（岩土工程专业论文）高含水率纯碱渣承载力性质的试验研究.pdf

摘要 氨碱法生产纯碱在工艺流程中产生大量的废渣，碱渣占用了大量的土地， 并严重污染了环境，将碱渣作为二次资源用于工业生产，变废为宝，具有明显的 社会效益和经济效益，前景广阔。目前，已将碱渣及其拌和物作为工程用土，大 规模用于低洼地区和滩涂工程的填垫。在以往的研究和应用中，通过室内试验已 经认识到了碱渣的一些性质，但对纯碱渣尤其是高含水率的纯碱渣承载力性质还 没有认识清楚。 本文首先介绍了目前碱渣的利用现状，分析了高含水率碱渣工程应用中存 在的实际问题。利用六号汪子现场高含水率碱渣测定了纯碱渣含水率与翻晒时间 减小的变化规律，进行了不同含水率碱渣的现场承载力试验。用最小二乘法拟合 快速法测得的试验结果，得到慢速法数据，使结果更加准确。并以现场载荷试验 的结果为依据，用不同的方法确定了碱渣的承载力，在此基础上结合室内三轴试 验及无侧限抗压强度试验结果，通过比较选取最合理的碱渣承载力确定方法。从 而使高含水率的碱渣能在不同承载力要求下得到应用，此问题的研究将大大拓展 碱渣的应用范围，达到使工业废料资源化，减少污染，节省工程造价的目的，因 此是很有实际意义的。 本文系统分析了在不同含水率下填筑碾压碱渣的性质，找出承载力变化规律 和影响因素，由实测曲线确定出碱渣的变形模量；通过室内土工试验，对现场载 荷试验前后的纯碱渣的强度和变形特性进行研究，并与室内击实碱渣土工试验成 果进行对比分析。得到填筑碾压碱渣与纯碱渣性质的差异。对碱渣的工程应用具 有实际指导意义。 关键词：纯碱渣承载力填筑碾压最小二乘法变形模量 a bs 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 t h ea l k a l ir e s i d u eo c c u p i e dag r e a td e a lo fl a n d ，a n dp o l l u t e de n v i r o n m e n t s e r i o u s l y ，s or e u s e dr e s o u r c e s e st h ea l k a l ir e s i d u et ou s e df o ri n d u s t r yp r o d u c t i o n ， c h a n g et od i s c a r df o rt h et r e a s u r e ，h a v et h eo b v i o u ss o c i a lp e r f o r m a n c ea n de c o n o m i c p e r f o r m a n c e ，f o r e g r o u n da m p l i t u d e c u r r e n t l y ，t h es o d ar e s i d u ea n d i t sb l e n d sw h i c h t r e a t e da sf o u n d a t i o ns o i li nt h ef i l l i n gi ne n g i n e e r i n gh a v ea l r e a d yu s e dt of i l lt h e l o w - l y i n ga n dd a m pr e g i o nl a r g e l y i nt h ep r e c i o u sr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n ，t h o u g h i n d o o re x p e r i m e n tw eh a v ea l r e a d yk n o w ns o m ep r o p e r t i e so ft h ea l k a l ir e s i d u e ，b u t t ob e a r i n gc a p a c i t yo fp u r ea l k a l ir e s i d u e ，p a r t i c u l a r l yt h es o d ar e s i d u ew i t ht h eh i g h w a t e rc o n t a i ni su n c l e a r t h et e x ti n t r o d u c e dt h es t a t u sq u oo fu t i l i z a t i o nf i r s t l y ，a n da n a l y z e dt h ep r o b l e m o fs o d ar e s i d u at h a te x i s ti ne n g i n e e r i n g ic o n f o r m e dt h ec h a n g i n gr e