（岩土工程专业论文）“三号汪子”堆场碱渣的工程特性及运移方案研究.pdf

摘要 采用氨碱法生产纯碱时每生产1 吨纯碱就产出9 , - , o m 3 的废液废渣，碱渣的排 放，占用大量土地，己成为我国纯碱工业发展的极大障碍。天津碱厂的工业废料 碱渣排放区“三号汪子”位于规划的天津港北疆集装箱物流中心的西南角，占地面 积0 7 k m 2 ，堆高已超过1 5 m ，阻碍了规划顺利进行。如何将这些具有极高含水 量、极低强度和触变性的碱渣运移并合理利用是当前天津港建设急需解决的重要 课题。 本文对碱渣的形成及其化学成分进行研究，采用了差热分析、能谱分析、 x 射线衍射分析和电镜扫描等多种手段对碱渣的微观结构进行了较为全面的研 究，从而了解了碱渣原始颗粒结晶特征，搞清了碱渣颗粒与水的相互作用机制， 揭示了碱渣强度的形成机理。通过室内的物理力学试验，从宏观上进一步认识碱 渣的物理力学性质，可知“三号汪子”的原状碱渣具有很高的含水量、很大的孔 隙比、较高的压缩性和较低的强度。 在全面总结了“三号汪子”碱渣的物理化学性质、强度形成机理以及工程力 学特性的基础上，深入探讨了安全运移碱渣山的方法，提出了三个方案。其一是 利用硫酸处理碱渣以提高碱渣的强度从而为运输碱渣提供可能性；其二是通过井 点降水配合分层、分块开挖的方法运移碱渣山；其三是采用泵送的方式输送碱渣 山中的碱渣。 本文对以上三个方案进行了研究。方案一中硫酸的掺入不能有效的提高碱渣 的强度，因此该方案不可行。对于方案二分别采用了有限元分析法和极限平衡法 对“三号汪子碱渣山的整体稳定性进行了分析，表明1 7 m 高的碱渣山处于稳 定状态，进而模拟分析了碱渣山在井点降水后分层分块开挖过程中的稳定性，分 析结果表明采用该方案可以保证碱渣山运移过程中的稳定性。此外对方案三的泵 送法进行了初步的设计。 关键词：碱渣微观结构强度形成机理运移方案有限元稳定性 a b s t r a c t t h et r a d i t i o n a ls o d ap r o d u c t i o np r o d u c e s9 - 1 0 m 3s o d ar e s i d u ep e r1t o np u r e s o d a t h es o d ar e s i d u eu s e su pal o to fg r o u n d sa n db e c o m e sag r e a to b s t a c l et ot h e s o d ap r o d u c t i o nd e v e l o p m e n t t h e d i s c h a r g ef i e l do f s o d ar e s i d u ep r o d u c e db yt i a n j i n s o d af a c t o r yi sc a l l e d t h et h i r ds t o r a g ey a r d ，w h i c hi sl o c a t e di nt h es o u t h w e s to f t i a n j i np o r tn o r t hc o n t a i n e rc e n t e r t h ea r e ao ft h es t o r a g ey a r di s0 7 k m 2a n dt h e h e i g h to fi ti sm o r et h a n15 m t h eq u a n t i t yo ft h es o d ar e s i d u ei ss og r e a tt h a ti tp l a y s an e g a t i v er o l ei nt i a n j i np o r tc o n s t r u c t i o n a sar e s u l t ，h o wt om o v et h es o d ar e s i d u e h i l lw i t he x t r e m e l yh i g hw a t e rc o n t e n t ，l o ws t r e n g t ha n dt h i x o t r o p ys a f e l ya n du t i l i z e i tr a t i o n a l l yb e c o m e sa ni m p o r t a n ti s s u eo f t i a n j i np o r tc o n s t r u c t i o n t h i st h e s i ss t u d i e so nt h ef o r m a t i o na n dc h e m i c a lc o m p o s i t i o no fs o d ar e s i d u e t h et h e r m o g r a p ha n a l y s i s ，e n e r g ys p e c t r u ma n a l y s i s ，x r a yd i f f r a c t i o na n a l y s i sa n d e l e c t r o nm i c r o s c o p i