（岩土工程专业论文）碱渣的工程特性试验研究及强度形成机理分析.pdf

摘，要 氨碱法生产纯碱的最大缺点是工艺流程中产生废弃物碱渣。大量碱渣若得 不到合理有效利用，必将使资源浪费并导致环境污染，影响可持续发展战略。 实践证明，大规模处理碱渣的最有效途径是将碱渣制成工程用土用于填筑工程。 虽然以前在室内试验和工程实践的基础上对碱渣拌合土的研究取得了一些成 果，但对其工程特性和强度形成机理仍没有彻底的弄清，尤其在纯碱渣方面。 因此有必要对碱渣工程特性和强度机理进行较深入、全面的研究，使碱渣的治 理无害化、资源化，这对于改善城市环境，解决建设土源短缺的问题有很高的 实用价值和社会经济效益。 分析了碱渣的生成过程、化学组成和矿物组成。在大量室内试验基础上， 对碱渣在较宽的含水量变化范围内的击实特性和强度变形特性进行了探讨，对 碱渣强度随干容重的变化而变化和随龄期的增长而增加的规律进行了研究，并 得出了颇具理论和实践价值的成果。 分析了碱渣粒问相互作用力、碱渣水电解质系统、碱渣所含矿物碳酸钙 的晶体结构转化过程、碱渣强度的来源和击实碱渣的强度变化机理。 通过扫描电镜( s e m ) ，分析了碱渣的微观结构，观察了随着龄期的增长 碱渣中文石晶体的产生及增加、文石向方解石的转化趋势及其在碱渣颗粒之间 的连接情况，阐明了矿物的转变对碱渣强度的影响。 关键词：碱渣，碱渣拌合土，工程特性，碱渣水电解质系统，扫描电镜， 微观结构，强度形成机理 a b s t r a c t t h es o d ar e s i d u e ，i n d u s t r yw a s t e ，c o m e sw i t hp u r es o d ai nt h ea m m o n i a - s o d a p r o c e s s i fn o tu t i l i z e de f f e c t i v e l y , al a r g ev o l u m e o fs o d ar e s i d u eo c c u p i e sl a r g e p i e c eo fl a n d ，w a s t e sn a t u r a ir e s o u r c e sa n dp o l l u t e st h el o c a le n v i r o n m e n t ，a n d t h i s m u s th o l d sb a c kt h es u s t a i n i n gd e v e l o p m e n t s t r a t e g y i ti sp r o v e di np r a c t i c et h a ti t i sam o s te f f e c t i v em e t h o do fd i s p o s i n go ft h es o d ar e s i d u et o t r e a ti t 船t h e f o u n d a t i o ns o i li nt h ef i l l i n ga n de m b a n k m e n t s o m er e s e a r c hr e s u l t sf o rt h em i x e d s o d ar e s i d u es o i l sh a v eb e e na c h i e v e d0 1 1b a s eo fs o m el a b o r a t o r ys o i lt e s t sa n d e n g i n e e r i n gp r a c t i c e s ，b u tt h ee n g i n e e r i n gp r o p e r t i e sa n dm e c h a n i s m o ff o r m a t i v e s t r e n g t ho fs o m es o d ar e s i d u es o f t s ，e s p e c i a l l yo f t h ep u r es o d ar e s i d u e ，h a v en o t b e e nu n d e r s t o o df u l l y t h u s ，at h o r o u g hs t u d yo ft h ee n g i n e e r i n gp r o p e r t i e sa n d s t r e n g t hm e c h a n i s mo ft h es o d ar e s i d u em u s tb ed o n et om a k ei t i n n o x i o u st o d i s p o s ea n d u t i l i z ei ta n dt on 妇i tan e wk i n do f r e s o u r c e i th a st h ep r a c t i c a lv a l u e a n dt h es o c i a l - e c o n o m