g u l a t i o no fw a t e r c o n t e n ta l o n gw i t ht h ei n c r e a s i n go ft e d d i n gt i m e ，t h e nc a r r i e do nt h el o a d i n gt e s to f a l k a l ir e s i d u ew i t hd i f f e r e n tw a t e rc o n t a i nt h a tc a m ef r o mn o 6f i e l d d r a w i n gu pt h e d a t ao ft h ef a s tm e t h o dw i t ht h em e t h o do fm i n i m u ms q u a r eig e ts l o wm e t h o dd a t a ， w h i c hm a k er e s u l tm o r ea c c u r a t e im a d es u r et h eb e a r i n gc a p a c i t yo ft h ea l k a l i r e s i d u ew i t ht h ed i f f e r e n tm e t h o do nb a s i so fd a t ao fl o a d i n gt e s t , a n dt h e nc o m b i n i n g w i t ht h er e s u l t so ft r i a x i a lt e s ta n du n c o n f i n e dc o m p r e s s i o nt e s tc h o o s et h er e l a t i v e l y m o s tr e a s o n a b l em e t h o d ，s ot h es o d ar e s i d u ec o u l db eu s e du n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n t h er e s e a r c ho ft h i sp r o b l e mw i l le x p a n dt h ea p p l i c a t i o no ft h ea l k a l ir e s i d u e ，m a k e i n d u s t r i a lw a s t e sr e s o u c e d ，d e c r e a s ep o l l u t i o na n ds a v eal o to fp r o j e c tc o s t s ，s oi t i s s i g n i f i c a n ts e n s e t h et e x ta n a l y z e dt h ep r o p e r t yo ft h ef i l l e da n dr o l l e ds o d ar e s i d u ew i t hd i f f e r e n t w a t e rc o n t e n ts y s t e m a t i c l y ，a n df o u n do u tt h ec h a n g i n gr e g u l a t i o na n dt h ei n f l u e n c i n g f a c t o ro fb e a r i n gc a p a c i t y ，a n dc o n f i n et h ed e f o r m a t i o nm o d u l u so fa l k a l if r o mt h e m e a s u r e m e n tc u r v e t h r o u g ht h ei n d o o rs o i le x p e r i m e n t ，is t u d yt h es t r e n g t ha n d d e f o r m a t i o no fp u r ea l k a l ir e s i d u ei nf r o n ta n da f t e rl o a d i n gt e s t c o m p a r ew i t ht h e r e s u l tf r o mt h ei n d o o rs o i le x p e r i m e n t ia n a l y z et h ed i f f e r e n tc h a r a c t e rb e t w e e nt h e f i l l e d r o l l e da l k a l ir e s i d u ea n do r i g i n a ls o d ar e