（岩土工程专业论文）纯碱渣强度形成机理与综合环境评价方法研究.pdf

摘要 碱渣是氨碱法生产的工业废料，其堆放不仅占用大量的土地资源，而 且对生态环境造成很大的污染。本文结合科研课题，针对碱渣工程应用中 亟待解决的关键闯题进行了研究。旨在使工业废料碱渣成为可利用的、不 再对周边环境产生污染的再生资源。 为了掌握碱渣的工程性质，本文结合以往的研究成果及存在问题，进 行了大量的室内试验，揭示了原状碱渣及击实碱渣强度随含水率、干密度 及时间的变化规律，以及灵敏度与含水率的对应关系；通过现场填筑试验， 提出了碱渣承载力的确定方法，得出了含水率与碱渣承载力特征值的关 系；同时利用电镜扫瞄及相关化学分析方法，分析了碱渣的化学成分及结 晶结构，阐明了碱渣强度的形成机理。并在此基础上，进行了碱渣工程应 用的综合环境评价方法研究。得到以下结论： 1 碱渣是有别于天然土的特殊型土，纯碱渣w o d = 4 9 9 ，对应的无侧限 强度c u = 4 8 k p a ：而w = 9 0 时，c 。= 7 1 5 k p a 。表明碱渣在最优含水量时的强 度不是其最大值，这与一般工程土有着根本的不同。 2 一般粘性土在w o d 时达到yd m 。x ，其s r 8 0 左右，此时土的强度较高。 而碱渣在w o d 时，s r = 5 7 ，强度亦不为最大值，而当w = 9 0 时，s ，= 7 9 ， 强度达到最大值。这一点又与一般粘性土相似。 3 碱渣文石晶体成簇生长，形呈针状晶体簇，即碱渣为针状交叉结构。 该针状晶簇相互交叉是高含水量碱渣仍有较高强度的原因。 4 在非饱和状态，由于击实碱渣破坏了天然碱渣颗粒之间的胶结物及针 状或纤维状的文石晶体，故击实碱渣的密实度大于原状碱渣。 5 随着时间的增长，碱渣颗粒中板状或棱面体状的方解石表面有针状或 纤维状的文石晶体增生，这在颗粒之间起到连接作用，加强了碱渣骨架的 刚度，这是碱渣强度随时间增长的根本所在。 6 碱渣中存在着碱渣一水一电解质系统，是影响碱渣强度的主要因素， 在w = 9 0 时，孔隙中离子浓度增到最大值，颗粒间水胶连结发挥到最大程 度，此点为碱渣强度的最大值点。 7 在碱渣工程应用中，采取适当的方法，可以避免对周围环境做成污染。 本文研究成果对碱渣作为再生资源的利用提供了科学依据。 关键字：碱渣，强度机理，针状交叉结构，综合环境评价方法，工程土 a b s t r a c t a l k a l ir e s i d u ei st h ei n d u s t r i a lw a s t ep r o d u c e db ya m m o n i as o d ap r o c e s s i ft h i sw a s t ec a n n o tb ed e a l tw i t hp r o p e r l y ，i t w i l ln o to n l yo c c u p yal a r g e a m o u n to fl a n dr e s o u r c e sb u ta l s oc a u s es e r i o u sp o l l u t i o nt oo u re c o l o g i c a l e n v i r o n m e n t i nt h i sp a p e r ，t h ek e yp r o b l e mt ob es o l v e du r g e n t l yi nt h e a p p l i c a t i o no ft h e a l k a l ir e s i d u ei n e n g i n e e r i n gp r a c t i c e i ss t u d i e d t h e o b j e c t i v eo ft h es t u d yi st om a k et h ei n d u s t r i a lw a s t ea l k a l ir e s i d u eb e c o m ea k i n do fr e s o u r c e sw h i c hc a nb er e u s e da n dd o e s n tp o l l u t et h ee n v i r o n m e n t i no r d e rt oi n v e s t i g a t et h ee n g i n e e r i n gp r o p e r t i e so fa l k a l ir e s i d u e ，al o t o fl a b o r a t o r yt e s t sa r ec a r r i e do u to nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i so fp r e v i o u s s t u d i e sa n de x i s t i n gp r o b l e m s t h ev a r i a t i o no ft h es t r e n g t ho fi n - p l a c ea n d c o m p a c t e da l k a l ir e s i d u ew i t h