i c a lb e n e f i t sf o ri m p r o v i n gu r b a ne n v i r o n m e n ta n dp r o v i d i n g m o r er e s o u r c e so f s o i lf o ru r b a nc o n s l r u e t i o n i nt h i s p a p e r , t h ef o r m a t i v ep r o c e s s ，c h e m i c a lc o m p o n e n t s a n dm i n e r a l c o m p o s i t i o no f t h es o d ar e s i d u ea r ea n a l y z e d a c c o r d i n gt om a n yl a b o r a t o r yt e s t s ， t h ep r o p e r t i e so f c o m p a c t i o na n dd e f o r m a t i o n - s t r e n g t ho f t h es o d ar e s i d u ew i t h i na w i d ec h a n g i n gr a n g eo fw a t e rc o n t e n ta r ed i s c u s s e d ，t h el a wo fc h a n g eo fi t s s t r e n g t hw i t hi t sd r yd e n s 时a n di n c r e a s ei ns t r e n g t hw i t ha g ea 糟s t u d i e d a n dt h e r e a s o n a b l ea n d p r a c t i c a l r e s u l t sa r er e a c h e df i n a l l y t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e ns o d ar e s i d u eg 畦衄，s o d ar e s i d u e - w a t e r - e l e c u ：o l y t e s y s t e m ，c o n v e r s i o np r o c e s so fc r y s t a l s o fc a l c i u mc a r b o n a t e ，a n do r i g i no ft h e s t r e n g t h o f s o d a r e s i d u e s o i la 坞a n 日1 y z e d i n t h e p a p e l t h em i c r o s t r u c u l r eo f s o d ar e s i d u ei sa n a l y z e d ，t h ea p p e a r a n c ea n di n c r e a s eo f t h ea r a g o n i t ec r y s t a l ，t r a n s f o r m a t i o no f a r a g o n i t et oc a l c i t ea n d c o n n e c t i o nb e t w e e n s o d ar e s i d u eg r a i n sa r eo b s e r v e du n d e rt h es c a n n i n ge l e c t r o n i cm i c r o s c o p e ( s e n d ， a n dt h ee f f e c tt h a tm i n e r a lc o n v e r s i o nh a so nt h es t r e n g t ho fs o d ar e s i d u ea r c e x p l a i n e d i nt h ep a p e r k e y w o r d s ：s o d ar e s i d u e ，m i x e ds o d ar e s i d u es o i l ，e n g i n e e r i n gp r o p e r t i e s ，s o d a r e s i d u e w a t e r - e l e c l x o l y t es y s t e m ，s c a n n i n ge l e c t r o n i cm i c r o s c o p e ，m i c r o - s t r u c t u r e ， m e c h a n i s mo f f o r m a t i v e s t r e n g t h 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 靴敝储签肫辩明：加弓川日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘洼盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名。