。由试验结果知，遇 水后碱渣土不会湿陷。 3 2 4 碱渣土的渗透性 3 0 董啪咻螂啊蓉!啪哪螂嗡謇| 一勺堂一魁船 青岛理工大学工学硕士学位论文 土的渗透性对工程土的固结排水能力有重要的影响，并直接影响到施工速度 和地基的承载力。渗透性是指土孔隙中的自由水在重力作用下发生运动的现象， 是土的重要工程性质之一。渗透系数是表达这一现象的定量指标。土的渗透性是 由于骨架颗粒之间存在的孔隙构成水的通道所致。土中孔隙水的运动和孔隙水压 力的变化，常常是影响土的各种力学性质及控制各种土工建筑物设计与施工的重 要因素。目前室内外各种渗透试验，都以达西定律为依据，即渗透速度y 和水流梯 度i 成正比。达西定律的表达式为： 1 ，= k f ( 3 - 3 ) 式中七渗透系数，c m $ ； y g 一，渗流速度，c l l 】s ； f 三，水力梯度； g 单位时间渗流量，c r n 2 1 s ； 4 垂直渗流方向的横截面积，c m 2 ； h 水头差，c m ； 渗径长度，锄。 由于影响渗透系数的因素十分复杂。土的颗粒组成、胶体含量、结构状态、 密度、土粒和水的矿物成分等，都足以影响它的正确确定。当前室内和现场用的 各种方法所测定的渗透系数仍然是一个比较粗略的数值。对不同的土类测定土的 渗透系数，应选用不同的试验方法。试验类型分为常水头渗透试验和变水头渗透 试验。常水头渗透试验适用于粗粒土，变水头渗透试验适用于细粒土。变水头渗 透试验是水在变化的水头压力下通过土样进行渗透的。根据同一时间内经过土样 的渗流量与水头量管流量相等推导得出变水头渗透系数k 。 七= 彳( f 2 a l 一) i n 鲁( 3 - 4 ) 转换为以1 0 为底的对数为： 瑚s 丽a l 可。唾 ( 3 - s ) 式中口变水头管的断面积，c m 25 2 3 一n 和l o g 的变换系数； 青岛理工大学工学硕士学位论文 l 渗径，即试样高度，啪； “f 1 分别为测读水头的起始和终止时间，s ； 矗，| j l 试样的横截面面积，c n l 2 。 根据文献( 1 ) 在用碱渣土进行的变水头渗透试验中知，碱渣土的渗透系数在 1 2 x 1 0 r 6 6 o x l o 5 g m s ，属中等渗透性土，类似于粘性土。但碱渣土的颗粒分析表 明，碱渣土中粒径为o 0 7 4 0 o l m m 的颗粒含量占8 0 左右，即粉粒占大多数。 3 3 碱渣土的力学特性 3 3 1 室内轻型击实试验 3 3 1 1 轻型击实试验的原理 室内击实试验是为了确定扰动土在一定的击实功能下干密度随含水率变化的 关系曲线，以求得土的最大干密度和最优含水率，了解土的压实特性，为工程设 计和现场施工碾压提供土的压实性资料。其中，干密度是衡量土的密实程度的重 要指标，干密度越大，土越密实，工程中一般以干密度( 或干重度) 用作填土密 实度的施工控制参数。 土的压实程度与含水率、压实功能和压实方法有密切关系。当压实功能和压 实方法不变时，土的干密度随含水率的增加而增加，当干密度达到某一最大值后， 含水率继续增加反而使干密度减小，这个最大值即为最大干密度，相应的含水率 为最优含水率。这是因为粒间斥力只有在相邻两个颗粒靠得足够近，使其双电层 重叠时才是有效的。当击实土的含水率不足以使颗粒周围的双电层充分发挥时， 在击实过程中的粒间作用力将以引力占优势，因而颗粒错动困难，干密度低，土 颗粒在较大程度上趋于任意排列。随着含水率的增加，颗粒错动容易，于密度相 应增大，土颗粒任意排列的程度减弱。