s i d u ei nt h ea n a l y s i s t h a ti sd i r e c t i o nt o e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o no ft h ea l k a l ir e s i d u e 1 娅yw o r d s ：p u r es o d a r e s i d u ，b e a r i n gc a p a c i t y , f i l l e d - r o l l e d ，m e t h o d o f m i n i m u ms q u a r e ，d e f o r m a t i o nm o d u l u s 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墩得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谓j 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，也不包含为获得苤盗叁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调 意。 学位敝储繇轴砷签字吼抄、7 学位论文版权使用授权书 月0 7h 本学位论文作者完全了解盔盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘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：杂立丑咋申 骅嗍嘲年月即同 刷磁轹沙 签字嗍：矽“月少同 天津大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 纯碱废渣废液的生成及危害 纯碱是重要的基础化工原料广泛应用于冶金、化工、纺织、造纸、医药 和食品等工业。制碱业在国民经济中占有重要的地位。目前，我国氨碱法生产纯 碱约3 0 0 多万t 。每年产生废液3 0 0 0 多万m 3 ，碱渣近3 0 0 万t 【l 】。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，造成财产损失和人员伤亡。如此大量的碱渣，长期得不到合 理的处理和利用，不仅造成资源浪费，而且消耗大量的人力、财力加以管理。 由于碱渣本身具有的特殊性质其处理利用难度很大随着环保意识的增 强和碱渣堆存场地的日益紧张，碱渣的处理已成为日待解决的问题。天津碱厂投 产近8 0 年，碱渣堆积量已超过1 5 0 0 万吨，占地3 5 0 公顷，厂区附近土地已面临 用尽。因此，必须尽快找到台理的综台利用途径，解决碱渣堆存问题，保证纯碱 的正常生产。但是废渣具有特殊的工程性质，若能使其变为工程土，用于垫地、 修路筑堤，可大量利用废碱渣。特别是天津开发区地势低洼，进行建筑时场地需 要垫高l 一2 m ，若能利用天津碱厂碱渣造陆，不仅变废为宝，而且缓解开发区垫 地土源紧张问题。因此，对碱渣的性质需要进行试验研究，以便综合利用。 1 2 天津碱厂废渣堆放概况 天津碱投产初期，塘沽区尚未形成完整的城区，该厂所在地周围还是晒盐 地，所以生长出的废渣就近排放到盐池堆放。其中最早形成的是三号路碱渣山。 到七十年代末，天津碱厂又陆续征用了盐场六号汪子、三号汪子作为碱渣的排放 场地。到现在已经排放碱渣2 4 0 0 m 3 以上，形成三座碱渣山。共占地3 9 9 k m 2 。其 中尤以三号路碱渣山历史最长，堆放量最大，达9 6 0 万m 3 ，堆积高度6 1 2 m ， 占地1 5 k i n 2 【2 1 。 建厂7 0 余年来，天津碱厂制碱过程中已生产废渣1 5 0 0 万t 以上，堆放高度 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 在l o m 以上，占地面积约3 2 6k m 。为防止埝体塌方，该厂每年用于渣场的维修 费即达2 0 0 万元。随着天津开发区、天津港保税区的建立和滨海新区的发展，可 供堆放碱渣的滩涂己不复存在，而老渣场即将堆满，解决碱渣的堆放问题已刻不 容缓。将碱渣作为二次资源用于工业生产，用量有限，寻求碱渣的太规模应用途 径是十分必要的。 1 3 碱渣的综合利用 1 3 1 碱渣的简易处理 碱渣的一般治理主要是指其堆积和排放的方法，早期各纯碱厂都没有意识 到碱渣的直接堆放会带来问题，但是随着社会的发展，碱渣对社会和环境的影响 日益严重，对其处理势在必行。 碱渣直接或经过简单处理排入海洋：碱渣含水率较高，连接力低，能与海中 的泥类物质混合。意大利罗西略诺碱厂就是将其碱渣排入海中的，排放时必须控 制其排放指标。 固液分离后，堆放碱厂附近：这是最简单的放置碱渣的方法。