cs c a n n i n gh a v eb e e na p p l i e dt os t u d yt h em i c r o s t r u c t u r eo ft h e i n t e r a c t i o nb e t w e e nt h eg r a i n so fs o d ar e s i d u ea n dw a t e r , f u r t h e ru n d e r s t a n d st h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h eo r i g i n a lc r y s t a l l i n ep a r t i c l e s ，f i g u r e so u tt h em e c h a n i s mo ft h e i n t e r a c t i o no ft h es o d ar e s i d u ea n dw a t e r , a n dr e v e a l st h es t r e n g t hm e c h a n i s mo fs o d a r e s i d u e t h r o u g h t h ei n d o o rp h y s i c a la n dm e c h a n i c a l t e s t s ，t h ep h y s i c a la n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs o d ar e s i d u ec a l lb eu n d e r s t o o do nam a c r os c a l e i ts h o w s t h a tt h eo r i g i n a ls o d ar e s i d u eo f t h et h i r ds t o r a g ey a r d h a se x t r e m e l yh i g hw a t e r c o n t e n t ，l a r g ep o r o s i t yr a t i o ，h i l g hc o m p r e s s i b i l i t ya n dl o ws t r e n g t h b a s eo nt h er e s e a r c ho ft h ep h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e s ，t h es t r e n g t h m e c h a n i s ma n de n g i n e e r i n gm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h es o d ar e s i d u e ，t h i st h e s i s c o n c e n t r a t e so nt h ew a yo fm o v i n gt h es o d ar e s i d u eh i l ls a f e l ya n dp r o p o s e st h r e e s c h e m e s t h ef i r s to n ei su s i n gs u l f u r i ca c i dt o i m p r o v et h es t r e n g t ho ft h es o d a r e s i d u e ，t h u sp r o v i d et h ep o s s i b i l i t yo ft r a n s p o r t i n gt h es o d ar e s i d u e ；t h es e c o n do n ei s m a k i n gu s eo fw e l l - p o i n td e w a t e r i n gt om o v et h es o d ah i l lb ye x c a v a t i n gi nl a y e r sa n d b l o c k s ；t h et h i r do n ei sb yp u m p i n g t h ef e a s i b i l i t yo ft h ep r o p o s e ds c h e m e sh a sb e e na n a l y z e di ng r e a td e t a i l t h e f i r s to n ei su n f e a s i b l ef o r t h es u l f u r i ca c i dc a nn o ti m p r o v et h es t r e n g t ho fs o d a r e s i d u ee f f e c t i v e f o rt h es e c o n ds c h e m e ，a n a l y z i n gt h es t a b i l i t yo ft h ew h o l es o d a r e s i d u eh i l lb yf