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道路建設(shè)工業(yè)堿渣的作用

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道路建設(shè)工業(yè)堿渣的作用

1廢堿渣綜合利用

純堿是1種重要的化工原料,在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位。我國(guó)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(wàn)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(duì)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(kāi)展廢堿渣綜合利用的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前,堿渣的利用主要是作為代用土來(lái)使用[3],用于地基、深溝、低洼地的回填等。在國(guó)外,日本的氨堿廠(chǎng)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(chǎng)也曾將堿渣中的CaCO3回收利用,但因能耗太高而沒(méi)有得到推廣[4]。在國(guó)內(nèi),一些生產(chǎn)廠(chǎng)家和研究機(jī)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)堿渣的新途徑,以達(dá)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(jiàn)。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(lèi),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(guò)差熱分析、能譜分析、x-射線(xiàn)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(xì)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(xì)小,通常其粒徑僅2~5μm,但文石往往不是以單個(gè)顆粒形式獨(dú)立存在,而是由多個(gè)文石顆粒構(gòu)成的集合體,由集合體進(jìn)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(dá)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(zhǎng)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(chǎng)鹽水精制和蒸氨過(guò)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(duì)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(shì)互補(bǔ),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(huì)更強(qiáng),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(jiàn),堿渣作為具有強(qiáng)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(lái)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

結(jié)合國(guó)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(yàn),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(duì)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(yàn)設(shè)計(jì)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(cè)定了純堿渣、土、石灰和粉煤灰的液、塑性等,然后對(duì)堿渣和水泥、粉煤灰、石灰組成的混合穩(wěn)定土分別進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

4.1試驗(yàn)方法與設(shè)備

土和混合料的擊實(shí)試驗(yàn)采用重型擊實(shí)試驗(yàn)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(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ057)進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),游離氯離子測(cè)定按照化學(xué)分析法進(jìn)行。試驗(yàn)設(shè)備主要有電動(dòng)擊實(shí)儀(LD-140型),壓力試驗(yàn)機(jī)(NYL-2000D),路面材料強(qiáng)度測(cè)定儀(LD127-Ⅱ型)和氯離子溶出率測(cè)定儀等。

4.2原材料液、塑性試驗(yàn)

土樣選擇普通農(nóng)田土,堿渣為氨堿廠(chǎng)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(chǎng)。原材料試驗(yàn)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(duì)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(jí)鈣質(zhì)消石灰;粉煤灰的5項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到3級(jí)灰要求,對(duì)Cl-的吸附量為1.9g/kg(干基)。

4.3純堿渣、穩(wěn)定土的擊實(shí)試驗(yàn)

為檢驗(yàn)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(duì)純堿渣和堿渣與水泥、粉煤灰以及石灰等成分進(jìn)行相互混合后配制的穩(wěn)定土進(jìn)行了擊實(shí)試驗(yàn)和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。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(shí)試驗(yàn)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(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

工業(yè)純堿渣和堿渣-水泥(或粉煤灰、石灰)穩(wěn)定土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)。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(qiáng)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(shí),堿渣-水泥土混合材料不產(chǎn)生強(qiáng)度,也就是說(shuō)在堿渣土中加入水泥,只能增加成本而不能增加強(qiáng)度。如果靠加大水泥劑量來(lái)增加強(qiáng)度,將會(huì)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(shí),不產(chǎn)生強(qiáng)度,堿渣對(duì)粉煤灰活性沒(méi)有明顯激發(fā)作用,這說(shuō)明堿渣由于粉煤灰的加入引起膠凝度降低的作用大于對(duì)粉煤灰活性的激發(fā)作用。據(jù)此可以認(rèn)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(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度大于1MPa以上,這個(gè)強(qiáng)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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),石灰對(duì)堿渣中的SiO2、Al2O3等有效成分有明顯的激發(fā)作用,特別是對(duì)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(yàn)中發(fā)現(xiàn),由于堿渣的含水量過(guò)大(一般從渣場(chǎng)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(qiáng)度,減少石灰與堿渣的摻拌時(shí)間,降低氯離子的溶出率。具體實(shí)驗(yàn)如下:石灰含量為2%時(shí),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(duì)抗壓強(qiáng)度和Cl-離子溶出率的影響如、所示。石灰含量為3%時(shí),未摻復(fù)合外加劑與摻入復(fù)合外加劑后堿渣含量對(duì)堿渣-石灰穩(wěn)定土抗壓強(qiáng)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(shí),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(qiáng)度先增加后逐漸減少。當(dāng)石灰和堿渣摻入量達(dá)某一配合比時(shí),其抗壓強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)1個(gè)峰值,這說(shuō)明在這一配合比時(shí),石灰和堿渣的協(xié)同效應(yīng)達(dá)到最佳。比較、以及、可以看出,無(wú)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(qiáng)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(qiáng)度比未摻外加劑時(shí)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(shí),強(qiáng)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(shí),抗壓強(qiáng)度提高比較顯著;這說(shuō)明復(fù)合外加劑對(duì)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(duì)游離氯離子的固定和轉(zhuǎn)化也具有協(xié)同作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在滿(mǎn)足施工規(guī)范要求的前提下(塑性指數(shù)為10~20),通過(guò)合理地調(diào)整堿渣和土的比例,都可以找到滿(mǎn)足強(qiáng)度要求且最經(jīng)濟(jì)的配合比,可以用來(lái)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(jià)格卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于石灰,幾乎是無(wú)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(mǎn)足公路工程穩(wěn)定綜合土的補(bǔ)強(qiáng)改性(強(qiáng)度值也可達(dá)到0.5MPa)。選用堿渣-石灰土作為各等級(jí)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(mǎn)足其強(qiáng)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(qiáng)度以及氯離子的溶出率與堿渣含量的線(xiàn)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(mǎn)足工程要求及經(jīng)濟(jì)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。