国内外很对的 碱厂都采用了堆放其附近的方法，现在碱厂旁边的大的碱渣山给其本身的发展和 社会的发展带来了很大的麻烦，各大碱厂也都在寻求其处理方法。 在碱渣堆存的方法中，采用人工地上筑坝堆渣的方法力最多。如：法国顿巴 斯、比利时古耶、德国斯塔斯福特、波壮雅尼科夫、罗马尼亚穆列什、荷兰阿克 苏等碱石，许多坝高己超过3 0 米：俄罗斯大部分碱厂也采用人工地上筑坝的方法。 利用自然山谷等地形，在低洼区筑坝堆渣，沉积于谷内，废液入河，最终人海。 最为典型的是保加利亚德夫尼西碱石大坝有4 2 米之耐1 0 】。 利用碱渣填海造地：大化集团在造船新厂和大化厂区之间海域筑起一条长约 2 公里。距离大化厂约2 6 0 米的大坝，将坝南的海底碱渣淤泥吹填到坝北的池内造 地，总面积约4 5 万平方米。造地后，筑坝用的重达1 0 吨的水泥块压在干固的碱渣 淤泥层上，没有压进的痕迹。 深海排放：中国南方制碱公司采用了此种方法。 特殊方法：悬浮物经过沉降后，将废液渣洗涤。进入已经部分开采的盐洞中 用以置换新鲜盐水，此为美国特有的方法。 1 3 2 碱渣的综合利用 一、国外综合利用水平评述【4 】 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 、用作土壤改良剂【5 】【6 】 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。首先对 碱渣进行水洗脱氯，用3 , - 一4 m 的水洗h 干泥，可使氯含量小于l o ，这样可作为 土壤改良剂。如果继续水洗使氯降至6 以下，再掺入白垩使氯降n 2 下，可 作为“钙镁肥 ，用于酸性土壤。小麦、玉米、甜菜田间试验结果表明，无论直 接使用或与其他化肥混用，这种钙镁肥均有改良土壤、提高作物产量的作用。 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 7 1 。 2 、生产水泥及其它建筑材料【8 】【9 】 前苏联在7 0 年对初进行过废渣制水泥的试验研究和试生产，曾经研制出5 5 - - 8 0 的含氯水泥，并在乌兹别克的阿汉加兰建立一个年产l o 万吨的示范厂。前苏 联还进行了制取低温波特兰水泥的研究并获得专利。另外，前苏联曾用废渣制贝 利特石灰型粘结剂。 碱渣生产建筑胶凝材料的产品与水泥产品相比，除氯根的含量不同外，其它 成分基本相同。前苏联有一种含氯根的水泥称阿里尼特水泥，我国目前无此产品。 3 ：生产氯化钙 氯化钙是纯碱生产中的副产品，利用氨碱法纯碱生产中的蒸馏废液，经过 净化和澄清后。通过多效蒸发器蒸发浓缩、冷却、破碎后产生c a c l 2 2h 2 0 。它 广泛应用于工业中的防腐剂、制冷剂、除湿剂、灭火剂、胶粘剂以及交通航空业 的融冰融雪。由于它的广泛用途国内大部分纯碱厂正在进行c a c l 2 2h 2 0 的生 产。日本中央硝子宇部工厂，将废渣清液一部分制取氯化钙【l 0 1 。 4 、填海造地 日本的碱厂都建在海边，陆地又比较短缺，此法符合日本的国情。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。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】。 5 、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。 二、国内综合利用水平评述【1 2 】【1 3 】【1 4 】 1 、碱渣作湿式烟气脱硫剂 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 目前我国的锅炉均以燃煤为主，其中的硫分燃烧形成s 0 2 排入大气中影响大 气环境。现在国内的脱硫方法多采用湿式脱硫，脱硫剂多采用石灰石和氢氧化钙 等，但投资成本太大，用碱渣可以制成较为廉价的脱硫剂。当碱渣与电石渣的比 例为1 ：1 时，混合物的脱硫能力接近于常用的氢氧化钙脱硫剂【8 】。碱渣用作脱 硫剂还可应用于干法脱硫，山东海洋化工集团有限公司【1 3 】联合美国阿兰科环境技 术公司利用碱渣脱硫剂在荷电式干法脱硫装置上代替氢氧化钙，试验是成功的。 2 、碱渣作混凝土外加剂 大连理工大学王立久、王宝民等在国内外首次利用碱渣与另外一种工业废液 通过化学物理过程研制成功混凝土外加剂，包括混凝土膨胀剂、防水剂和早强剂， 具有成本低，环保等优势，为碱渣的利用开拓了新的思路。 3 、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，该厂曾用试制 的水泥盖了一幢3 8 0 m 2 二层楼，经受住了1 9 7 6 年唐山大地震的考验。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。 4 、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。 