道路建設(shè)工業(yè)堿渣的作用

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1廢堿渣綜合利用

純堿是1種重要的化工原料，在國民經(jīng)濟中占有重要的地位。我國氨堿法生產(chǎn)純堿的大中型企業(yè)有數(shù)十家，每年產(chǎn)生堿渣近300萬t[1]。堿渣的堆放一方面占用大量土地，且堆積的堿渣易滑坡、塌方；另一方面對區(qū)域環(huán)境造成很大危害，嚴(yán)重制約著制堿企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[2]。因此，開展廢堿渣綜合利用的研究具有重要的現(xiàn)實意義。目前，堿渣的利用主要是作為代用土來使用[3]，用于地基、深溝、低洼地的回填等。在國外，日本的氨堿廠大多建在海邊，堿渣一般被用于填海造地；在波蘭有相當(dāng)面積的土壤屬酸性土，堿渣用作土壤改良劑。由于堿渣中CaCO3含量很高，CaCO3又是制堿主要原料，日本的宇部工廠也曾將堿渣中的CaCO3回收利用，但因能耗太高而沒有得到推廣[4]。在國內(nèi)，一些生產(chǎn)廠家和研究機構(gòu)曾利用堿渣制取膠凝材，但因生產(chǎn)成本高等原因停止建設(shè)[5，6]。堿渣的主要成分是CaCO3，其次是CaO、SiO2等，其中所含的膠凝成分與石灰非常相似。有鑒于此，作者將堿渣作為1種膠凝材料代替或部分代替現(xiàn)有的石灰用于公路路基建設(shè)工程中，探索出大規(guī)模利用工業(yè)廢堿渣的新途徑，以達到變廢為寶的目的。

2堿渣的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)

為了研究堿渣的膠凝特性，作者首先研究了堿渣的化學(xué)組成和礦物組成。堿渣的化學(xué)成分分析結(jié)果如所示，掃描電子顯微鏡圖見。從分析結(jié)果可以看出，堿渣的主要化學(xué)成分有難溶物和可溶物2類，難溶物有碳酸鈣、氧化鈣、氧化鎂、氧化硅、氧化鋁、氧化鐵等，可溶物有氯化鈣和氯化鈉。通過差熱分析、能譜分析、x-射線衍射分析和掃描電子顯微鏡分析發(fā)現(xiàn)，堿渣是1種孔隙大、顆粒細的固體物料，其主要礦物為結(jié)晶不良的次生CaCO3，即文石。其顆粒極細小，通常其粒徑僅2～5μm，但文石往往不是以單個顆粒形式獨立存在，而是由多個文石顆粒構(gòu)成的集合體，由集合體進一步構(gòu)成聚集體，形成架空的結(jié)構(gòu)體系。集合體直徑通常為10μm左右，聚集體直徑則達15～25μm。這些聚集體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有空隙，但連接緊密，結(jié)構(gòu)不宜破壞，這種結(jié)構(gòu)使堿渣有很高的吸水保水性能。除文石外，堿渣中還含有少量菱面體結(jié)晶的方解石，次要礦物有伊利石、綠泥石、高嶺石、石英、長石、蒙脫石等。

3堿渣與石灰的性質(zhì)比較

石灰的化學(xué)成分分析結(jié)果如所示。從和可以看出，工業(yè)堿渣是1種可以代替或部分代替石灰作為穩(wěn)定土穩(wěn)定劑的筑路材料。氨堿法純堿廠鹽水精制和蒸氨過程中用掉了原石灰中的部分Ca2+`離子，但其中的Mg2+`離子及剩余的Ca2+`離子仍然存在。堿渣中氧化鈣含量較低，碳酸鈣、氯化鈣、氧化鎂、二氧化硅含量則相對較高，而石灰中的氧化鈣含量較高，若兩者混合將形成有效成分的優(yōu)勢互補，如再配合使用部分自制的改性添加劑，其增加粘聚力的能力會更強，所以完全可以作為1種新型的膠凝材料配制公路路面結(jié)構(gòu)層綜合穩(wěn)定土。由此可見，堿渣作為具有強度的建筑材料和膠凝材料，從其化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)特征來看是可行的，可利用工業(yè)堿渣代替部分生石灰配制成公路工程用的改性土或公路路面結(jié)構(gòu)層綜合穩(wěn)定土。