i t sw a t e rc o n t e n t ，d r yd e n s i t ya n dt i m ei s s t u d i e da n dt h ec o r r e s p o n d e n c eb e t w e e nt h ew a t e rc o n t e n ta n dt h es e n s i t i v i t y i sa l s or e v e a l e db yt h et e s t s i na d d i t i o n ，t h em e t h o dt od e t e r m i n et h eb e a r i n g c a p a c i t yo fa l k a l ir e s i d u ei sp r o p o s e da n dt h er e l a t i o nb e t w e e n t h e w a t e r c o n t e n ta n dt h ec h a r a c t e r i s t i cr o o to ft h eb e a r i n gc a p a c i t yo fa l k a l ir e s i d u ei s o b t a i n e dt h r o u g ht h ef i e l dt e s t s a tt h es a m et i m et h ec h e m i c a lc o n s t i t u t i o n a n dc r y s t a ls t r u c t u r eo fa l k a l ir e s i d u ei sa n a l y z e da n dh o wt h es t r e n g t ho f a l k a l i r e s i d u ef o r m si se x p l a i n e db yt h eu s eo fe l e c t r o ns c a n n i n gt e c h n i q u e a n dt h e c o r r e s p o n d i n gc h e m i s t r y a n a l y t i c a l m e t h o d s o nt h i sb a s i s ， c o m p r e s s i v ee n v i r o n m e n t a le v a l u a t i o nm e t h o d si nt h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n o fa l k a l ir e s i d u ea r ei n v e s t i g a t e da n dt h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sc a nb ed r a w n ： 1 a l k a l ir e s i d u ei sak i n do fs p e c i a ls o i lw h i c hi sd i f f e r e n tf r o mn a t u r a ls o i l t h eu n c o n f i n e ds h e a rs t r e n g t ho fp u r ea l k a l ir e s i d u ei s4 8 k p a w h o s eo p t i m u m w a t e rc o n t e n ti s4 9 9 w h i l ew h e nw = 9 0 ，c u = 71 5 k p a t h i si n d i c a t e st h a t t h es h e a rs t r e n g t ha tt h eo p t i m u mw a t e rc o n t e n ti s n tt h em a x i m u m w h i c hi s s i g n i f i c a n t l yd i f f e r e n tf r o mc o m m o ns o i li ne n g i n e e r i n gp r a c t i c e 2 1 ，d m a xi sg o tw h e nt h ew a t e rc o n t e n ti sw o pf o rc o m m o nc l a ya n di t s s h e a r s t r e n g t hi sh i g hw h e nt h es a t u r a t i o nd e g r e ei sa b o u t8 0p e r c e n t w h e nt h e o p t i m u mw a t e rc o n t e n to fa l k a l ir e s i d u ei sr e a c h e d ，s r = 5 7 ，a n dt h es h e a r s t r e n g t hi sn o tt h em a x i m u m b u tw h e nw 2 9 0 ，s r = 7 9 ，a