这也就是通常所说的“润滑”效应的实质。 但是当含水率超过某一值后，虽然仍能使粒问引力减小，但此时孔隙气以封闭气 泡的形式存在于土中，击实时气泡体积暂时减小，因而很大一部分击实功能由孔 隙气承担，粒间所受的力减小，击实仅能导致颗粒更高程度的定向排列，而土体 几乎不发生永久的体积变化。因而，干密度反随含水率的增加而减小。工程经验 表明：欲将填土压实，必须使其水分降低到饱和程度以下，要求土体处于三相状 态。土在瞬时冲击荷载重复作用下，颗粒重新排列，其固态密度增加，气态体积 青岛理工大学工学硕士学位论文 减小。当锤击力作用于土样时，首先产生压缩变形，当锤击力消失后，土又出现 了回弹现象。因此，土的压实过程，既不是固结过程，也不同于一般压缩过程， 而是一个土颗粒和粒组在不排水条件下的重新组构过程。 击实可增加土的密度，改善土的工程性质。例如降低渗透性，减少吸水软化 的趋势，降低受冻的敏感性；提高承载比，减小在反复荷载作用下的变形；减小 压缩性，减少在静荷载作用下的沉降；提高强度j 增加土体的稳定性。 击实试验分为轻型击实试验和重型击实试验。轻型击实适用于粒径不大于 5 m m 的土，重型击实适用于粒径不大于2 0 m m 的土。我国采用轻型击实试验比较 多，水库、堤防、路基填土等均采用轻型击实试验，而高等级公路填土和机场跑 道等采用重型击实较多。本试验的目标是地基填土，采用轻型击实试验。碱渣土 的粒径很小，不超过3 8 9 i n ，也适用于轻型击实。 用击实试验提供土的压实特性，最早是由美国工程师普克特在1 9 3 3 年介绍的， 最初是用于大坝施工。该方法后来称为标准普克特击实试验，击实仪也就称为普 氏击实仪。国内常用的击实仪就是普氏击实仪，见图3 5 ，本试验所用击实仪为南 京土壤仪器厂生产的s j 南实处型击实仪，是普氏击实仪的一种。轻型击实试验的 单位体积击实功约5 9 2 2 k j m 3 ，一般采用2 5 k g 的锤，击锤落距为3 0 5 m m ，分三层 击实，每层2 5 击。 轻型击实试验的主要仪器设备见图3 5 。 2 3 1 一套筒；2 一击实筒；3 一底扳；4 一提手；5 导筒；6 一硬橡皮垫；7 - - 击锤 图3 - 5 击实筒和击锤 3 3 1 2 轻型击实试验过程 ( 1 ) 采用湿法制备土样。取某一含水率的代表性土样2 0 k g 碾碎，过5 m m 的筛， 将筛下的土样拌匀，并测定含水率。 ( 2 ) 将击实仪平稳置于刚性基础上，击实筒与底座连接好，安装好护筒，在击 d 世韪 青岛理工大学工学硕士学位论文 实筒内壁均匀涂一层凡士林润滑油，称取一定量试样，倒入击实筒内，分三层击 实，每层2 5 击。每层试样商度宣相等，两层交界处的土面应刨毛。击实完成后， 超出击实筒顶的试样高度应小于6 m m 。取下护筒，用直刮刀修平击实筒顶部的试 样，拆除底板，试样底部若超出筒外，也应修平。擦净筒外壁，称试样和筒的总 质量，计算试样的湿密度。 ( 3 ) 对不同含水率的试样依次击实。 ( 4 ) 利用公式岛= _ l 计算试样的干密度，将相应各点的含水率与干密度绘 l 十w 于直角坐标上，击得到击实曲线。其峰值点为土的最大干密度，与其相应的含水 率即为最优含水率。 3 3 1 3 试验结果分析 取3 号。号试样做击实试验，得出各试样的击实曲线，如图3 - 6 所示。 