i n i t ee l e m e n tm e t h o da n dl i m i t i n gb a l a n c e dm e t h o ds h o w st h es o d a r e s i d u eh i l lo f17h e i g h t si si nas t a b l es t a t e ，f u r t h e ri m i t a t e st h es t a b i l i t yo ft h e p r o c e s so ft h ee x c a v a t i n gb yl a y e r sa n db l o c k sa f t e rw e l l p o i n td e w a t e r i n g t h e a n a l y z i n gr e s u l t ss h o wt h a t t h i ss c h e m ec a ne n s u r et h es t a b i l i t yo ft h ep r o c e s so f t r a n s p o r tt h es o d ar e s i d u eh i l l i na d d i t i o n ，ap r e l i m i n a r yd e s i g no ft h et h i r ds c h e m e p u m p i n g i sp r o p o s e d k e yw o r d s ：s o d ar e s i d u e ，m i c r o s t r u c t u r e ，s t r e n g t hm e c h a n i s m ，f i n i t ee l e m e n t m e t h o d ，t r a n s p o r ts c h e m e ，s t a b i l i t y 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翻致谢之处外，| 论文中不包含其薏人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘鲎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。 学饿论文作者签名：白昭枨，签字日期：埘年f 月劢圜 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权基盗太堂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窜件和磁盘。 ( 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：镌永己 导师繇音司 签字冒期：御年f 胃弓夕嚣签字目麓：黝譬年 月? 目 第一章概述 1 1 研究背景 第一章概述 碱渣是氨碱法生产纯碱过程中排放的废弃物。纯碱作为重要的基础化工原 料，广泛应用于冶金、化工、建材、造纸、医药、食品等行业，在国民经济中占 有重要的地位。采用氨碱法生产纯碱时每生产1 吨纯碱就产出9 - 1 0 m 3 的废液废 渣。目前我国每年氨碱法生产纯碱约3 0 0 多万吨，产生的碱渣近3 0 0 万吨。碱渣 的排放，占用大量土地，己成为我国纯碱工业发展的极大障碍。天津市塘沽碱厂 是我国氨碱法生成纯碱的主要基地之一，排放的碱渣大量堆存，占用土地，成为 制约天碱发展以及城市建设、市容环境建设的重要障碍。安全合理的处置碱渣成 为天津碱厂存活和保证我市可持续发展的大问题【l j 。 随着天津市建设的迅速发展，建设用地日益紧张，数十年来堆存的碱渣占用 了大片的土地或海域，碱渣的合理处置更成为城市建设发展面临的大问题。用碱 渣垫地，特别是在围海造陆工程中应用碱渣近年来被推广应用，这种方法不仅可 以大量消耗碱渣，而且可解决土源紧张的问题降低工程成本。 特别是天津港新建北大港池、南疆的进一步发展，其中北疆五个集装箱泊位 和北疆集装箱物流中心已纳入天津港“十五”计划的重大项目。目前，北疆集装 箱物流中心规划建设方案已经形成。根据该方案，该物流中心位于京津塘高速公 路延长线以北，海防路以东，蓟运河以南的区域，分为南区、北区和远景发展区， 其中南区、北区征地面积约5 4 k m 2 。天津碱厂的工业废料碱渣排放区“三号汪子” 位于该规划中心的西南角，长约1 0 0 0 m ，宽7 0 0 m ，占地面积0 7 k m 2 ，目前碱渣 堆高已超过1 5 m ，阻碍了规划的顺利进行。如能就地取材使用“三号汪子”碱渣 垫地一方面可解决土源紧张的问题，另一方面可大大地降低工程造价，但是由于 “三号汪子”的碱渣堆积时间短、含水量高，达到甚至超过2 0 0 ，强度低，如 何将这些具有极高含水量，极低强度和触变性的碱渣运往目的地，对其实施有效 的加固方法，提高其自身的稳定性和承载办，保证修筑于其上的建筑设施的安全 性、耐久性，这些问题尚待深入研究。如果通过本项研究，制定合理的实施方案 和可行的加固方法用碱渣替代部分土源进行围海造陆则可以在治理碱渣山的同 时大大地降低工程成本，带来良好的社会效益和经济效益。 