4實驗結(jié)果與討論

結(jié)合國內(nèi)外用于公路建設(shè)中水泥-粉煤灰（二灰）綜合穩(wěn)定材料的成功經(jīng)驗，并根據(jù)堿渣的化學(xué)成分分析和礦物組成結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果，按照公路工程對原材料的質(zhì)量要求、工藝性能要求以及環(huán)保要求的試驗設(shè)計原則，在堿渣中分別加入水泥、石灰、粉煤灰作為結(jié)合料，配制出綜合穩(wěn)定土。筆者首先測定了純堿渣、土、石灰和粉煤灰的液、塑性等，然后對堿渣和水泥、粉煤灰、石灰組成的混合穩(wěn)定土分別進行擊實試驗和無側(cè)限抗壓強度試驗。

4.1試驗方法與設(shè)備

土和混合料的擊實試驗采用重型擊實試驗法；試件在規(guī)定溫度、濕度下養(yǎng)生6d，浸水24h后，按《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTJ057）進行無側(cè)限抗壓強度試驗，游離氯離子測定按照化學(xué)分析法進行。試驗設(shè)備主要有電動擊實儀（LD-140型），壓力試驗機（NYL-2000D），路面材料強度測定儀（LD127-Ⅱ型）和氯離子溶出率測定儀等。

4.2原材料液、塑性試驗

土樣選擇普通農(nóng)田土，堿渣為氨堿廠廢堿渣，石灰為當(dāng)?shù)禺a(chǎn)立窯石灰，粉煤灰取自焦作市某熱電廠。原材料試驗結(jié)果為：土的液限為30.9，塑限為17.7，塑性指數(shù)為13.2，屬于亞粘土，對Cl-離子的吸附量1.6g/kg(干基)；工業(yè)堿渣的液限為55.6，塑限為41.5，塑性指數(shù)為14.1，表觀密度為2.586g/cm3，堆積密度為0.67g/cm3，緊裝密度為0.82g/cm3，有效鈣鎂含量為3.6%，Cl-含量為142g/kg；石灰的活性CaO和MgO含量為66.2%，屬于二級鈣質(zhì)消石灰；粉煤灰的5項指標(biāo)達到3級灰要求，對Cl-的吸附量為1.9g/kg(干基)。

4.3純堿渣、穩(wěn)定土的擊實試驗

為檢驗工業(yè)堿渣能否直接作為1種膠凝材料使用，及其和石灰、水泥、粉煤灰之間相互耦合關(guān)系，分別對純堿渣和堿渣與水泥、粉煤灰以及石灰等成分進行相互混合后配制的穩(wěn)定土進行了擊實試驗和無側(cè)限抗壓強度試驗。純堿渣和堿渣與水泥、粉煤灰以及石灰等成分混合后配成的穩(wěn)定土的標(biāo)準(zhǔn)擊實試驗結(jié)果如、所示。從可以看出，1#純堿渣的最大干密度為1.24g/cm3，最佳含水量為34.50%；2#純堿渣的最大干密度為1.37g/cm3，最佳含水量為31.00%。從可以看出，3#堿渣-水泥穩(wěn)定土的最大干密度為1.83g/cm3，最佳含水量為15.20%；4#堿渣-水泥穩(wěn)定土的最大干密度為1.83g/cm3，最佳含水量為15.00%；5#堿渣-粉煤灰穩(wěn)定土的最大干密度為1.80g/cm3，最佳含水量為14.20%；6#堿渣-粉煤灰穩(wěn)定土的最大干密度為1.79g/cm3，最佳含水量為15.20%；7#堿渣-粉煤灰穩(wěn)定土的最大干密度為1.78g/cm3，最佳含水量為14.80%；8#堿渣-石灰穩(wěn)定土的最大干密度為1.66g/cm3，最佳含水量為19.00%；9#堿渣-石灰穩(wěn)定土的最大干密度為1.67g/cm3，最佳含水量為18.50%；10#堿渣-石灰穩(wěn)定土的最大干密度為1.68g/cm3，最佳含水量為18.30%。

4.4無側(cè)限抗壓強度試驗

工業(yè)純堿渣和堿渣-水泥（或粉煤灰、石灰）穩(wěn)定土的無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果見。從可以看出（：1）堿渣直接作為1種原材料使用，本身并不產(chǎn)生強度，其特性是低液限粉土，質(zhì)輕、氯離子含量高[>140g/kg（干堿渣）]，如淋溶后可能造成污染，故不能推廣應(yīng)用。（2）堿渣-水泥穩(wěn)定土中，水泥劑量小于3%時，堿渣-水泥土混合材料不產(chǎn)生強度，也就是說在堿渣土中加入水泥，只能增加成本而不能增加強度。如果靠加大水泥劑量來增加強度，將會使成本顯著增加，故難以大面積推廣應(yīng)用。（3）堿渣-粉煤灰穩(wěn)定土中，粉煤灰含量少于12%時，不產(chǎn)生強度，堿渣對粉煤灰活性沒有明顯激發(fā)作用，這說明堿渣由于粉煤灰的加入引起膠凝度降低的作用大于對粉煤灰活性的激發(fā)作用。據(jù)此可以認為，用堿渣粉煤灰拌合后，堿渣僅能作為輕型填料用，不能作為膠凝性結(jié)合材料使用。（4）堿渣-石灰穩(wěn)定土中，僅用6%的石灰劑量即可使堿渣-石灰綜合穩(wěn)定土的無側(cè)限抗壓強度大于1MPa以上，這個強度大于由10%的石灰-土制成的石灰穩(wěn)定土。由于堿渣的加入，可以減少石灰穩(wěn)定土中石灰劑量。實驗發(fā)現(xiàn)，石灰對堿渣中的SiO2、Al2O3等有效成分有明顯的激發(fā)作用，特別是對于塑性指數(shù)小于15的堿渣，這種作用更加顯著。