n dt h es t r e n g t ho f a l k a l ir e s i d u er e a c h e sm a x i m u m ，w h i c hi ss i m i l a rt oc o m m o nc l a y 3 a r a g o n i t ec r y s t a l si na i k a l ir e s i d u ea r ea c i c u l a r ，w h i c hm a k e si tb et h e a c i c u l a rc r o s ss t r u c t u r e a n da c i c u l a rc r y s t a l sc r o s sr e c i p r o c a l l yi st h er e a s o n w h yt h es h e a rs t r e n g t hv a l u ei sb i gf o ra l k a l ir e s i d u ew i t hh i g hw a t e rc o n t e n t 4 w h e na l k a l ir e s i d u ei su n s a t u r a t e d ，c e m e n tb e t w e e nn a t u r a la l k a l ir e s i d u e p a r t i c l e sa n da r a g o n i t ec r y s t a l sw h i c ha r ea c i c u l a ro rs i n e w ya r ed e s t r o y e db y c o m p a c t i o n t h e r e f o r e ，s h e a rs t r e n g t ho fc o m p a c t e da l k a l ir e s i d u ei sh i g h e r t h a nt h a to fn a t u r a lo n e 5 w i t ht i m eg o i n go n ，a c i c u l a ro rs i n e w ya r a g o n i t ec r y s t a l sw i l lo v e r g r o wo n t h ec a l c i t es u r f a c e sw h i c ha r ep l a t e l i k eo rp r i s m a t i ci na l k a l ir e s i d u e ，w h i c h w i l lm a k et h ep a r t i c l e st oc o n n e c tw i t he a c ho t h e ra n di n c r e a s et h er i g i d i t yo f t h es t r u c t u r eo fa l k a l ir e s i d u e t h i si st h ef u n d a m e n t a lr e a s o nw h y t h es t r e n g t h o fa l k a l ir e s i d u ei n c r e a s e sw i t ht i m e 6 a l k a l ir e s i d u e - w a t e r e l e c t r o l y t es y s t e mi st h em a i nf a c t o r a f f e c t i n gt h e s h e a rs t r e n g t ho fa l k a l ir e s i d u e w h e nw = 9 0 ，i o nc o n c e n t r a t i o nr e a c h e st h e m a x i m u mv a l u ei nt h ep o r e sa n dt h ew a t e rc e m e n t sb e t w e e n p a r t i c l e sb e c o m e s t h e s t r o n g e s t ，w h i c hm a k e st h es h e a rs t r e n g t ho fa l k a l ir e s i d u er e a c h m a x i m u mw h e nw - - - 9 0 7 t h ep o l l u t i o nt ot h ee n v i r o n m e n tc a nb ea v o i d e db ya d o p t i n ga p p r o p r i a t e a p p r o a c h e si nt h ea p p l i c a t i o no fa l k a l ir e s i d u ei ne n g i n e e r i n gp r a c t i c e s ， t h er e s e a r c h e si nt h i sp a p e rp r o v i d es c i e n t i f i cd a