第一章概述 1 2 国内外碱渣治理的研究现状【2 】 e 5 氨碱法制碱已问世1 2 0 多年。但5 0 年代以前，全球对环境保护都未引起足 够的重视，没有严格的控制指标，大多数碱厂长期以来采取混合排放的办法，对 环境带来一定的污染。几十年来，国内外工程技术和科研人员一直在不懈地研究 碱渣的综合利用问题。在欧洲各国，主要将废液进行自然沉淀，筑坝存渣，清液 排入河流或海洋，有的甚至不经沉淀直接排入邻近的海域。随着各国环保政策的 实施，受到政府方面要求治理的压力越来越大。目前，国外也在积极进行碱渣综 合利用的工作。 前苏联的别列兹尼科夫斯克碱厂曾建有生产钙肥的半工业生产装置，将处理 后的碱渣作为土壤改良剂或“钙镁肥”。1 9 7 7 年，前苏联建成了年产8 万吨碱渣 水泥的试验厂。用碱渣代替石灰配成饱和系数0 9 3 - 4 3 9 5 ，硅酸系数2 2 2 5 的混 合料，经燃烧可制得符合苏联标准的水泥。 荷兰的德尔夫赛夫碱厂通过管道将碱渣浆液输入艾姆河口，输送到距海岸线 7 0 0 m 处，通过海水的扩散和稀释作用，解决碱渣排放问题。德国和保加利亚的 碱厂也有采用这种方式排渣的。波兰是利用碱渣生产钙镁肥最好的国家，1 9 7 4 年波兰克拉克夫碱厂将4 0 的废渣制成钙镁肥，1 9 7 5 年则将其全部制成钙镁肥， 其生产工艺与前苏联类似。 在日本则将碱渣浆液脱水后填海造地，废清液则排入海中。日本脱水的设备 主要采用自动板框压滤机，经该压滤机压出的碱渣，含水约5 0 ，可直接与粘土 和工业垃圾混合，用于填海造地。将碱渣水沉至含氯离子小于8 后，在9 0 0 。c 下燃烧9 0 m i n 即可获得生石灰产品。 可见，目前国外大多数国家仍然采用碱渣堆存，清液排放的处理方法。 由于我国碱厂较多，而且纯碱工业在国民经济中占有重要的地位，所以对碱 渣的研究利用比国外更广泛、深入。碱渣的主要含量是c a c 0 3 ，其次是c a o ， 0 2 等，因而制造水泥成为碱渣利用的首选项目。早在1 9 7 1 年天津碱厂就开始 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，但是碱渣制水泥的 成本较其他水泥要高，利用碱渣制水泥不是最理想的方案。后来大连制碱工业研 究所在1 9 7 7 年开始了将碱渣作为土壤改良剂的研究，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进行试验，取得了较好成果，并通过了市级鉴定，一 有一定的推广价值。到了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，联合开发了以碱渣为主要原料，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，至此碱渣又有了可以用来制 胶凝材料的新用途。但由于上述方法都有不同程度的局限性，没能得到推广。 第一章概述 1 9 8 6 年天津碱厂同天津市建筑设计研究貌和天津机械施工公司共同就利焉 碱渣代替黄土作为填垫材料进行了试验研究，将碱渣单独使用或掺入粉煤灰、砂、 黄土等辅料进行了试验研究，并在塘沽天碱朝阳新村家属宿舍进行了大面积应 用，取得了较好的效果。1 9 9 4 年大连湾海域成功的利用真空预压法对吹填造陆 的碱渣浮泥进行加固处理；1 9 9 7 年天津港湾工程研究所以大量室内试验为基础， 对碱渣堆场进行了真空预压并成功的将加固后的碱渣地基作为货物堆场使用。天 津大学岩土工程研究所对堆积年代较久的碱渣作为工程土应用时的微观结构特 性、强度形戏的梳理数及宏蕊物理力学性质进行了深入的研究。逶过磺究找裂了 将碱渣土用于大面积填垫工程的两个基本思路：一是吹填后进行堆载或真空预压 加固，二是将其晾晒风干，褥混合其它材料如：增钙灰、粉煤灰、黄土、水泥等， 制成复合型的碱渣后碾压。由予碱渣在天然条件下比较容易失水风干，如果添 加其它材料后可进一步加快碱渣的失永速度。混合后的复合型碱渣与碱渣相 比，其最大干容重增加3 0 ，强度指标和变形指标都有很大的提高，其表观也得 到改善。应用碱渣土作为工程土在天津塘沽区已经较大规模地用于低洼地区和滩 涂工程填垫，既舞发了地资源，又改善了震边环境，取褥了较好豹经济效益和 社会效益。 综合比较上述各种处理碱渣的方法只有围海造地、筑路等土方工程可以解决 碱渣排放问题且碱渣用量大、经济、施工工艺简单。结会天津碱厂的实际情况天 津大学进行碱渣造陆及加固方法研究，取得了一些较为满意的试验结果。 1 3 本文的主要研究内容 ( 1 ) 对碱渣的物理化学性质，工程力学指标以及强度形成机理进行全面分析。 a 开展了室内试验研究，通过差热分析、能谱分析、x 射线衍射分析和电 镜扫摧等多种手段对碱渣的微观结构进行了较为全面的研究，搞清了碱渣的物理 化学特 正、矿物缝分、颡粒级配、结构帮构造特征。 b 通过室内实验从含水量、孔隙比、压缩性、强度等方面研究原状碱渣的 物理力学性质，并与增钙灰、粉煤灰、黄土、水泥等制成的复合型碱渣进行对 比。 c 。参照粘土矿物颗粒与土的相互作用，研究碱渣颥粒的双电层及孔隙中的 电解液特征，搞清碱渣颗粒与水的相互作用机制，从而了解碱渣强度的形成机理。 ( 2 ) 运移碱渣山的方法研究。 