乍 望 p 世 期 * 斗 嚼 薯 童 p 趟 铂 卜 斗 2 7 0 ，比一般粘性土高约一倍 性土高近一倍 用压滤碱渣，加入粉煤灰等辅料后强锖4 搅拌； 填筑施工方法凉晒一周后分层压实：每层虚铺3 0 c m ，用蛙式打夯机夯3 遍， 或用压路机压实。 微型触探( 一般要求大于5 击) ，或轻便触探( 5 0 击以上) ，或 检测方法 环刀取土( o 9g o m 3 以上) 道路填土、路基垫层，建筑物室内房较高要求的路基垫层、 应用领域心填土，厂区有荷载的堆料场填土，建筑物地基垫层 建筑物地基垫层 3 5 本章小结 ( 1 ) 提出了“相对硬化时间”的概念，可在实验室条件下得知工程填筑条件下 硬化较快的试样配比。 但) 碱渣土的比重较小，用作回填用土时对原有地基产生的附加应力小，从而 地基因回填而产生的变形也小得多，有利于地基的稳定。 ( 3 ) 由于碱渣自身的亲水性较好，孔隙比很大，虽然粉煤灰可以从碱渣中吸收 部分水分，但碱渣土整体上仍有较高的含水率。通过自然风干，碱渣土的含水率 基本可在一个半月内达到或接近最优含水率；如果进行翻晒晾干，含水率会降低 更快。 在碱渣土中添加石灰可有利于含水率的降低，但具体的添加量没有试验，可 在施工前进行试验确定。 ( 4 ) 碱渣与粉煤灰的配比为4 ：l 的碱渣土在风干时，没有液态水析出，含水率 的降低是因为自然风干作用。 ( 5 ) 碱渣土的含水率在小于最优含水率时，随着含水率的增加，孔隙率降低较 青岛理工大学工学硕士学位论文 缓慢；而含水率大于最优含水率时，孔隙率增长较迅速。粉煤灰的添加也影响孔 隙率的变化速度和孔陈率的最小值，粉煤灰越多，孔隙率减少盼越缓慢，最小孔 隙率越小。 ( 6 ) 碱渣土的干密度在最优含水率附近时变化不大，这说明在较大的含水率变 化范围内，碱渣土都可以被击实达到或接近最大干密度，而且在最优含水率附近 的微型触探试验的锤击数变化不大。 ( 7 ) 碱渣经压实后的物理力学指标高于一般素土，在大规模现场填垫施工的条 件下，可满足8 0 k p a 的承载力要求。 ( 8 ) 碱渣土的渗透系数约为1 2 1 0 - 6 6 0 x 1 0 c t l l $ ，属中等渗透性，类似于粘 性土。碱渣土的颗粒分析表明，碱渣土中粒径为o 0 7 4 0 0 1 m m 的颗粒含量占8 0 左右，即粉粒占大多数。 ( 9 ) 随着粉煤灰含量的增加，碱渣土的压缩性有所改善。碱渣与粉煤灰配为2 ：1 碱渣土的承载力应该可以达到1 8 0 k p a 以上。 ( 1 0 ) 经比较，4 号试样( 碱渣与粉煤灰的配比为2 ：1 ) 的硬化时间较快，且消 耗碱渣与粉煤灰的量都较多，所以采用4 号试样作为本工程的回填土。 青岛理工大学工学硕二学位论文 第4 章胶州湾海域的白泥治理 胶州湾位于山东半岛西南部胶州湾畔、青岛市半小时经济圈内。胶州处于胶 济铁路、胶黄铁路、胶新铁路、济青高速公路、环胶州湾高速公路、同三高速公 路和3 0 8 国道、2 0 4 国道交汇处，是山东半岛连接内陆各省、市及通过青岛、烟台、 威海出海的重要交通枢纽，同时也是青岛的一座卫星城市和山东省首批沿海开放 城市之一，工业经济增势强劲。 然而，胶州湾多年来堆积的白泥对胶州的发展造成了很大影响，到了非治理 不可的地步。本章针对胶州湾白泥治理的可行性作了详细论述。 4 1 胶州湾娄山河口白泥的形成原因、分布及储量 4 1 1胶州湾娄山河口白泥的形成原因 青岛碱业股份有限公司前身为青岛化肥厂，始建于1 9 5 8 年。1 9 6 5 年纯碱系统 竣工投产，经过4 0 多年发展，纯碱由最初的8 万吨发展到现在的6 0 万吨。