5 、废渣制土壤改良剂 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。 6 、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。 7 、船运废渣、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【1 5 】。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 8 、废液回收再利用制氯化钙 用氨碱废液制氯化钙，是诸多生产方法中成本最低的一种，实际上是“以煤 换钙”，具有变废为宝的优势。 9 、碱渣( 碱渣土) 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土的工程利用研究项目。该项研究成果证明：碱 渣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【16 1 。 从以上情况来看，废渣综合利用的研究和生产，国外太普遍，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 3 对策和设想 1 、随着社会、经济的发展，人们已经认识到环境保护的重要性和紧迫性。 从社会可持续发展高度上，宏观上需要国家有关部门从政策上和资金上给予有 力的扶持，鼓励企业加大这方面的投入，充分调动科研人员的积极性和主动性。 2 、加快科技成果的转化。碱渣的综合利用研究成果很多，但真正转化为生 产力的为数较少。对一些较好的科研成果，如利用碱渣做土壤改良剂( 钙镁肥) 、 生产氯化钙等，有关部门应组织专门人员进行推广应用工作。 3 、加强协作。碱渣的治理和综合利用决非是单方面的工作，它是一项系统 工程，需要政府部门、各科研机构和企业的通力合作，携手把这一事情做好。 4 、提高排放指标，从客观上“逼迫”企业向“综合利用 的方向发展。 总之治理碱渣主观上要求从企业到政府、科研机关要高度重视；客观上要 求既要大量“吃掉”，又要技术上、经济上可行。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 课题研究的内容 天津碱厂多年来利用氨碱法生产纯碱，在制碱过程中产生了大量的碱渣，碱 渣的排放占用了大量的土地，同时建杂货粉尘向四周扩散，使碱渣山周围的环境 受到严重的污染，这将影响天津开发区、塘沽区及宝税区的开发利用和建设发展。 目前碱渣大规模的用于填筑工程，为了更好的体现碱渣的工程性质，我们要研究 碱渣受载荷影响的性质，所以进行了碱渣的现场载荷试验，来研究碱渣的承载力， 及压载对碱渣的物理力学指标的影响。本文以大量的试验数据为依据，结合内室 击实碱渣的试验结果，对碱渣的性质进行了深入的分析。 本文的主要研究的内容： 1 、应用土的经验理论及现场试验的结果，对快速法测得的碱渣p - s 曲线进行 了修正，使修正后的沉降更加接近碱渣的稳定沉降，从而得到相应于慢速法的碱 渣载荷试验p - s 曲线。 2 、根据大量的碱渣试验数据，利用常用的一般土体承载力的确定方法计算 碱渣的承载力。 3 、对比各种方法得到的碱渣承载力，以评价因子为评价依据，确定出最合 理的确定碱渣承载力的方法。 4 、分析现场碱渣的变形模量和固结系数，与室内试验结果比较。 5 、用直剪试验确定碱渣压载前后的性质，与室内三轴试验结果相比较。 6 、分析纯碱渣扰动前后的强度性质，确定碱渣结构强度形成机理； 7 、分析含水率及深度等因素对碱渣承载力的影响。 8 、确定现场碾压碱渣的压缩模量与压缩系数，用室内试验的结果做参考， 分析碱渣的变形特性。 天津大学硕士学位论文第二章碱渣的工程特性 第二章碱渣的工程特性 2 1 碱渣的化学组分分析 2 1 1 碱渣的化学组成1 6 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 1 ；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 2t i 0 2f e 2 0 3a 1 2 0 3 f e om n o m g o 含量( ) 0 3 40 0 8o 8 91 0 2 0 0 2o 0 33 5 7 成分 c a o n a 2 0k 2 0p 2 0 5烧适量烧失c 0 2比重 含量( )3 2 2 52 3 50 1 80 0 64 9 0 33 2 8 52 3 4 表2 2 碱渣中微量元素含量 成分 b as rvn i c uc oc rm oz ng a n b 含- l ( p p m ) 4 5 73 1 1 2 1 8 31 95 71 72 2 20 2 403 60 成分 s cs nt ayy b b ec ep b z rh l i 含量( p p m ) 5 01 90 71 0 9o 71 o3 9 11 1 83 1 32 1 42 2 根据以上结果，d q c a o 含量与烧失c 0 2 含量可得，c a c 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 的结合水，另外，m g o 的 含量仅次于c a o 。 