通过研究提出了3 个方案运移现有碱渣由中的碱渣。根据试验结果，邀于“三 号汪子”碱渣生成时间较短，具有明显的含水量高( 达到2 0 0 以上) ，强度低的 第一章概述 特点，提出了用硫酸处理碱渣、井点降水结合分层分块开挖运移碱渣山、直接泵 送三个运移碱渣山的方案，试验和分析证明提出的后两个方案可行。 ( 3 ) 评估碱渣山的稳定性。 分别采用弹塑性有限元方法和极限平衡法计算现状碱渣山的稳定性。根据地 质勘查资料和碱渣山的实际尺寸建立数值分析模型，通过模拟分析确定合理的碱 渣土计算参数，以备进一步研究使用。 ( 4 ) 建立计算机仿真分析模型，研究在施工过程中碱渣山的稳定性。 对井点降水配合分层、分块开挖碱渣山的方案进行了有限元模拟分析。应用 p l a x i s 弹塑性有限元分析软件建立了计算机仿真分析模型，分析中土体的本构 关系采用摩尔一库伦模型，通过适当提高碱渣强度的方法模拟井点降水过程，边 坡稳定的安全系数采用强度折减法得到。模拟分析结果表明采用本文提出的开挖 方案可以保证碱渣山运移过程中的稳定性。 第二章“三号汪子”雄场碱渣的性质研究 第二章“三号汪子”堆场碱渣的性质研究 碱渣在完全风干后，变成非常松脆的多孔介质，一触邸碎，几乎没有什么强 度。经过对碱渣的多次实验可知，当碱渣具有一定的含水量时，碱渣作为工程土 应用时表现出较高豹强度参数( 糙结力和内摩擦角) 、较低的压缩性和较大的渗 透性。这表明，碱渣颗粒闯的孔隙中的水对碱渣强度的形成霸其他物理力学性质 起着至关重要的作用，因此要了解碱渣的强度形成机理，就必须搞清楚孔隙水与 碱渣颗粒的相互作用。通过碱渣与碱渣拌和其他材料形成的碱渣土的微观结构的 比较，来搞清碱渣颗粒与拌秘材料颗粒穗互作用的机制。 2 1 碱渣的形成及化学成分 2 1 。1 碱渣的形成过程强3 天津碱厂的碱渣是在氨碱法生产纯碱过程中蒸氨王序所产生的废渣。各步主 要反应如下： ( 1 ) c a c o , = c a 0 + c n 个 ( 2 ) c h d + 日，0 = c a ( o h ) ( 3 ) c a ( o h ) ，+ n h 4 c 1 毒= c 囊c 如+ 炎玛+ h 2 0 c a ( o h ) ，十c 皱= c a c q + h 2 0 ( 4 ) n i l 4 h c g 十n a c l = n a h c 0 3j ，+ n h 4 c l ( 5 ) 2 n a h c q = n a z c 0 3 + h d 十c o = 1 、 新排出的碱渣废液由管道输送到渣场的浆池中进行沉淀，然后再把沉淀后的 清液排出。这样沉淀出的废渣一层层向上堆积，日积月累，己形成了占地面积 0 。7 k m 2 。高度超过1 5 m 的“三号汪子”碱渣出。| 并且从第三步反应式可以看出， 新堆积的碱渣的主要成分是c a c l 2 和c a c 0 3 。 2 1 2 碱渣的化学成分6 3 碱渣翡化学成分含量检测结果如表2 - 1 所示： 第二章“三号汪子”堆场碱渣的性质研究 表2 - 1碱渣( 干基) 的化学成分含量 成分 c a c 0 3c a s 0 4 c a c i ，c a on a c i 彳，d ，凡：qs i o 、m g ( o h ) 2h ，o 含量4 5 63 91 0 51 0 32 73 00 77 89 06 - 3 由表中结果可知，碱渣的主要化学成分为难溶的盐类，包括c a c 0 3 ，c a s o 。 及铝，铁，硅的氧化物，它们都可作为土骨架的组成部分，而c a c 0 3 可在土颗 粒间产生胶结作用，与老碱渣基本相同。其它成分如c a c i ，n a c i 等易溶于水， 在长期淋洗过程中逐渐减少。因此由化学分析结果来看，碱渣自身即可成为工程 土。 2 2 碱渣的微观结构阶【1 1 为了了解碱渣的微观结构，采用了差热分析、能谱分析、x 一射线衍射分析和 电镜扫描等多种手段对碱渣的微观结构进行了较为全面的研究。分析研究结果如 下： 2 2 1 差热分析结果 采用差热分析得出的差热曲线见图2 1 所示。从图中可以看出，差热曲线上 在4 3 3 0 c 和8 5 7 。c 对应有两个吸热谷，说明固态物质为霰石( 文石) ，它是结晶 不良的c a c 0 3 ，在空气中易转化为方解石。曲线上1 3 8 。c 尚有一极发育的低温 吸热谷，说明固体废料中含有大量分子水。 6 第二章“三号汪子”堆场碱渣的性质研究 蓦一 量一 g 一 ， 于 窨l l f f 1 占 1 墨一 8 - - 图2 1 碱渣的差热分析曲线 2 2 2x 一射线衍射试验结果 将经较长时闻风干的固态粉末进行x 射线衍射试验，结果见图2 ，2 所示。衍 射谱图的特征表明，固态物质为方解石。 第二章“三号汪子”堆场碱渣的性质研究 2 2 3 能谱分析结果 图2 2 碱渣x 一射线衍射试验结果 能谱分析结果如图2 - 3 所示。由能谱曲线可知，碱渣主要成分为c a c 0 3 ，其 次为氯化物c a c i ：、肋c ，和少量氧化物如s i o ：等。 0 c s ，卅1 t燃竹一 瓜 一天 图2 3 碱渣的能谱分析结果 8 第二章“三号汪予”堆场碱渣的性质研究 2 2 4 扫描电镜分析结果 在扫描电镜下进行了观察，能比较直观地观察碱渣的微观结构。