乇莨p 也 签字日期：奶年1 月 1 1 7 导师签名： 签字日期： 亏灿 o 年j 月上日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 纯碱工业属于基础的化学工业之一，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，实际产量为8 2 6 万吨，合成碱占统治地位。我国纯碱生 产方法有氨碱、联碱和天然碱。2 0 0 0 年的8 2 6 万吨总产量中，5 8 是采用氨碱 法生产的，3 9 是联碱法生产的，天然碱只占3 。目前，我国大中型碱厂的 情况列于表1 1 中。可见，氨碱法是我国生产纯碱的主要方法，并占主导地位。 表卜1 我国大中型碱厂的生产能力及生产方法 公司地址能力( 千吨年)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 t c c 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 自贡鸿鹤四川白贡 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 0 0天然碱 安棚碱厂河南安棚 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产生大量的废弃物。据统计， 每生产1 吨纯碱要排9 1 l m 3 的废弃物，其中含固体废渣约0 3 0 6 吨，数量 相当可观。废液废渣不加限制的混合排放，则会带来一系列的后果：废液造成 海域、河流不同程度的污染和淤塞，水产业遭到破坏，废渣的沉积占用大量的 土地或在海域( 河边) 造成“白海”，不仅浪费大量的土地，危及航道，而且造 成环境和水体污染；特别是碱渣极难在空气中碳化，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 第一章绪论 人员伤亡。 对碱渣给环境造成的污染和危害，一些发达国家已陆续关闭了氨碱法制碱 厂，但我国是个发展中的国家，关闭这样的碱厂是不现实的。但环境问题已成 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，三废的有效治理 和利用是保护环境的重要措施之一。因此，对碱渣特性的深入研究进而有效合 理利用是有积极意义的。 1 。2 研究及应用现状 氨碱厂废渣属工业排放的三类废物， 会污染大片土地，形成白海，破坏环境， 1 2 1 国外研究及应用现状 但因其排放量甚大，若随意排放，则 必须采取无害排放，并有效利用。 l 、用作土壤改良剂。波兰有相当面积的土壤属酸性，用碱性的纯碱渣去降 低土壤酸性的同时，又提供c a 、s i 等植物需要的成分，是符合波兰国情的方法。 该国在依伏罗茨拉夫碱厂建有正规的装置，用碱渣年产钙肥3 3 万吨。前苏联需 要施用石灰的农耕地约5 2 0 0 万公顷，以废渣代替石灰是可行的，科研部门曾进 行了研究并得出多数农作物可以增产的结论，有一座碱厂曾建立了试验装置， 并制定了产品规格。 2 、废渣用作水泥和其它建筑材料的试验与生产。前苏联的斯捷利塔马克纯 碱厂在7 0 年代曾进行了此项工作。该厂使用经过雨水淋洗、氯化物降低、并长 期晾晒的废渣进行试验，证明可以制取符合当时国家标准的产品，曾建成年产 8 万吨的实验厂进行生产。该国还进行了制取低温波特兰特水泥( 加氯水泥) 方法的研究。并获得专利。对使用氯化钙作为加氯的原料，废渣不必脱氯即可 制造水泥的研究提供了可能。此国的建筑工程研究部门与碱厂共同研究了石灰 型热压粘合剂的生产及使用课题。该法充分利用了废渣中存在的c a c h 、c a s 0 4 两种矿化剂，开发并成批生产了硅酸盐和气泡混凝土砌块，以及无熟料胶泥等 产品。 3 、废渣填海造地。日本的氨碱厂都建在海边，陆地又较短缺，此法符合日 本国情。其方法是：蒸馏塔排出的悬浮液先行澄清，清液的一部分用于氯化钙 2 第一章绪论 生产，其它部分以h c l 中和后排海，澄清桶的底流通入c 0 2 降低p h 值，然后 稠厚装船。用船将废渣运至指定地点，沉积于预先筑好的坝内，清液经检测后 溢流排海，沉渣在规划范围内不断形成陆地。 4 、废渣在制碱流程中二次利用的试验。日本曾进行了全面的探索，并建成 了完整的生产线。由于废渣的c a c 0 3 含量高，c a c 0 3 又是制碱的主要原料。从 理论上可以用废渣经过处理后代替石灰石再次煅烧，即节约石灰石又消除了固 体渣。但这种方法所采用的装置能耗高。 1 2 2 我国研究及应用现状 l 、废渣制水泥。废渣的主含量是c a c 0 3 ，其次是c a o 、s i 0 2 等，因而制 造水泥成为废渣利用的首选项目。