2 1 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 。 天津大学硕士学位论文 第二章碱渣的工程特性 表2 3 易溶盐化学分析结果 阳离子c a 2 + m 9 2 + n a +c 总量p h 值 含量( m g 1 0 0 9 ) 4 2 4 8 18 3 69 6 39 7 74 6 6 1 19 2 0 阳离子 h c 0 3 c 0 3 2 s 0 4 2 c 1 总量 干固残渣 含量( m g 1 0 0 9 ) o 1 8 8 2 5 0 5 7 7 0 9 1 7 9 7 8 41 3 8 8 0 表2 - 4 易溶盐化合物组成 化合物 c a c l 2m g c l 2 c a s 0 4 n a c l n a 2 c 0 3 k c l 占易熔盐( ) 9 2 33 0 82 3 41 6 00 2 8o 1 l 占废料( ) 1 2 80 4 30 3 20 2 00 0 4o 0 2 易溶盐化学分析表明，碱渣呈碱性，其p h ) b 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 i 、 c a s 0 4 ，在固体废渣中的含量均小于0 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 l 2 、m g c l 2 和n a c l 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【17 1 。 2 2 碱渣的矿物组成 2 2 1 鉴定粘土矿物的方法 鉴定粘土矿物的方法很多，一般来说天然土中往往存在几种不同的粘土矿物， 因此常需要几种方法同时进行分析，常用的方法有以下几种【1 8 】 一、差热分析 差热分析法是鉴定粘土矿物的常用方法，它的原理是不同的粘土矿物在加热 过程中会产生不同的热反应。粘土矿物在加热( 1 0 0 - 1 2 0 0 。) 过程中将发生一 系列的物理、化学变化，如矿物化学结晶水的脱出、晶格构造的破坏，将产生吸 热反应，而新的矿物晶相的形成则引起放热反应。不同的粘土矿物，由于成分、 晶格构造及物理化学性质不同，加热过程所发生的变化及其伴生的热反应特征也 是不一样的、应用差热分析仪可以测出矿物在升温过程中吸热时的温度( 吸热谷) 和放热时的温度( 放热峰) ，即差热曲线。 二、x 射线法分析 x 射线分析法是研究结晶构造、鉴定粘土矿物最重要的一种方法。所用的 仪器是x 射线，x 射线是一种波长很短的光波，穿透力很强，x 射线射入粘土矿 天津大学硕士学位论文第二章碱渣的工程特性 物晶格中将产生衍射现象，不同的粘土矿物，晶格构造各异，会产生不同的衍射 图谱。 三、化学分析 化学分析法是通过对粘土矿物的全量化学分析，测得各主要元素的含量，由 此推算分子式，从而鉴别其矿物类型。但是单独的化学分析只能得到有限的价值， 因为土的固相化学成分分析不能表示出元素组成的晶体和非晶体的组织。 四、其他方法 染色法是最简单的鉴定粘土矿物的方法，但是可靠性较差。其原理是用孔雀 石绿、二氨基联苯等有机染色剂对粘土进行染色，不同的粘土矿物对各种染色剂 的反应是不同的，有的被染色，有的不能染色，染上颜色的深浅也不同。根据不 同的反应来鉴别不同的粘土矿物。 红外光谱分析是利用不同矿物吸收的红外光的频率范围的不同来鉴别矿物。 电子显微镜法是研究粘土矿物的有效方法。通过它可直接观察粘土矿物的大 小、性状、厚薄等外部特征，以此来鉴别矿物。 2 2 2 分析结果 为了弄清碱渣的矿物成分组成，采用了差热分析，能谱分析，x 埘线衍射 等多种手段，对固体碱渣进行了研究【1 7 】。 采用差热分析得出的差热曲线如图2 1 所示。从图中曲线可以看出，在差热曲线 8 s 7 8 n 8 n 图2 一l 碱渣的差热曲线 天津大学硕士学位论文 第二章碱渣的工程特性 图2 - 2 碱渣的x 一射线衍射谱线 t n - 5 4 0 0g e 0 乙o g yi n s i t i t u t eee le c t r icp o u rf r i2 7 一f i i j g - 9 3 o a s c 1 燃刊 叭 一天 。，盯 0 d 0 0 图2 3 碱渣能谱曲线 1 0 1 ，p s ：2 0 4 81 0 2 4 0 无律大学硕士学位论文第二章碱渣的工程特性 上，在4 3 3 和8 5 7 处对应有两个吸热谷，说明固态物质为文石，它是结 晶不良的c a c 0 3 。