为了保持碱 渣的天然结构，直接从碱渣渣场取样，自然风干，然后在扫描电镜下进行观察。 同时，为了更清晰地观察碱渣的单个颗粒，把风干的碱渣放在丙酮中，用超声波 将其击散，然后在电镜下进行观察，再次配合进行了能谱分析，说明了其成分。 图2 4 碱渣整体形貌图2 4 碱渣单体颗粒形貌图2 - 6 碱渣颗粒表面形貌 从图2 - 4 可以看出，碱渣的结构比较松散，表面粗糙，孔隙多而且大，成蜂 窝状，颗粒之间连接不紧密。从图2 5 和2 - 6 可以看出，碱渣颗粒是由更细小的、 粒径在2 - 5 1 u n 的颗粒团聚而成它们以文石为主。还有氢氧化镁、硫酸钙等结 晶物。团聚体粒径太部分在o0 1 o0 7 4 r a m 之间，属粉粒范围。团聚体表面结构 复杂，有孔隙，但连接紧密，其结构不易破坏，经超声波处理后，仍能保持完好。 这些颓粒起到了土骨架的作用，这是碱渣能够用于填垫工程的基础。碱渣团聚体 的这些特性决定了碱渣的宏观性质：( 1 ) 团聚体表面的孔隙对孔隙水有强烈的吸 附作用，这是碱碴含水量非常大的根本原因；( 2 ) 团聚体表面的孔隙以及团聚体 问孔隙的存在，使得碱渣的孔隙比非常大，但是用于压缩时，团聚体内部的孔隙 不被破坏，所以碱渣的压缩性相对于其颗粒组成( 以粉粒为主) 来说是正常的： ( 3 ) 由于碱渣颗粒间结构松散，孔隙大，渗透性好，所以采用真空预压加固所 需时间较短。但又由于团聚体对水的强烈吸附，而且碱渣骨架的刚度较大所以 真空预压完成后。碱渣的含水量仍然很大，达1 0 0 以上。 第二章“三号汪子”堆场碱渣的性质研究 2 3 碱渣的物理及力学性质 2 3 1 原状碱渣的物理及力学指标 钻孔取样在室内测定了碱渣物力、力学指标见表2 - 2 。由试验结果可知碱渣 具有很高的含水量、很大的孔隙比、较高的压缩性和较低的强度。直接应用原状： 碱渣作为工程土其物理、力学指标不能满足使用要求。但碱渣晾晒风干，再混合 其它材料如：增钙灰、粉煤灰、黄土、水泥等，制成复合型的碱渣土与碱渣相比， 其最大干容重增加3 0 ，强度指标和变形指标都有很大的提高，其表观也得到改 善。应用这种处理后的碱渣土作为工程土填垫土地，是处理碱渣最为快捷和方便 的途径。以下主要研究碱渣与粉煤灰的拌合比例为9 2 ：8 的碱渣土的工程性质。 2 3 2 碱渣土的工程性质 1 2 1 6 2 3 2 1 碱渣土的物理指标 ( 1 ) 含水量( w ) 由于碱渣自身的亲水性较好，孔隙比很大，因此碱渣在与粉煤灰拌和后，虽 然粉煤灰可从碱渣中吸出部分水分，但碱渣土整体上仍然有较高的含水量，其含 水量为1 5 0 - 2 5 0 。若经晾晒后水分容易蒸发散失，就能够较快达到或接近最 优含水量。 ( 2 ) 比重( g s ) 用比重瓶法测定碱渣土的比重为2 3 6 。 ( 3 ) 易溶盐含量 测定的易溶盐的含量为1 0 左右。 ( 4 ) 塑液限 塑限：w d = 6 2 4 液限：w l = 8 0 6 塑性指数： i v = 1 8 2 可见碱渣土具有较高的塑限和液限。其原因之一是碱渣土骨架以c a c 0 3 为 主，而c a c 0 3 有较强的亲水性，因此碱渣土具有较强的结构性；另一个原因是 碱渣土的比重较小。也正是因为碱渣土的亲水性强，结构性强，使其具有较大 的触变性。 ( 5 ) 颗粒分析 颗粒分析表明，碱渣土中粒径为0 0 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。 蜇蕉善娄 n。、岔i n r -卜、o o i n 一一 n一甘 撩咖i2 叠 坦辎菡蒌n一 _t - n一 n、 援 戆e 、oo 容 避 、 a $ n 辎 矧r 对 篓u 霎 _ 寸 一 饕蠡量 o n、n寸 o o _ 卜。岔 一 n _ n 一一 草籁。水 oo o oo 剽靼“ 一 寸 i n 一 n 寸卜 寸寸寸 rn寸 掣 剁 剥臣 孝述 n 、 o n o o卜o o o n 岔 _ 一 o oo 。 攥醛 占鋈 a n 0 0 寸 l nn o 。寸甘甘寸、 一一 _ 一 _ 一 _ 型 票访芝 o oo o o o oo o o 寒 o oo o o _h_ 蜷 毯 口亡 篮 盘 _i n t - - -寸 4 - r , - j n o i n岔 尉 忡 o ot - - -i - - -卜 霎 j 】 将 o寸o岔 蛾 餐 do 。 nn j - n 一 no岔 怕 忖 寸寸 n、 篓 趟 。一 怅 鬓 主迫 o 。 一 _m o o 一 n、m一 一一一一一 血| * 3 寸 v 、 寸崞o。 一 缸 i n 一 i nv 、i ，、寸 。c n一 一 n一 一一 蚓，寄 口。oi ni n- n v o 。 岔a n n p q ， 一一 _ 一 nnn 毒 型 n n n 送 n q n n on 十 一 刊 n 寸 o o。 甾 o 9 o o on寸 n寸也 一 刊棼赛心 n h寸 l ，、 口 卜、 蜷鬻扑r，固霉s蜘髻篓隧qn僻 妖畜峰赳客趔罄寒磐：卜崩心：褂按 第二章“三号汪子”堆场碱渣的性质研究 ( 6 ) 击实试验 工程中一般以干容重( 或干密度) 作为控制人工填土施工质量的指标，这就 需要用击实试验确定最大干容重及所对应的最优含水量。 