天津碱厂从1 9 7 1 年即开始了此项工作的试验 与生产，建成一条年产4 0 0 0 吨的生产线，不断的探索，不断的积累以经验。废 渣制水泥的成本较其它水泥厂要高。但考虑到作为环保项目，仍有很大的社会 效益，废渣制水泥还是有竞争力的。 2 、废渣制碳化砖。大化公司1 9 8 1 年在室内试验的基础上，建立起一试生 产装置，龙山化工厂也进行过类似工作。但缺乏大批量生产及使用的实践。 3 、废渣作土壤改良剂。早在1 9 7 7 年，大连制碱工业研究所即开始了此项 研究，使用了天津碱厂白灰埝经过多年淋洗含氯较低的表层废渣，经过在湖北、 福建、江西、云南四省红土地区和大连微酸性土壤、青岛地区( 使用青岛本厂 碱渣) 的试验，取得了较好成果，并通过了市级监定，有一定的推广价值。1 9 8 8 年广东农科院土壤研究所和广东南方制碱有限公司合作，开展碱渣作为土壤改 良剂和制造高效钙镁肥的农用研究，经过3 年的研究试验，取得了明显效果 t s q 4 、废渣制胶凝材料。8 0 年代后期，天津市新型建筑材料工业公司研究室 和焦作化工三厂等单位，联合开发了以废渣为主要原料，配以少量炉灰渣和硫 酸盐烧结低温水泥的生产方法，亦称碱渣建筑胶凝材料。 5 、船运排渣、围海造地。大化公司利用距本厂1 0 公里处的棉花岛的废弃 盐田，修建拦渣堤坝及卸船码头，形成排渣厂，容积约1 5 0 0 万立方米。已于前 几年启用，设计要求使用3 0 年，可填出3 5 0 万平方米的陆地“。 6 、碱渣拌合土代替一般土作为填垫材料。天津碱厂早在1 9 8 6 年以前就协 同天津市建筑设计研究院和天津机械施工公司共同就利用碱渣代替黄土作为填 第一章绪论 垫材料进行了试验研究。碱渣单独使用、或掺入粉煤灰、返砂、黄土等辅料进 行了实验研究，并在塘沽区天碱朝阳新村家属宿舍进行了大面积应用，取得了 良好效果。于1 9 8 6 年1 2 月通过了天津市化工局、天津市建工局联合组织的鉴 定。为了将“碱渣填地”科研成果一步的科学系统完善和提高，以更广泛的进 行实际应用，1 9 9 7 年天津碱厂委托建设部建设环境工程技术中心进行了天津碱 厂碱渣拌合土的工程利用研究项目。该项研究成果证明：碱渣拌合土作为一种 性能良好的工程用土，不仅可以在塘沽区大规模用于低洼地区和滩涂工程填垫， 而且还可以改善周围的生态环境，同时又可带来巨大的直接经济效益c 1 2 o 从以上情况来看，废渣综合利用的研究和生产，国外不太普遍，特别是在 西欧。而我国有许多氨碱厂，目前年生产排放废渣约1 3 0 万吨。纵观碱渣综合 利用的各种途径，如生产氧化钙、碱渣制水泥、碱渣制碳化砖、碱渣作土壤改 良剂等，由于资金和场地问题影响了这些成果的迅速投产。而把碱渣作为二次 资源用于工业生产，固然是一条很有价值的利用途径，但其利用量毕竟有限， 要完全处理掉多年存积和继续不断产生的碱渣废料几乎是不可能的。 1 3 本文的主要工作 将碱渣作为工程用土，大规模用于填垫工程。为碱渣的大规模处理提供了 明确的方向。碱渣中掺入适量的粉煤灰，经过拌和制成碱渣拌合土，用于场地 的回填，已经应用到一些实际工程中，但真正经过严格设计并检验的大面积填 垫工程只有一个，回填后，碱渣拌合土性质的变化规律还需要进一步了解。 天津碱厂是一个近百年的老厂，多年来排放堆积的碱渣不仅占用了大量的 场地，而且碱渣渗液使场地周围的土质受到盐渍化的侵蚀，同时碱渣粉尘向四 周扩散，使渣山周围的环境受到严重的粉尘污染，对城市环境影响极大。 为了治理工业污染，改善人民生活环境，2 0 0 1 年天津市塘沽区政府决定在 天津碱厂老渣厂的位置，利用碱渣建造环境优美的碱渣山公园，并于2 0 0 2 年 1 0 月建成。在山体填筑中，根据工程的实际情况，采用了纯碱渣进行填筑e 虽 然对纯碱渣我们通过以前的室内试验研究取得了一些初步的成果，但在实际工 程中，这是首次应用，而且在填筑高度上。这也是最高的。因此，有必要结合 此项工程，对碱渣的工程特性进行较深入、全面的研究，为大规模的综合利用 第一章绪论 碱渣提供科学的理论依据。 针对有关人员对碱渣在实际填筑工程应用中的变形及强度特性方面存在的 疑虑，本文主要进行了以下几方面的工作： ( 1 ) 探索碱渣的强度机理。化验结果显示，碱渣颗粒主要是由碳酸钙初期 结晶体一文石颗粒组成。已有研究成果表明，细小的碳酸钙颗粒之间亲和力是 很小的，但实际情况是超高含水量的碱渣仍具有较高的强度，其亲和力是相当 大的，究竟是什么原因造成的，至含其机理尚未十分清楚，需要进一步研究； ( 2 ) 搞清影响工程特性的内部和外部条件； ( 3 ) 探索碱渣在同一含水量，同一千容重情况下的强度变化规律； ( 4 ) 探索碱渣在同一含水量，不同干容重情况下的强度变化规律； ( 5 ) 探索碱渣的强度随龄期的变化规律； ( 6 ) 通过对碱渣结晶结构的观察分析，探索碱渣的结晶结构变化情况，了 解其对碱渣结构强度的影响； ( 7 ) 对比了碱渣与一般土的工程特性，以进一步说明碱渣作为工程土是完 全可行的。 第二章碱渣的组成 2 1 碱渣的生成 第二章碱渣的组成 氨碱法得到纯碱，不能直接由原盐与石灰石反应而得，因为二氧化碳难被 中性溶液吸收而易被氨化溶液吸收。