t af o rt h eu s eo fa l k a l i r e s i d u ea sr e c l a i m e d r e s o u r c e s ，w h i c hi so fv i t a li m p o r t a n c ef o ri t s e n g i n e e r i n ga p p li c a t i o n k e yw o r d s ：a l k a l ir e s i d u e ；s t r e n g t hm e c h a n i s m ；a c i c u l a rc r o s ss t r u c t u r e ； c o m p r e s s i v ee n v i r o n m e n t a le v a l u a t i o nm e t h o d s ；s o i li ne n g i n e e r i n gp r a c t i c e 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，也不包含为获得墨盗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。 学位敝储概弘签字嗍3 年；月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、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： 签字日期：知弦占年弓月，日 导师躲1 ，、) 龉i 亿 签字日期：五蚰孑年；月j 日 第一章前言 1 1 碱渣的生成 第一章前言 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。我国纯碱的生产方法有氨碱、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1 埘3 1 川削。 表卜1我国大中型碱厂的生产能力及生产方法刀 生产能力 公司地址生产方法 ( k t a ) 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懒 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 第一章前言 碱渣是氨碱法制纯碱生产过程排放的废液经沉淀堆积而成。据统计 工厂每生产i t 纯碱，排放约1 0 m 3 的废液，其中含废渣3 0 0 6 0 0 k g 。天津 塘沽碱渣山形成过程为：废液由碱厂内的蒸馏塔底排出后，用泵送到修有 围堰的排渣场，废液在围堰内流动，逐步澄清的渣水则由溢流口流入明沟 排放，固体废液慢慢沉积下来形成碱渣山。 据对新排碱渣风干式样的化学分析结果与i c p 分析微量元素含量的结 果可知，碱渣的主要成分为c a c 0 3 ，风干后仍有近2 0 的水分。 天津碱厂投产初期，塘沽区尚未形成完整的城区，该厂所在地周围还 是晒盐地，所以产生出的废渣就近排放到盐池堆放。其中最早形成的即是 本项工程要开发治理的三号路碱渣山。到七十年代末，天津碱厂又陆续征 用了盐场六号汪子、三号汪子作为碱渣堆放场地。到现在已经排放废渣 2 4 0 0 万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，堆积量最大，达9 6 0 万m 3 ，堆积高度6 1 2 m ，占地1 5 k m 2 。 1 2 碱渣堆场对周围土地及城市环境的危害 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。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哺1 9 m 们，水产业遭到破坏h 1 7 1 ；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n8 】【l 们乜训；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i 造成财产损失和人员伤亡。 天津碱厂在几十年的生产中，己排放的碱渣超过1 5 0 0 万吨，其堆场 形成了三座碱渣山，占地面积达3 5 0 多公顷。碱渣山周围的土地被碱渣中 渗出的含易溶盐的水盐渍化。碱渣山表层干燥的粉末，随风飞扬，造成空 气粉尘污染，严重影响了周围地区的环境质量。 因碱渣对环境污染严重，处理投资大且较困难。因此，美国已关闭了 九个大型氨碱厂。而我国天然碱的储量并不丰富，氨碱法依然是制碱工业 中的主要方法，关闭氨碱厂是不现实的。因此必须寻找经济适用的碱渣处 理措施。 2 第一章前言 1 3 国内外碱渣处理情况综述 1 3 1 国外研究及应用现状圳巾阳 1 1 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 l 2 、 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 部分用于氯化钙生产，其它部分以h c ! 