根据土工试验规程，击实试验在标准击实仪中进行，试验结果如图2 - 7 所示。 从图中可以看出，碱渣含水量在一个较大的范围时( 4 5 7 0 ) ，对应的干容重 一儿的范围很小( 8 5 - 8 8 k n m 3 ) 。这个结果表明，在相当大的一个含水量的范围 内，碱渣都可以被压密或击实至或接近最大干容重，从而减小了填垫的施工难度。 与一般工程土相比，碱渣的干容重较小，因此如果用来作为回填土，对原有的地 基产生的附加应力较小，从而地基因回填而产生的附加变形也小得多。 1 0 9 5 、 萎 ， _ 嚣s s h - 8 7 5 ：厂、i ： 3 04 05 06 07 08 09 01 0 0 含水量( ) 图2 7 碱渣土的击实实验曲线 ( 7 ) 渗透系数( k ) 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 度和地基的承载能力。 对应击实试验的结果，在最优含水量下将碱渣击成干密度为8 6 k n m 3 的土 样按常水头进行渗透试验，其渗透系数为1 6 5 x 1 0 q c m s e c ，属于粉土范围 ( 1 0 一1 0 - 6 c m s e c ) ，这与颗粒分析结果相一致。 ( 8 ) 湿陷性与湿胀性检验 有些工程土( 如黄土) 在遇水后忽然坍塌，结构强度完全丧失，称为湿陷土； 而有的土( 如某些膨胀土) 在遇水后体积膨胀，具有湿胀性。湿陷性和湿胀性在工 程上都会产生不利的后果。 为了检验碱渣是否具有这些不利的工程性质，将按最大干容重击成的土样置 于压缩仪中，施加不同荷级的荷载，待变形稳定后，将土样注水饱和，经7 天的 第二章“三号汪子”堆场碱渣的性质研究 观察，未发现土样有进一步的回弹或压缩，表明碱渣并不具有湿陷性或湿胀性。 ( 9 ) 冻融试验 土体中的孔隙水冻结时产生很大的膨胀力，对建筑物的危害很大。将具有最 大干容重的碱渣土样进行冻融试验，经三次冻融循环试验后( 1 5 。c 至2 0 0 c 气 中冷冻4 小时，在+ 2 0 0 c 水中融解4 小时为一个循环) ，土样表面的颗粒可以轻 轻用手剥落，感觉试样结构比较原来有所疏松。表明碱渣土与一般工程土相仿， 不具备象混凝土那样的水硬性与抗冻性能。 2 3 2 2 碱渣土的力学指标 ( 1 ) 直接剪切试验 制备含水量分别为3 0 ，4 0 ，5 0 ，6 0 和7 0 的试验土样，进行浸水与 未浸水快剪强度试验，结果见表2 3 。 表2 3 碱渣土的抗剪强度 含水量3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 c ( k p a ) 3 24 45 13 53 0 未浸水 叩( 度) 3 84 03 93 63 1 c ( k p a ) 1 8 2 82 92 01 7 浸水 q ( 度) 3 l3 33 43 22 2 由表2 3 可以看出，浸水后碱渣土的粘结力和内摩擦角都有较大程度的降低， 其原因有两个：一是土中的部分结合水变成了自由水：二是因为碱渣中的某些易 溶盐( 如c a c l 和n a c i 等) 遇水溶解，对原来的土骨架造成破坏所致。但浸泡后 的碱渣土的强度仍不低于一般工程土的强度指标。 ( 2 ) 压缩试验 根据压缩试验的结果，取干容重乃= 8 8 1 d q m 3 ，含水量为w - 5 5 的碱渣土 击实土样，然后做压缩试验，测得压缩模量为2 1 7 m p a ，属于低压缩性的土。 ( 3 ) 无侧限抗压强度 按击实试验结果，取干容重殇= 8 8 1 d q m 3 ，含水量为w - 5 5 的碱渣击实土 样，在恒温恒湿箱( 温度2 9 。c ，湿度8 0 ) 分别养护7 ，2 8 ，9 0 天，其单轴抗压 强度试验结果见表2 4 ： 表2 - 4 碱渣土龄期试验结果 养护时间 7 天2 8 天 9 0 天 抗压强度口。( m p a ) 0 3 80 4 3 0 4 6 第二章“三号汪子”堆场碱渣的性质研究 试验结果表明，碱渣土的单轴强度随时间增长而有所增长，表明其龄期效 应不明显。 ( 4 ) 振动三轴液化试验 将碱渣试样在动三轴仪上进行了振动液化试验，结果在图2 8 中给出。图中 曲线1 和2 分别对应于动应变5 和1 0 两种情况下振次n 。与动应力比乃2 瓯 的关系。由试验结果可知，2 0 次振动循环( 按7 度地震设防) 时，5 应变对应 乃2 0 0 值为o 3 7 ，3 0 次振动循环( 按8 度地震设防) 时，5 应变对应乃2 0 0 值为0 3 6 。试验结果表明此状态下，碱渣具有较好的抗液化性能。 蟪浏4 o = 5 一_ 振次n e 图2 - 8 碱渣土抗液化能力的动三轴试验结果 2 4 碱渣强度的形成机理 2 4 1 孔隙水与矿物颗粒的相互作用 为了了解碱渣颗粒与孔隙水的相互作用机制，参照粘土矿物颗粒与水的相互 作用来进行认识，因而以下的研究都是针对土来了解的。而要想了解孔隙水与矿 物颗粒的相互作用，得先来探讨双电层理论以及土中结合水的形态，通过对这两 方面的研究来了解孔隙水与矿物颗粒的相互作用。 2 4 1 1 双电层理论【1 7 】 1 8 】 一般的工程用土包括各种成因的矿物颗粒( 构成骨架) 以及颗粒间孔隙中的 介质。