它必须通过碳酸氢氨和中间产品碳酸氢钠 才可能得到纯碱。该法以地下卤水或原盐及石灰石为原料，如用原盐须先溶化 成饱和盐水，除去盐卤中的钙、镁杂质，再吸收氨制成氨盐水，然后进行碳化 得到溶解度小的碳酸氢钠( 又称重碱) ，过滤后煅烧而成纯碱，过滤母液加入石 灰乳反应并蒸馏回收反应物氨再循环。所得蒸馏废液经处理后将清液排弃，废 渣堆放。 氨碱法制碱过程如图2 1 。 氨碱法制碱过程可分以下几个步 骤： l 、将石灰石在窑内煅烧，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 逝a 0 + c o , f c a o + h 2 ( ) = c a ( ：o h ) 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 寸、m 9 2 + 量的多少，采用石灰铵法或石灰碱法， 其反应方程式如下： 原盐水或海水 石灰石焦炭或自煤 ： i ： ii 1 i 鱼塑氅_ 墼i l 塑盐水i 垫垄塑型：塑些i 告盘案 广一“一丁_ 厘矗芦丝氯化氨! ! 王五 一墨型 l 鱼墅詈钠i t 一 轻质纯碱废液 图2 - i 氨碱法生产过程示意图 m 矿十c a ( o h ) 2 一m g ( o h ) 2 l + c a 2 + 2 c a 2 + + 2 c o s = 2 c a ( o h ) 2i + 2 n k , + n a 2 c 0 3 2 n a + 3 、盐水的氨化和碳化，是用精制的盐水吸收n i - i s 后，再进行碳化生成重 碱，其反应式如下： 一6 第二章碱渣的组成 n a c l 4 - n h 3 + c 0 2 + h 2 0 c ，n a h c 0 3 + n i h c l 4 、重碱煅烧，是用洗好的湿重碱，送到回转炉内经煅烧制成轻质纯碱，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 缝筮绱a 2 c 0 3 + h 2 0 + c 0 2 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 i - 1 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 i - i h 一2 n h 3t + c a c h + 2 h 2 0 c o h ) 2 + c 0 2c a c 0 3l + h 2 0 可见，废渣主要来自氨碱法生产流程中在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 t h 、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。 蒸氨塔排出废液输送到渣场中进行沉淀，经沉淀澄清的废液排走，废渣留 在渣场，向上堆积，长年积存，逐渐形成面积达数平方公里、高达十余米的渣 山。由于这些废渣得不到综合治理，不仅占去了大量土地，污染了周边的环境， 而且有潜在的塌方危险。 2 2 碱渣的化学组成分析 2 2 1 碱渣化学组成 碱渣的化学成分取决于原料石灰石和粗盐的成分，一般来说，其化学成分 为无毒的无机盐和无机化合物。对天津碱厂新排碱渣风干试样的化学全分析结 果见表2 - l ；i p c 分析微量元素含量见表2 - 2 。 表2 - 1 碱渣化学全分析结果 成分s i 0 2豇0 2f 也0 3 a 1 2 0 a r ：0l v l n o m g o 含量( ) 0 3 40 ，0 8o 8 91 0 20 0 20 0 33 5 7 成分c a on a 2 0k 2 0 p 2 0 s烧适量烧失c 0 2比重 含量( ) 3 2 2 52 3 5o 1 8o 0 64 9 0 32 9 8 52 3 4 第二章碱渣的组成 表2 - 2 碱渣中微量元素含量 成分b as rvn ic uc oc rm oz ng an b 含量( p p m ) 4 5 73 1 1 21 8 31 95 71 72 2 20 2 4o3 60 - 成分 s cs nt ayy bb ec ep bz rl a l i 含量( p p m ) 5 01 90 71 0 。90 71 o3 9 11 1 83 1 32 1 42 - 2 根据以上结果，由c a o 含量与烧失c 0 2 含量可得，c a t 0 3 的含量为6 5 1 ， 烧失量中还有一部分水，即此材料在风干后仍有2 0 1 拘结合水，另外，m g o 的 含量仅次于c a o 。 2 2 2 固体碱渣易溶盐的化学分析 由碱渣浸提液化学分析可得其中易溶盐的离子含量，见表2 3 。并据此得 易溶盐化合物的组成，见表2 - 4 。 表2 - 3 易溶盐化学分析结果 阳离子 c a 2 + m 矿 n rk -总量p h 值 含量( m g 1 0 0 9 ) 4 2 4 8 18 3 69 6 3 9 7 74 6 6 1 19 2 0 阳离子h c 0 3 c 0 3 s 0 4 2 c l 。