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 1 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 3 第一章前言 1 3 2 我国研究及应用现状 1 ) 废渣制水泥凹6 卜h 引。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h 们吖船1 ，。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 ) 废渣作土壤改良剂哺钉q 聃1 。早在l9 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。 4 ) 废渣制胶凝材料随们吖6 1 】。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、围海造地哺2 h 3 。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m 3 。已于前几年启用，设计要求使用3 0 年，可填出3 5 0 万m 2 的 陆地。 6 ) 碱渣中掺入粉煤灰制成碱渣拌和土代替一般土作为填垫材料5 h 7 们。 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拌和土代替黄土作为填垫材料进行了试验 研究，就碱渣掺入粉煤灰、返砂、黄土等辅料进行了试验研究，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 4 第一章前言 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。 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n 玎叫7 6 1 ，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 4 纯碱渣使用获得成功 对碱渣的处理，国内外学者研究探索了不同的方法，但由于投资大， 而处理的碱渣量有限，从而影响了这些成果的投产。 1 9 5 8 年，天津大学开始对碱渣的特性进行研究，1 9 9 2 年，与天津碱 厂等单位合作，探索碱渣用作工程土的可能性，通过室内及现场试验，证 明碱渣与粉煤灰按一定比例拌合，制成的碱渣土作为填垫材料是可行的。 2 0 0 1 年在天津港散货物流中心1 2 0 万m 2 的填垫工程中采用了碱渣与粉煤 灰的碱渣拌合土技术，取得了很好的效果。工程中发现个别边角地段掺粉 煤灰不足，晾晒较差，也可达到较高的承载力。填垫后地基现场荷载试验 达到较高值，超过设计要求承载力2 倍以上，超过了采用黄土填垫的对比 工程。此后物流中心将此项技术用于更大规模的填垫工程。在以前的填垫 工程中，碱渣需添加其他材料制成碱渣混合土才能作为填垫材料，原因是 认为碱渣不能单独作为填垫材料使用。2 0 0 1 年3 月在塘沽紫云公园工程 中，山体设计时，勘测试验表面高含水率纯碱渣具有较高的抗剪强度，当 含水率达到2 0 0 以上时，十字板抗剪强度仍可达3 0 - - , 4 0 k p a 。经计算，采 用适当的边坡高度仍具有较大的安全系数。据此考虑有可能采用纯碱渣填 垫。塘沽区碱渣治理领导小组办公室亦提出进行纯碱渣填垫的可行性分 析，因此与塘沽区碱渣治理领导小组办公室合作共同探索纯碱渣的工程应 用。在紫云公园山体的建设中采用了纯碱渣填筑技术，山体高度达到了 3 1 m 。紫云山填筑的成功充分证明了纯碱渣是完全可以单独应用于填垫工 程的。打破了以往碱渣不能单独应用这一禁区。但是，高( 超高) 含水率 第一章前言 的纯碱渣具有较高的强度，其影响因素是什么，会否因某些因素影响使超 高含水率的纯碱渣强度突然降低，尚需进一步进行机理研究，这是本文选 题的主要原因。生产单位也常对此问题提出疑问，因此，进一步搞清机理 是非常必要的。 1 5 本文的主要研究工作 1 、纯碱渣力学性质的研究 1 ) 纯碱渣的强度及灵敏度随干容重的变化规律； 2 ) 碱渣强度及灵敏度随含水率的变化规律； 3 ) 不同初始含水率的碱渣其强度及灵敏度随时间( 龄期) 的变化规 律； ，4 ) 初始条件不同的碱渣浸水后的软化特性； 5 ) 高含水率碱渣的变形特性。 以上各项是影响纯碱渣作为填垫材料推广应用的关键问题。很多工程 技术人员对应用碱渣存有疑虑，主要是对碱渣工程特性不了解，同时担心 碱渣浸水后，强度无法满足工程要求。因此，需搞清影响碱渣工程特性的 内部和外部条件及其强度的变化规律。 2 、纯碱渣特性的化学分析 1 ) 对不同初始条件的碱渣进行化学分析； 2 ) 解碱渣的结晶结构及其对碱渣结构强度的影响。 通过分析碱渣的化学成分及结晶结构，搞清碱渣强度形成的机理。 3 、进行纯碱渣填筑的现场试验 通过纯碱渣的现场晾晒、填筑、及载荷试验结果，确定碱渣用作工程 地基和人工填土时可使用的条件、压实碱渣强度随时间和含水率的变化规 律等。 4 、结合目前对碱渣的研究成果，进行碱渣堆山对周围环境影响的研究分 析。 6 第二章碱渣的物理及化学基本性质 第二章碱渣的物理及化学基本性质 自然界中的土是由岩石经风化，搬运堆积而形成的。