曲线上1 3 8 处尚有一极发育的低吸热谷，说明固体废渣中含 有大量的水分子。 将经较长时间风干的固态碱渣粉末进6 行x 埘线衍射试验结果如图2 2 所 示。衍射谱线特征表明固态物质为方解石。 能谱分析结果如图2 3 所示。由能谱曲线可知，碱渣的主要成分是c a c 0 3 ，其 次是c a c l 2 、n a c i 和少量的氧化物如s i 0 2 、m g o 等。 2 3 碱渣的微观结构 ( c ，计状曲文打陆体( 6 o k j( d 碱蔷中q 拄牡的方i if j t l k ： 图2 4 碱渣的电镜扫描图 天津大学硕士学位论文第二章碱渣的工程特性 碱渣结构的电镜扫描图如图2 4 所示，从图中我们可以看出：碱渣的结构比 较松散，表面粗糙，孔隙多且大，成蜂窝状；碱渣固体颗粒通过粒间相互作用形 成絮状的凝聚体，凝聚体与凝聚体之间通过胶结作用形成团聚体：碱渣的凝聚体 与团具体内部有及其发育的微孔隙。碱渣固形物中有大量的贯通孔隙，碱渣的孔 隙比极大。碱渣颗粒表面有针状和纤维状的文石向外从聚而生，还有铝、硅、镁 的晶体或非晶体交错生长，这些是碱渣颗粒间主要的胶结物【1 9 1 。 碱渣的方解石呈现板状，并且在方解石板状的边缘有不同程度的溶蚀现象。 碱渣的粒内孔隙和粒间孔隙极其发育，并且有已超出单个碱渣颗粒的贯通微孔 隙，使得纯碱渣的孔隙比比较大( 大于3 ) 。碱渣颗粒的比表面积( 单位体积或质 量的土颗粒总表面积) 远大于粘粒的比表面积，因而碱渣的表面能很大，再加上 碳酸盐的亲水能力比较强，因此碱渣对水有强烈的吸附作用，这是碱渣含水率非 常大的原因【2 0 】【2 1 1 2 2 1 。 2 4 碱渣的工程特性 碱渣作为一种特殊的土有其特有的性质，它可以作工程用土，因此我们要了 解碱渣的工程特性，对碱渣进行室内试验的方法和内容与一般土相同。 2 4 1 纯碱渣的物理特性 一、的固体颗粒( 简称土粒) 的大小和形状、矿物成分以及其组成情况决定 土的物理力学性质的重要因素。土的颗粒是指那些岩石、矿物和非晶体化合物的 零星碎片或碎屑。颗粒本身既可以是矿物的结晶构造，也可以是非结晶的构造， 如二氧化硅和氢氧化铁。 土的颗粒组成是指不同粒径的颗粒含量百分数。对纯碱渣进行颗粒分析，测 定碱渣的粒度如表2 5 所示。 表2 5 纯碱渣的颗粒组成 i 粒径( 。砌) 0 4 20 4 2 , - , 0 17 7o 1 7 7 0 1 4 9 0 1 4 9 - - - 0 0 7 40 0 7 4 - , - 0 01 重量( ) 1 21 9 22 14 58 0 1 由上表2 5 可以看到，碱渣中粒径为0 0 7 4 , - - 0 o l m m 的颗粒含量占8 0 左右， 即以粉粒( d = o 0 7 5 - - 4 ) 0 0 5 m m ) 为主。 二、比重瓶法测的纯碱渣的比重为2 3 4 。从塘沽碱渣场涤犀朋不同部付幺天自 然堆积的纯碱渣土样，测其天然含水率、容重，并根据公式p ：g s y w ( 1 + w ) 刀：，s r ：堕计算孔隙比、孔隙率和饱和度，结果列于表2 名中， j + pp 率与容重关系曲线如图2 5 ，含水率与孔隙比与孔隙率关系曲线如图2 - 6 。 一1 ， 含水 天津大学硕士学位论文 第二章碱渣的工程特性 由试验结果可以看出：在自然堆积状态下，纯碱渣在含水率大于1 4 0 以上 时处于饱和状态，纯碱渣天然状态的含水率高达2 6 0 ，孔隙比大于2 9 7 ，孔隙 率n 大于7 5 。由于碱渣的含水率高，孔隙比大，故其容重较小( y = 1 2 0 - - 1 3 0 k n m 3 ，yd = 3 3 5 6 0 0 k n m 3 ) ，且容重、干容重和孔隙比都随含水率 大致呈线性变化。 表2 - 6 纯碱渣含水率、容重、孔隙比、孔隙率及饱和度 试样含水率容重干容重孔隙比 孔隙率饱和度 编号 w ( ) y( k n m 3 )yd ( k n m 3 )en ( )( ) 11 1 9 0 01 2 9 05 8 92 9 7 7 59 3 7 21 4 3 9 0 1 3 0 75 3 63 3 77 71 0 0 0 31 6 3 3 01 2 7 84 8 53 8 27 9 1 0 0 0 4 1 7 2 0 21 2 6 74 6 64 0 38 01 0 0 o 51 8 2 9 01 2 5 44 4 34 2 88 1 1 0 0 0 6 1 9 4 8 01 2 4 14 2 14 5 68 21 0 0 o 72 0 4 3 01 2 3 24 0 54 7 8 8 31 0 0 0 82 1 6 4 01 2 2 13 8 6 5 0 68 41 0 0 0 92 2 7 3 01 2 1 33 7 05 3 28 4 1 0 0 0 1 02 4 0 0 01 2 0 33 5 4 5 6 18 51 0 0 0 1 l 2 6 2 0 01 1 8 83 2 86 1 38 6 1 0 0 0 由此可见，碱渣的亲水性较强，造成碱渣有极其发育的孑l 隙体系和孔隙水。 