总量干固残渣 含量( m e j l o o g ) o1 8 82 5 0 5 7 7 0 9 17 9 7 8 41 3 8 8 0 表2 - 4 易溶盐化合物组成 化合物e a c hm g c h c a s 0 4 n a c in a 2 c 0 3k c l 占易熔盐惭) 9 2 33 0 82 3 4 1 6 0o 2 8 o 1 l 占废料c ) 1 2 80 4 3 o 3 2o 2 0 0 0 4o 0 2 易溶盐化学分析表明，碱渣呈碱性，其p h 为9 2 。其总含盐量为1 3 8 8 ， 盐类主要成份是c a c l 2 ，占易溶盐的9 2 3 ，其它盐类占7 7 ，包括m g c l 2 、 n a c l 、c a s 0 4 在固体废渣中的含量均小于o 5 。由于碱性作用，碱渣在潮湿 环境中对钢筋混凝土不会造成腐蚀，但其中的c a c h 、m g c l 2 矛1 n a c i 等均在潮 湿环境中具有潮解的特性，在碱渣的综合利用中要引起足够的重视d e o 第二章碱渣的组成 2 3 碱渣对环境的影响 碱渣作为工程土，在实际应用中，让人最为敏感的问题是所建工程在长期 表2 - 5 土壤环境质量标准值 心 一级二缓三级 薜 茸 自然背景6 56 5 7 5 7 5 6 5 镉( c d ) 0 2 0 o 3 00 3 0 o 6 0l _ 0 汞( h g ) 0 1 50 3 00 3 01 01 5 砷( a s )水田 1 53 02 52 03 0 旱地 1 5 4 03 0 2 54 0 铜( c u ) 农田等3 55 0l 1 4 0 0 果园4 01 5 02 2 4 0 0 铅( p b )3 5”o 3 3 5 04 0 0 铬( c r )水田 9 02 5 03 3 5 04 0 0 旱地 9 01 5 02 ”o3 锌( z n )l 2 2 5 0 3 5 镍( n i ) 4 04 05 0 6 02 表2 - 6 天津市滨海盐土中元素含量背景值( m g k g ) 元素 h g a sz n k 【)n a ( )c a ( )m g ( ) b eu 吉量( 均值) o 0 5 71 0 2 69 6 6 l2 4 5 1 5 32 5 9l ，7 42 6 04 4 6 7 0 0 0 4 -8 5 -5 6 3 6 一1 6 0 - i 6 0 -l 相睁-0 6 9 - ,2 2 -36 3 4 - 9 5 ( 范围值) o 8 7 01 2 1 6 5 2 8 0 2 2 63 1 8 23 0 05 2 9 8 元素 b asvn ic uc o c rm ny 含量( 均值) 4 7 2 51 8 8 1 08 0 5 93 & 9 23 0 6 81 6 7 8 8 5 8 47 5 9 6 04 5 3 3 9 7 “1 5 9 2 7 0 7 凹1 9 - 2 6 3 2 1 2 弱一6 7 6 4 - 5 9 4 9 8 4 5 扣 ( 范围值) 5 4 7 42 l6 39 1 8 74 4 4 53 5 凹 2 0 7 l1 0 4 09 2 4 2 24 5 5 9 一 第二章碱渣的组成 表2 - 7 碱渣及工程土浸提液中各组分含量单位：m g 1 0 0 9 土 全盐k +n a + 项目 p h 值c o 产h c o 产 c 1 s 0 4 2 - 量 m g l o o gm l o o g 南疆现场碱渣 8 9 49 6 3 0 未检出9 i4 7 8 5 78 5 6 1 83 4 o6 6 8 东沽工程土8 1 48 8 7 2 l 未检出 1 8 i6 9 1 2 79 0 1 1 25 5 6l 拍8 现场粉煤灰1 2 4 46 2 62 9 7未检出2 7 62 3 8 2 01 4 13 0 1 增钙灰8 2 41 0 9 4 08 9未检出6 5 6 1 81 4 0 t 9 66 6 5l l 膏+ m 9 2 + a s h g z nb el iy 项目 m 掣 l o o gn 彬l o o gm g li i 虮l i i 班嘲皿叽m s l 南疆现场碱渣 2 2 1 8 90 0 2 30 4 x l 矿0 n 2 30 50 0 7 40 0 4 6 东沽工程土2 7 柏5 7 40 0 0 80 9 x l 矿0 3 3 00 5o 3 1 90 5 现场粉煤灰 2 0 50 7 0 40 0 1 10 2 i 矿0 0 l i0 0 0 5n 4 1 20 0 2 l 增钙灰2 5 8 79 7 7o 5未检出 0 80 5o 档8o 0 5 l 项目b as r v n ic uc oc r m n 南疆现场碱渣0 1 8 92 3 8o 3 6 1n 1 0 1 嘶0 0 8 l0 0 0 90 0 1 5 东沽工程土 o 1 2 l5 0 5o 3 6 3n 1 6 1o 1 0 40 0 8 3o 0 1 7o 啷 现场粉煤灰0 3 0 91 5 9o 2 3 3 0 1 3 00 0 4 0o 0 6 30 2 6 60 0 1 9 增钙灰o t 4 2 29 9 ln 3 2 2 0 1 7 50 1 2 3o 0 9 3o t 0 5 40 0 1 5 的使用过程中对周围土壤和地下水的污染问题。