4.5外加劑的影響

試驗中發(fā)現(xiàn)，由于堿渣的含水量過大（一般從渣場取回的堿渣試樣其含水量在50%～80%之間，堿渣一般需晾曬1～2d），隨著石灰劑量的減少，石灰和堿渣的摻拌難度增加，這可能給以后大面積施工造成工藝上的困難。因此，我們研制了1種復(fù)合外加劑（激發(fā)劑、減水劑），使其在不增加石灰劑量的情況下增加堿渣-石灰穩(wěn)定土強度，減少石灰與堿渣的摻拌時間，降低氯離子的溶出率。具體實驗如下：石灰含量為2%時，未摻外加劑與摻入1%外加劑后，堿渣-石灰穩(wěn)定土中堿渣的配合比對抗壓強度和Cl-離子溶出率的影響如、所示。石灰含量為3%時，未摻復(fù)合外加劑與摻入復(fù)合外加劑后堿渣含量對堿渣-石灰穩(wěn)定土抗壓強度和Cl-離子溶出率的影響如、所示。由～可以看出，當(dāng)石灰劑量一定時，隨著堿渣的摻入量增加，堿渣-石灰穩(wěn)定土中氯離子的溶出量增加，而抗壓強度先增加后逐漸減少。當(dāng)石灰和堿渣摻入量達某一配合比時，其抗壓強度會出現(xiàn)1個峰值，這說明在這一配合比時，石灰和堿渣的協(xié)同效應(yīng)達到最佳。比較、以及、可以看出，無論外加劑是否存在，隨著石灰劑量的減少，堿渣-石灰穩(wěn)定土的強度都逐漸降低。在堿渣-石灰配合比一定的情況下，摻入外加劑的穩(wěn)定土，其強度比未摻外加劑時有明顯的提高，而殘余氯離子的溶出量顯著下降。當(dāng)石灰含量為`2%，堿渣含量小于30%時，強度可提高0.3MPa以上（相當(dāng)于提高30%），非常顯著；當(dāng)石灰含量為2%，堿渣含量小于25%時，抗壓強度提高比較顯著；這說明復(fù)合外加劑對堿渣-石灰土中的化學(xué)成分有明顯的激活作用或協(xié)同作用，對游離氯離子的固定和轉(zhuǎn)化也具有協(xié)同作用。實驗結(jié)果表明，在滿足施工規(guī)范要求的前提下（塑性指數(shù)為10～20），通過合理地調(diào)整堿渣和土的比例，都可以找到滿足強度要求且最經(jīng)濟的配合比，可以用來指導(dǎo)施工。

5結(jié)論

工業(yè)堿渣的主要成分接近石灰，但是價格卻遠遠低于石灰，幾乎是無成本的原料。加入復(fù)合外摻劑后，用最小石灰劑量（1%），即可滿足公路工程穩(wěn)定綜合土的補強改性（強度值也可達到0.5MPa）。選用堿渣-石灰土作為各等級公路路面底基層，與石灰土相比，可降低石灰用量2～6倍，且能滿足其強度要求。堿渣-石灰穩(wěn)定土與其它穩(wěn)定土（石灰穩(wěn)定土、二灰穩(wěn)定土、三渣穩(wěn)定土）相比，其力學(xué)性能十分接近。而且，根據(jù)抗壓強度以及氯離子的溶出率與堿渣含量的線性關(guān)系，可以根據(jù)需要尋找合適的外加劑和堿渣-石灰土等材料的最佳配比。在加入適當(dāng)?shù)耐饧觿┖?，氯離子的溶出率可以顯著降低。因此，用于公路建設(shè)能滿足工程要求及經(jīng)濟操作性能和環(huán)保要求，可以作為1種膠凝材料代替現(xiàn)有原材料用于公路路基建設(shè)工程中。