碱渣试样在风干的条件下呈极其松散的状态，并且在碱渣的固体表面有沉淀物和 结晶物出现，这表明碱渣的孔隙水对碱渣的工程性质起决定性作用，且碱渣孔隙 水中含有大量的易溶盐。 n1 4 一 喜一1 2 一_ _ _ 扣士扣咭 z o 一1 7 一 考1 0 ， 厶y q8 一 口yd 二6 。：b _ 口 口 2 。 0 。1 。o 1 1 01 3 01 5 01 7 01 9 02 1 02 3 02 5 0 2 7 0 w ( ) 图2 5 含水量w 与容重y 、干容重yd 关系曲线 天津大学硕士学位论文第二章碱渣的工程特性 1 1 01 3 01 5 01 7 01 9 02 1 02 3 02 5 02 7 0 霄( ) 图2 6 天然碱渣的含水量w 与孔隙比e 、孔隙率n 关系曲线 8 8 0 0 8 6 0 0 骘 趁 8 4 0 0 酲 8 2 o o 8 0 0 0 7 8 0 0 7 6 0 0 7 4 0 0 7 2 o o 三、状态指标包括液限、塑限、塑性指数和液性指数，它们反映了水对土性 状的影响。 由试验测得碱渣的状态指标为：塑限w p = 9 2 5 ，液限w l = 1 4 2 9 ，塑性指数 i p = 5 0 4 ，液性指数i l = 2 1 3 。 碱渣的塑性指数i p = 5 0 4 ，大于1 7 。即按一般土的分类方法，以塑性指数划 分，碱渣应属于粘土的范畴。 四、干容重是衡量土的密实程度的一个重要指标，工程中一般以干容重( 或 干密度) 作为人工填土施工质量的标准，这就需要用击实试验确定土最大干容 重yd m 戤以及所对应的最优含水率w o p 。 根据土工试验规程，击实试验在标准击实仪中进行，本试验采用轻型击实试 验，每个试样分三层击实，每层2 5 击。试验中每个含水率的碱渣击三个土样，分 别测其含水率w 和重量w ，后计算每个试样的容重、干容重、孔隙比和孔隙率。 试验结果如图2 7 ，2 8 所示。 5 5 。4 5 彗3 5 2 5 1 5 1 03 56 08 51 1 01 3 51 6 01 8 52 1 02 3 52 6 0 & t k 量w ( ) 图2 7 击实碱渣的含水量w 与孔隙比e 、孔隙率n 关系曲线 0 c 降 琶 j 5 o 5 o 5 o 5 o 5 6 6 5 5 4 4 3 3 2 。羞篷品 天津大学硕士学位论文 第二章碱渣的工程特性 彷 z 专 可 ， 1 | 啁l 髂 牛 5 08 01 1 01 4 01 7 02 0 02 3 02 6 0 含水量w ( ) 圈2 8 碱渣的击买曲线 从图2 7 和图2 8 可以看出，碱渣的最优含水率w 。o - 4 9 9 ，对应的最大干容 重yd m 舣= 7 7 2 k n m 3 。击实碱渣的含水率在1 4 0 时达到了饱和状态，碱渣的孔隙 比e 在最优含水率时达到最小值e i l l i n = 2 0 3 ，当含水率w 1 4 0 时，孔隙比与孔隙 率随着含水率的增加大致呈直线关系增加。当碱渣的含水率达到饱和状态后，处 于同一含水率的天然和击实碱渣的容重与孔隙比基本相同。这说明对饱和碱渣在 不让其排水的情况下进行击实并不能增加碱渣干容重和减小孔隙比。因此把纯碱 渣用于填筑工程时应把含水率控制在饱和含水率以下，以便增加击实后的干容 重。 从图2 8 还可以看出，碱渣的含水率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，纯碱渣在一个相当大 含水率范围内，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 中夯实的施工难度。与一般工程土相比，纯碱渣土的干容重较小，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。 五、在一定水头作用下，水在土孔隙中流动的能力称为渗透性。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承载力。 渗透系数k 是单位水力坡降时的渗透速度，k 值的大小反映土渗透形的强弱，用它 来计算堤坝和地基的渗透流量和分析堤坝和基槽开挖边坡出逸点的渗透稳定。土 的渗透系数可作为透水强弱的标准和选择坝体填筑土料的依据【23 1 。对在最优含水 率下的和实际回填的碱渣土分别做渗透试验，渗透系数分别为1 8 1 0 - 5 c m s 和 1 3 1 0 - 5 c m s ，属于粉土范围。 六、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