因此土的组成的 主要是由母岩成分，风化性质，搬运过程和堆积的环境等决定的，而土的 组成又是同的三相决定其工程性质的基础。土是由固相，液相，气相，组 成的三相分散系，三相物质的含量比例不同，其形态和性状也就不同，不 同成因类型的土即使达到相比例关系，但由于其颗粒的大小、形状不同以 及矿物成分类型及结构构造上的不同，其性质也会相去甚远，且极易受外 界环境( 湿度、温度) 的影响。因而不得不从宏观的角度分析各种土的工 程性质。土的工程性质指标包括物理指标和力学指标两类，物理指标是指 用于定量描述土的组成，土的干湿，疏密与硬软程度的指标；力学性质指 标主要用于定量描述强度规律，变形规律，渗透规律的指标。 碱渣作为氨碱法制碱工艺的废弃物，它的化学组成和矿物成分同天然 土几乎完全不同，是由氨碱法制碱过程中产生的大量的难溶性盐例如 c a c 0 3 及易溶盐例如c a c l 2 等和水共同组成，难溶性盐为固态的细小颗粒， 粒径大致相当于土中的粉粒，组成碱渣的固相，水和可溶性盐组成的水溶 液相当于土中的液相，当然对于非饱和的碱渣还包含有空气，相当于气相。 从而组成一种和自然界中的土类似的三相体，可以看作是一种特殊的人 造土。由于其组成成分，结构构造不同于天然土，其具体工程性质有较 大差别，然而由于其和天然土类似的物理力学性质，仍然可按照土力学的 传统方法研究其工程性质，以满足工程上的需要。 2 1 碱渣物理性质 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、含水率、容重、孔隙比，孔隙率、饱和 度、液限、塑限、塑性指数、液性指数等。研究纯碱渣土的物理性质指标， 在工程上具有较大的实际意义。 7 第二章碱渣的物理及化学基本性质 2 2 1 固体颗粒组成 土中的固体颗粒( 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。 土的颗粒分析是研究土中不同粒径的颗粒含量情况。对纯碱渣进行颗 粒分析，测定出的颗粒组成如表2 - 1 所示。图2 - 1 为碱渣的颗粒级配曲线。 表2 - 1 纯碱渣的颗粒组成 粒径( m m ) 0 4 20 4 2 o 17 7o 1 7 7 0 1 4 9 0 1 4 9 0 0 7 40 0 7 4 0 o l 重量( )1 21 9 22 14 58 0 1 由上表2 - 1 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 - - - 0 0 0 5 m m ) 为主。 图2 - 1 碱渣颗粒级配曲线 2 1 2 碱渣颗粒的比重和天然状态含水率、容重 用比重瓶法测的纯碱渣的比重为2 3 4 。 粒径d ( 衄) 舳 o 弓筮求陋删州确姐嗍州堪骐球巾、， 第二章碱渣的物理及化学基本性质 从塘沽碱渣场深层取不同部位经自然堆积的原状碱渣土样，测其天然 含水率、容重，并根据公式，p ：g s r w ( l + w ) 一l ，刀：，鼠：w g s 量j - y 1 + ee 算孔隙比、孔隙率和饱和度，结果列于表2 - 2 中，含水率与容重关系曲线 如图2 - 2 ，含水率与孔隙比与孔隙率关系曲线如图2 - 3 。 由试验结果可以看出：在自然堆积状态下，天然碱渣在含水率大于 1 4 0 以上时处于饱和状态，天然状态纯碱渣的含水率高达2 6 0 ，孔隙比 大于2 9 7 ，孔隙率大于7 5 。由于碱渣的含水率高，孔隙比大，故其容 重较小( y = 1 2 o 1 3 0 k n m 3 ，儿= 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。 由此可见，碱渣的亲水性较强，造成碱渣有极其发育的孔隙体系和孔 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。 表2 2 天然碱渣含水率、容重、孔隙比、孔隙率及饱和度h 1 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 )儿( k n m 3 ) en ( )s ，( ) 1 1 1 9 0 0 1 2 9 05 8 92 9 77 59 3 7 21 4 3 9 01 3 0 75 3 63 3 77 71 0 0 0 31 6 3 3 01 2 7 84 8 53 8 2 7 9 1 0 0 0 41 7 2 0 21 2 6 74 6 64 0 38 01 0 0 0 51 8 2 。