以下讨论一般土中的矿物颗粒与水的相互作用。 通常，土中总是含有较多的水分。孔隙中的水可以处于液态、固态或气态。 6 5 4 3 2 ， o o o o o o g n ，p 第二章“三号汪子”堆场碱渣的性质研究 颗粒越续，其分散度越大，永对土的性质的影响也越大。研究土中的水，必须考 虑到水的存在状态及其与颗粒的相互作用。存在于矿物的晶体格架内部或是参与 矿物构造中的水称为矿物内部结合水，它只有在比较高的温度下才能化为气态水 嚣与矿物颗粒分离。从工程性质上看，可以把内部结合水巍作矿物颗粒的部分。 绝大多数物质与极性介质( 如永) 相接触时，在二相的界面上都获得电荷， 因而造成界面电位差，土颗粒表面一般带有负电荷，围绕颗粒形成电场，在颗粒 电场范围内的水分子和水溶液中的阳离子一起吸附在矿物颗粒比表面。因为水分 予是极性分子，它被颗粒表甄电荷或水溶液中的离子电荷瓣吸弓| 两定向撵裂。颗 粒周围水溶液的阳离子，一方面受到颗粒所形成电场的静电吸引力作用，另一方 面又受到布朗运动的扩散力作用。在最靠近颗粒表面处，静电引力最强，把水化 离子和极性水分子牢固地吸附在颗粒表面上形成固定层。在固定层外围，静电引 力毖较小，因此水化离子和极性分子的活动性比在固定层中大些，形成扩散层。 固定层和扩散层中所含的阳离子与颗粒表面负电荷一起即构成双电层。 在颗粒与水溶液分界面上产生的最大电位称为热力电位( s 电位) ，它决定 于颗粒蠢水溶液麴成分以及相互作震时的环境。在固定层与扩散层的分界面上的 电位称为电动电位( f 一电位) 。f 一电位比e 电位小褥多，当e 电位为定数 值时，f 一电位越大，说明扩散层水膜厚度越大，扩散层的厚度对碱渣的特性影 响很大。 承溶液中豹反粒子( 阳离子) 的原子价越高，它与颗粒之闻的静电孳| 力越强， 则扩散层厚度越薄，而f 一电位越低。在工程实践中，可以利用这种原理来改良 土质，例如用三价及二价离子( 如f e 抖、a 1 2 + 、c e + 、m 9 2 + ) 处理粘土，使得它 的扩散层变薄，从丽增加土的稳定性，减少膨胀性，提离的强度；有时，可用 含一价离子的盐溶液处理糖土，使得扩散层增厚，而大大降低土的渗透性。 2 4 1 2 土中水的结合形裂7 j 从上述双电层的概念可知，反离子屡的结合水分子移交换离子，越靠近颗粒 表面，则排列得越紧密和整齐，活动也越小。因而，结合水可分为强结合水和弱 结合水两种。强结合水是相幽于反离子层的内层( 固定层) 中的水，而弱结合水 则相当于扩散屡中的水。 ( 1 ) 强结合求 强结合水是指紧靠颗粒表面的结合水。它的特征是：没有溶解能力，不能传 递静水压力，只有吸热变成蒸汽时才能移动。这种水极其牢固地结合在颗粒表面 上，其性质接近子固体，密度约为1 2 2 。4 9 c m 3 ，冰点为7 8 0 c ，具有极大教粘滞 度、弹性和抗剪强度。如果将干燥的土移动在天然湿度的空气中，雯| 土的重量将 第二章“三号汪子”堆场碱渣的性质研究 增加，直到土中吸着的强结合水达到最大吸着度为止。颗粒越细，则其比表面积 越大，最大吸着度也就越大。砂土的最大吸着度占土粒重量的1 ，而粘土则可 达1 7 ，粘土中只含有强结合水时，呈固体状态，磨碎后则呈粉末状态。 ( 2 ) 弱结合水 弱结合水紧靠于强结合水的外围形成一层结合水膜，它仍然不能传递静水压 力，但水膜较厚的弱结合水能向相邻近的较薄的水膜缓慢移动。当土中含有较多 的弱结合水时，土则具有一定的可塑性。砂土的比表面积较小，几乎不具有可塑 性，而细粒土( 包括粘土和碱渣土等) 的比表面积较大，其可塑性的范围就较大。 弱结合水离颗粒表面越远，其受到的电分子吸引力越弱小，并逐渐过渡到自由水。 ( 3 ) 自由水 自由水是存在于颗粒表面电场影响范围以外的水。它的性质和普通水一样， 能传递静水压力，冰点为0 0 c ，又有溶解能力。自由水按其移动所受作用力的不 同，可以分为重力水和毛细水。 2 4 1 3 碱渣颗粒与孔隙水的相互作用 碱渣颗粒与孔隙水的相互作用机制与孔隙水与土颗粒的相互作用机制相同， 根据双电层理论，孔隙中的水中的阳离子的原子价越高，电解质浓度越大，则它 与矿物质颗粒之间的静电引力越强，扩散层厚度越薄。这是因为扩散层与溶液中 的离子浓度差别减小的关系，将有更多的阳离子进入固定层，而扩散层的离子数 目降低，导致了电动电位的下降。碱渣是由碱渣废液凝聚而成，其颗粒间的水溶 液中可溶盐c a c l 2 含量在1 5 0 9 1 以上，从而可知碱渣孔隙水的c a ：+ 离子浓度相对 大，造成围绕碱渣颗粒的双电层的f 一电位极低，所以，碱渣有较高的强度和稳 定性。 2 4 2 碱渣强度形成机理分析 2 0 】 以下结合碱渣与水相互作用机制以及碱渣的矿物成分探讨碱渣作为工程土 应用时强度的形成机理。 2 4 2 1 碱渣颗粒与水形成的双电层f 一电位 碱渣是由碱渣废液凝聚而成，碱渣孔隙水的c a 2 离子浓度相对大，所以围绕 碱渣颗粒的双电层的f 一电位极低，因此，从双电层理论来分析碱渣有较高的强 度和稳定性。与一般粘性土相比，由于碱渣土中的f 一电位很低，扩散层很薄， 处于约束状态的弱结合水较少，因此可以自由移动的自由水多，孔隙水能够在重 力位势或压力水头作