通过对天津市滨海盐土中元素 含量背景值( 表2 6 ) 和碱渣及工程土浸提液中各组分含量的分析( 表2 - 7 ) ， 与国家土壤环境质量标准值表2 5 ( 土壤环境质量标准，g b l 5 6 1 8 - 1 9 9 5 ) 比 较，得知这些微量元素的含量都远远小于国家的环境控制标准。 2 4 本章结论 化学分析结果表明，碱渣中s i 0 2 、a 1 2 0 3 、f e 2 0 3 含量比天然土低，有别于 天然土体，但碱渣的主要成分是碳酸钙、硫酸钙及铝、铁、硅的氧化物，它们 都可以作为土骨架的组成部分，而c a c 0 3 ，s i 0 2 、a 1 2 0 3 和f e 2 0 3 可以在土壤间 1 0 第二章碱渣的组成 产生胶结作用。因此，利用碱渣作为工程用土，大规模的用于填垫和筑堤工程， 具有其特有的力学性能和变化规律，甚至在有些方面是其它土不可比拟的。 碱渣作为工程土，在实际应用中，让人最为敏感的问题是所建工程在长期 的使用过程中对周边环境的污染问题。碱渣是否含有造成环境污染的有害物 质? 碱渣是否会使周围土质造成进一步的盐渍化? 是碱渣作为工程土应用的一 大关键问题。通过对碱渣微量元素含量的全分析，进行比较。得知这些微量元 素的含量都远远小于国家的环境控制标准。 第三章纯碱渣的工程特性试验 3 1 概述 第三章纯碱渣的工程特性试验研究 大多数建筑物都是建造在土基上或者本身就是用土填筑而成，因此，建筑 物的许多工程问题都与土的工程特性有关系。土的性质十分复杂，特别是它们 的强度特性，最难以了解和掌握，因此，土的强度特性一直是岩土工作者的重 要研究课题。 在与土体稳定有关的工程问题中，土有时起着提供抗力的作用( 即被动情 况) ，有时则起着推力作用( 即主动情况) ，这些都与土的强度特性相关联。因 此，计算结果的可靠性在很大程度上取决于强度指标合理正确的确定。 碱渣作为氨碱法制碱工艺的废弃物，通过大胆尝试，作为工程用土，与其 它一般工程土及各种特殊土( 软土、湿陷性黄土、膨胀土和红粘土等) 相比，具 有其工程性质的特殊性。 把处于自然堆积状态下的碱渣大规模的用于填筑与堆山工程的理论研究工 作很少，更没有可借鉴的工程实践经验，时至目前，仅有在天津市塘沽区天津 碱厂附近的碱渣山工程。因此，对碱渣的工程特性研究有待深入，全面。 本章对碱渣的工程特性的试验内容及方法与一般工程用土相同。主要试验 内容如下：碱渣的颗粒分析试验、原状碱渣与击实碱渣的含水量容重试验、原 状碱渣的压缩( 固结) 试验、无侧限抗压强度试验、灵敏度试验、静三轴剪切 试验：击实碱渣的无侧限抗压强度试验、静三轴剪切试验、龄期试验等。 3 2 碱渣物理特性 与土相似。碱渣由固态、液态和气态三相物质组成。其三相组成间重量和 体积的比例关系。可以反映出一系列物理性质，这些性质可用下列指标来表示： 颗粒组成、颗粒比重、含水量、容重、孔隙比，孔隙率、饱和度、液限、塑限、 塑性指数、液性指数等。研究碱渣的物理性质指标，在工程上具有较大的实际 意义”。 第三章纯碱渣的工程特性试验 水量以下，以便增加击实后的干容重。 从图3 4 还可以看出，碱渣的含水量在一个较大的范围内( 4 0 - - - 6 0 ) 时， 对应的干容重yd 的范围较小( 7 2 0 , - , 7 7 2 k n m 3 ) 。这表明，碱渣在一个相当大 含水量范围内，都可以被压密或击实至或接近最大干容重，从而减小在填垫工 程中夯实韵施工难度。与一般工程土相比，碱渣的干容重较小，如果用来作为 工程回填土，在原有地基上所产生的附加应力较小，从而由回填在工程地基中 产生的附加变形也就小得多，如果用在挡土墙后，则对墙产生的主动土压力也 就比较小。这一点对于填筑工程是有利的。 3 3 碱渣力学特性 在地基承载力、沉降量计算、山体和边坡稳定分析中，对土的力学性能的 测试是必不可少的。碱渣的天然含水量范围较大，在填筑过程中也很难把含水 量控制得很好，再加之天然碱渣的含水量高，及自身性质的特殊性，大量的晾 晒十分困难，在填筑时含水量有可能存在于较大的范围内。因此，要对不同含 水量碱渣的力学特性进行全面的研究。 3 3 1 压缩试验 压缩性是土的一项重要工程性质，它反映了地基土在外荷或白重或两者的 共同作用下产生压缩变形的大小。粘性土的压缩指标一般用压缩系数a ，及压 缩模量e s 来表示。 本试验中，碱渣的压缩性也用压缩系数和压缩模量来表示，它们的测试和 计算方法，与一般粘性土完全相同。按压缩曲线计算压缩系数和压缩模量的压 力区间采用0 1 0 2 m p a 。 轧：2 焉2 揣圳”叫 ( 3 - 1 ) ：= 等 c ，埘 式中：旬、e 2 分别为土样在o i m p a 和0 2 m p a 压力下压缩稳定后的孔隙比： 第三章纯碱渣的工程特性试验 a 1 2压力区间为0 1 o 2 m p a 时的压缩系数( 单位：1 m p a ) ； e s l - 2相应于上述压力区间的压缩模量( 单位：m p a ) 。 