2 0 0 0 年吸收合并青岛天主化肥股份有限公司和青岛双收农药集团股份公司重组上市， 成为以生产纯碱、氯化钙、小苏打、化肥、农药为主的大型综合性化工企业。目 前，公司拥有4 个分公司和3 个子公司，总资产1 8 9 亿元，员工4 7 2 6 人，年产纯 碱6 0 万吨、化肥5 0 万吨、农药1 万吨、氯化钙1 0 万吨、小苏打5 万吨、过碳3 0 0 0 万吨、外供蒸汽1 0 0 万吨。2 0 0 0 年上市以来，累计实现利税6 7 0 0 0 万元，出口创 汇1 2 0 0 0 万美元。公司主导产品纯碱在国内同行业中首先通过了i s o 质量体系认 证，获得山东省免检产品证书，2 0 0 3 年获得中国名牌产品称号。公司拥有省级技 术中心，是青岛市高新技术企业。 青岛碱业公司作为青岛市重点骨干企业，在自身不断发展壮大的过程中，为 全市经济发展做出了很大贡献。但同时也由于历史的原因，在胶州湾娄山河口捧 放的工业废料碱渣形成了一片1 5 3 k i n 2 的白色视觉污染区。后虽经“围坝拦泥、 清液排海”以及白泥回填造陆等多项措施加以治理，目前海域白泥的排放已经得 到控制，但采取措施前形成的污染物仍没有得到解决，因此彻底清除海域白泥的 污染成为急需解决的问题。 胶州湾娄山河口位于青岛市北部工业区，属青岛市重工和化工等企业比较集 中的区域，虽然在1 9 8 8 年以后，青岛碱业公司投资6 0 0 0 多万元，建成了占地6 3 0 多亩的废渣处理场，实施了围坝拦渣、清液达标排放，结束了白泥沿娄山河口排 4 8 青岛理工大学工学硕十学位论文 入胶州湾的历史。但是娄山后其它企业所排放的污水虽然在环保治理上比过去有 所改善，但污水中仍含有大量的悬浮物，污水中的悬浮物及周围地区的尘土随污 水排放或经雨水冲刷后沿娄山河沉积于娄山河口附近。尤其是鲁能仲盛公司填海 造地与青岛发电厂粉煤灰池工程建成后，形成了娄山河口至沔阳河河口约2 2 0 0 m 长的凹形浅湾，造成了凹形浅湾内污泥的沉积，最终形成了大面积的滩涂淤积。 而青岛碱业股份有限公司1 9 8 7 年以前由于废液直接排海，从而在胶州湾娄山河口 的浅滩上自然形成了一片约1 5 3 k m 2 的白泥浅滩。如图4 1 所示。 4 1 2 胶州湾娄山河口白泥的分布及储量 图4 - 1白泥治理工程平面示意图图4 2 白泥分布等厚图 胶州湾是一个半封闭性的海湾，由于它大部分地区的水动力条件( 特别是波 浪作用) 比较微弱，且入海的物质较多，在该区形成了以潮汐作用为主的海岸地 貌单元潮滩；该区白泥就分布在该地貌单元上。 根据青岛海洋地质勘察院所做的调查，该处白泥分布厚度o 0 8 m 1 4 81 1 1 不 等( 详见图4 - 2 所示) ，主要分布在轴线周围，其中在排污口一线白泥分布最厚。 从调查情况看，随着距排污口距离的增大分布厚度逐渐减少，且白泥纯度降低， 在0 5 m 等深线外为白泥和淤泥混合层。另外其纵向( 排污水流方向) 影响较其横 向影响要大，纵向影响最大距离1 t k m 。混合区分布面积约为1 5 3 k m 2 ，其中纯白 泥含量2 0 1 万m 3 ，分布面积0 3 3 k i n 2 ；混合含量1 9 5 万m 3 ，分布面积1 2 0 k i n 2 。 4 2 海域白泥治理的必要性和可行性 4 2 1 海域白泥治理的意义及必要性 在当前形势下，由于历史原因及长期积累导致的海域白泥污染问题，违背了 青岛理工大学工学硕士学位论文 我市建设生态城市、迎办2 0 0 8 年海上奥运赛事、缩小南北差距等目标和要求，因 此彻底清除海域自泥的污染具有重要的意义。 