9 01 2 5 44 4 34 2 8 8 1 1 0 0 o 61 9 4 8 01 2 4 l4 2 l4 5 6 8 21 0 0 0 72 0 4 3 01 2 3 24 0 54 7 88 31 0 0 o 82 1 6 4 01 2 2 l3 8 65 0 6 8 41 0 0 0 9 2 2 7 3 01 2 1 3 3 7 05 3 28 41 0 0 o l o2 4 0 0 01 2 0 33 5 45 6 l8 51 0 0 o 1 12 6 2 0 011 8 8 3 2 8 6 1 3 8 61 0 0 o 9 第二章碱渣的物理及化学基本性质 p1 2 2 o l o 日 卜8 卜6 4 2 0 1 1 01 3 01 5 01 7 01 9 02 1 02 3 02 5 02 0 w ( ) 图2 - 2 天然碱渣的含水率w 与容重yt 干容重yd 关系曲线 6 5 6 d 当5 5 鬣5 o j 忡4 5 4 0 3 5 3 0 2 5 1 1 0 1 3 0 1 5 0 1 t 0 1 9 02 1 02 3 d2 5 02 7 0 v ( ) 8 8 0 d 日6 口口 8 4 0 0 8 2 叩，g 8 0 0 0 基 t 8 o o 罱 丁6 0 0 7 4 口0 t 2 口d 图2 3 天然碱渣的含水率w 与孔隙比e 、孔隙率n 关系曲线 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 土最大干容重以及所对应的最优含水率。 根据土工试验规程口 ，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 ，然后计算每个试样的容重八 1 0 第二章碱渣的物理及化学基本性质 干容重乃、孔隙比e 和孔隙率n 。试验结果如图2 4 ，2 5 所示。 a ) 丑 题 j p n 、 目 z 岂 勺 蝴 谗 h - l o3 56 08 51 1 01 3 51 6 01 8 52 1 02 3 52 6 0 含水率w ( ) 图2 - 4 击实碱渣的含水率w 与孔隙比e 、孔隙率n 关系曲线 2 05 08 01 1 01 4 01 7 02 0 02 3 02 6 0 含水率w ( ) 图2 - 5 碱渣的击实曲线 从图2 - 4 和图2 - 5 可以看出，碱渣的最优含水率w 。= 5 0 ，对应的最 大干容重儿一= 7 7 l ( n m 3 。含水率在1 4 0 时达到了饱和，碱渣的孔隙比e 在最优含水率时达到最小值= 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。 o 叠褂餐1壬 加踮符伯铂弱 5 4 3 2 l 3 2 l o 9 8 7 6 5 4 3 1l11-1lj 第二章碱渣的物理及化学基本性质 从图2 - 5 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y ，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。 2 1 3 状态指标 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： 性指数i p = 5 0 4 ，液性指数i t = 2 1 3 。 碱渣的塑性指数i p = 5 0 4 ，大于 指数划分，碱渣应属于粘土的范畴。 2 2 碱渣的化学组成分析 2 2 1 碱渣化学组成m 1 7 9 1 塑限w p = 9 2 5 ，液限w t = 1 4 2 9 ，塑 1 7 。即按一般土的分类方法，以塑性 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 - 3 ；i p c 分析微量元素含量见表2 - 4 。 表2 - 3 碱渣化学全分析结果 成分s i 0 2t i 0 2f e 2 0 3 a 12 0 3f e 0m n 0 m g o 含量( )0 3 4o 0 80 8 91 0 2o 0 2o 0 33 5 7 成分 c a o n a 2 0k 2 0p 2 0 5烧失量烧失c o 。 比重 含量( ) 3 5 2 52 3 50 1 80 0 64 9 0 32 9 8 52 3 4 1 2 第二章碱渣的物理及化学基本性质 表2 - 4 碱渣中微量元素含量 成分 b as rvn ic u c oc rm oz ng an b 含量( p p m )4 5 7 3 1 1 2l8 31 95 7 1 7 2 2 2o 2 4 03 60 成分 s cs nt ayy bb ec ep bz rl al i 含量( p p m )5 0 1 90 7lo 9o 71 03 9 11 1 831 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 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 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 5 ，并据 此得易溶盐化合物的组成，见表2 - 6 。 表2 - 5 易溶盐化学分析结果 阳离子 c a 2 + m 9 2 + n a +k + 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 一c 0 3 2 一s 0 4 2 一 c 1 一 总量干固残渣 含量( m g 1 0 0 9 ) o1 8 82 5 0 57 7 0 9 17 9 7 8 4 1 3 8 8 0 表2 - 6 易溶盐化合物组成 化合物 c a c l 2 m g c l2 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 0o