取原状碱渣做快速压缩试验，压力取2 5 、5 0 、1 0 0 、2 0 0 、4 0 0 、8 0 0 、1 6 0 0 、 3 2 0 0 k p a ，每小时加一级荷载，加最后一级后隔1 小时、2 4 小时各读数一次， 以进行对比。试验结果如表3 3 ，压缩曲线如图3 5 ( 用卡萨格兰德法确定前期 固结压力p c ) 。 表3 - 3 压缩试验结果 试样天然含水量天然容重压缩系数a l 压缩模量前期固结压力试验后含水量 编号w ( ) y ( k n m 3 )0 m p a )e s i - 2 ( s p a )p c ( k p a )w ( ) 11 7 0 7 01 3 1 21 8 02 5 73 0 77 0 4 6 21 7 2 0 21 3 0 81 9 02 “3 0 26 6 8 3 31 7 2 0 21 3 0 81 8 02 5 83 0 57 3 0 3 4 0 0 3 0 0 螽2 0 0 1 0 0 0 0 0 4 3 0 0 筮 嚣2 0 0 h 1 0 0 0 0 0 l1 01 l 01 0 0 0 0 i g p 1 号 l1 0i 3 01 0 0 01 0 0 0 0 i 印 3 号 t & 0 0 丑 殛2 0 0 1 0 0 0 i1 01 0 01 0 ( 3 0i 0 0 0 0 l 印 2 号 图3 - 5 天然碱渣压缩曲线( e - i 印曲线) 注：i 号、2 号、3 号与表3 3 中的i 、2 、 3 相对应，p c 为前期固结压力。 第三章纯碱渣的工程特性试验 碱渣的压缩系数a 1 2 o 5 ( 1 m p a ) ，属于高压缩性土“。 3 3 2 三轴剪切试验 土抵抗剪切破坏的极限能力，称为抗剪强度，是土的重要力学性质之一。 土的抗剪切强度必须通过试验确定。 3 3 2 1 三轴试验的基本原理 常规三轴剪切试验在三轴剪切仪上进行。三轴剪切仪也可分为应力控制式 和应变控制式。二者的主要区别在于轴向力施加方式的不同。本次试验采用应 变控制式三轴仪进行。 试验时先施加四周均等的周围压力0 ，然后施加轴向力o1 o3 。直至试样 破坏，剪坏时的轴向力记作( o1 o3 ) f 。表3 - 4 表示一组试验结果。 将试验结果绘成应力圆，如图3 6 所示。由于这些应力圆都是极限应力圆， 每个应力圆都与抗剪强度线有一个切点，而抗剪强度线又是一条直线，所以各 应力圆的公切线就是抗剪强度线，也称抗剪强度包线。此包线与水平线的夹角 是土的内摩擦角母，包线在纵轴上的截距就是土的粘聚力c 。按照三轴试验的捧 水情况，常规三轴试验有三种方法：不固结不排水剪试验( u u ) ，固结不排水 剪试验( c u ) ，固结捧水剪试验( c d ) 。 3 3 2 2 含水量对碱渣抗剪强度的影响 按击实试验的方法，将不同含表3 - 4 一组三轴试验结果 水量的碱渣击实试样样( 直径 o ：= 3 9 1 c m ，高度h = 8 o c m ) 在静三 轴仪上做不固结不排水剪切试验 ( u u 试验) ，为了试验结果有可靠 性，同一含水量做的试样进行了平行 试验，每组做三个试样，围压分别为 1 0 0 k p a ，2 0 0 k p a 和4 0 0 好a ，剪切速率 取0 8 m m 分种( 应变速率为1 ，分 种) 。加围压03 后，旌加轴向应力 l。，o 【1 ) a ) 5 01 0 0 1 5 02 l ( 。- 。，) f0 d p a ) 1 3 02 2 03 1 03 8 2 j r rf l ： 图3 6 三轴试验的强度包线 第三章纯碱渣的工程特性试验 ( o1 - o3 ) ，直至试样破坏。用每组三轴试验的三个应力圆得到抗剪强度指标 和c 。 不同含水量w 击实碱渣的三轴剪切试验结果如表3 5 ，含水量w 与抗剪强 度指标q 。和c 。的关系曲线如图3 - 7 ( 图中瞌线为二组试验结果的平均值) 。 表3 - 5 不同含水量击实碱渣不固结不排水试验结果 含水量干容重第一组第二组平均值 w ( )yd ( k n m )c ( k p a )o ( 。)c ( k p a )母( 。)c ( k p a )母( 。) 2 4 36 9 33 6 5 12 7 5 34 0 3 92 8 2 73 7 9 52 7 9 0 4 1 37 5 94 2 12 5 2 l4 1 3 l2 6 1 74 1 7 12 5 6 9 4 9 97 7 24 6 9 12 2 5 14 5 4 92 3 74 6 9 52 3 2 l 6 2 37 0 55 7 11 8 4 55 9 7 71 9 0 45 8 4 41 8 7 4 7 3 76 6 26 7 8 91 4 0 56 8 5 41 4 9 46 8 2 21 4 5 0 8 76 47 5 0 51 1 97 8 6 61 2 3 97 6 8 51 2 1 4 1 0