第一，治理海域白泥污染是美化城市环境，提升城市品位和档次的迫切需要。 尽管白泥属于无毒化工副产品( 其主要成分为碳酸钙和氯盐) ，造成的主要是视觉 污染和地面表层及海上滩涂的堆积物影响，但由于其处在进入市区的重要交通要 道胶州湾高速公路两侧，无论从陆上，还是从空中看，都非常明显，尤其是 海水退潮之后，给人留下的视觉印象不好。 第二，上个世纪8 0 年代之前，企业不经任何楚理排放到胶州湾的自泥，尤其 是鲁能仲盛公司填海造地与青岛发电厂粉煤灰池工程建成以后，已经改变和阻挡 了沧口水道及其外部形成的凹形浅湾内的水动力平衡，该海域水动力的减弱，直 接导致了湾内纳潮量的减少以及自净能力、承受污染负荷的能力和水体自然交换 与携带污染能力的下降，确实到了非治理不可的地步。 第三，时间紧迫。青岛市是2 0 0 8 年奥运会帆船比赛的所在地，因此，在2 0 0 8 年举办海上奥运赛事之前完成自泥污染治理就成为迫在眉睫的任务。 4 2 2 海域白泥治理的可行性 第一，海域白泥治理问题已经得到了市政府有关领导和部门的重视。2 0 0 2 年 3 月，市经委、环保局等部门的有关领导，根据市委、市政府领导在有关环保等专 题会议上提出的期限治理胶州湾娄山河口白泥的指示精神，召开了胶州湾娄山河 口白泥治理的专题会议，并做出了具体工作部署。2 0 0 5 年在市十三届人大三次会 议将胶州湾的保护和治理列入第九号议案，并制定了总体实施方案和分工细则， 这为本工程的具体实施提供了强有力的保障。 第二，企业、政府及社会各界对治理海域白泥污染已达成了共识，企业积极 性高，政府决心大，环保等部门重视，社会各界也都十分关注，这些都对实现根 治海域白泥污染创造了良好的条件。 第三，企业自身经过几次大规模的白泥治理，投入了大量的资金，探索出一 些路子，积累了一定的经验。在八十年代中期，青岛碱业公司投资了6 0 0 5 万元建 起了自泥处理场，实施“围坝拦泥，清液排放”，结束了以往随意排放白泥的历史。 进入九十年代，青岛碱业公司积极与高校、科研机构合作，努力探索自泥的利用， 并取得了可喜的成绩，特别是1 9 9 7 年以来对白泥、粉煤灰混合回填造地技术的探 青岛理工大学工学硕士学位论文 索，以及2 0 0 2 年投资1 1 3 2 万元建成板框压滤系统等，为本工程的实施提供了技 术支持。 第四，青岛地区驻有多家有港口工程资质的施工单位，具备很强的海工工程 施工能力，港口码头建设所需的各种施工设施齐备，为本工程的施工也创造了良 好的依托条件。 4 3 碱渣土对环境的影响 既然碱渣土以碱渣为主要成分，因此碱渣土对环境的影响主要决定于碱渣对 环境的影响程度。根据化学全分析和全盐分析结果，碱渣土中不含溶出的有毒物 质，因此不会对地下水造成污染。碱渣土对环境的影响主要表现在含盐量较高， 而且以c i 一，s 0 4 厶，m 矿，k + ，n a + 等离子为主。文献( 2 ) 做了专项试验来检验 碱渣是否对建筑物构件如钢材、钢筋混凝土等造成腐蚀，或是否对植物生长、绿 化等带来不利后果。 在碱渣土对水泥砂浆的腐蚀性试验中，采用4 2 5 # 水泥，按c ：s ：w = 1 ：1 2 5 ：0 5 配 制砂浆并成型养护，养护2 8 天后，将一部分试样浸泡在清水中，另一部分浸泡在 碱渣溶液中，每月检查其外观并做抗折试验，得到浸泡于清水中的试块的抗折强 度r 西与浸泡在碱渣溶液中的对