道路建設工業鹼渣的作用論文
道路建設工業鹼渣的作用論文
1廢鹼渣綜合利用
純鹼是1種重要的化工原料，在國民經濟中佔有重要的地位。我國氨鹼法生產純鹼的大中型企業有數十家，每年產生鹼渣近300萬t[1]。鹼渣的堆放一方面佔用大量土地，且堆積的鹼渣易滑坡、塌方；另一方面對區域環境造成很大危害，嚴重製約著制鹼企業的可持續發展[2]。因此，開展廢鹼渣綜合利用的研究具有重要的現實意義。目前，鹼渣的利用主要是作為代用土來使用[3]，用於地基、深溝、低窪地的回填等。在國外，日本的氨鹼廠大多建在海邊，鹼渣一般被用於填海造地；在波蘭有相當面積的土壤屬酸性土，鹼渣用作土壤改良劑。由於鹼渣中CaCO3含量很高，CaCO3又是制鹼主要原料，日本的宇部工廠也曾將鹼渣中的CaCO3回收利用，但因能耗太高而沒有得到推廣[4]。在國內，一些生產廠家和研究機構曾利用鹼渣製取膠凝材，但因生產成本高等原因停止建設[5，6]。鹼渣的主要成分是CaCO3，其次是CaO、SiO2等，其中所含的膠凝成分與石灰非常相似。有鑑於此，作者將鹼渣作為1種膠凝材料代替或部分代替現有的石灰用於公路路基建設工程中，探索出大規模利用工業廢鹼渣的新途徑，以達到變廢為寶的目的。
2鹼渣的化學組成和結構
為了研究鹼渣的膠凝特性，作者首先研究了鹼渣的化學組成和礦物組成。鹼渣的化學成分分析結果如所示，掃描電子顯微鏡圖見。從分析結果可以看出，鹼渣的主要化學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、氧化矽、氧化鋁、氧化鐵等，可溶物有氯化鈣和氯化鈉。透過差熱分析、能譜分析、x-射線衍射分析和掃描電子顯微鏡分析發現，鹼渣是1種孔隙大、顆粒細的固體物料，其主要礦物為結晶不良的次生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成的集合體，由集合體進一步構成聚集體，形成架空的結構體系。集合體直徑通常為10μm左右，聚集體直徑則達15～25μm。這些聚集體結構複雜，有空隙，但連線緊密，結構不宜破壞，這種結構使鹼渣有很高的吸水保水效能。除文石外，鹼渣中還含有少量菱面體結晶的方解石，次要礦物有伊利石、綠泥石、高嶺石、石英、長石、蒙脫石等。
3鹼渣與石灰的性質比較
石灰的化學成分分析結果如所示。從和可以看出，工業鹼渣是1種可以代替或部分代替石灰作為穩定土穩定劑的築路材料。氨鹼法純鹼廠鹽水精製和蒸氨過程中用掉了原石灰中的部分Ca2+`離子，但其中的Mg2+`離子及剩餘的Ca2+`離子仍然存在。鹼渣中氧化鈣含量較低，碳酸鈣、氯化鈣、氧化鎂、二氧化矽含量則相對較高，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勢互補，如再配合使用部分自制的改性新增劑，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製公路路面結構層綜合穩定土。由此可見，鹼渣作為具有強度的建築材料和膠凝材料，從其化學組成和結構特徵來看是可行的，可利用工業鹼渣代替部分生石灰配製成公路工程用的改性土或公路路面結構層綜合穩定土。
4實驗結果與討論
結合國內外用於公路建設中水泥-粉煤灰（二灰）綜合穩定材料的成功經驗，並根據鹼渣的化學成分分析和礦物組成結構的研究結果，按照公路工程對原材料的質量要求、工藝效能要求以及環保要求的試驗設計原則，在鹼渣中分別加入水泥、石灰、粉煤灰作為結合料，配製出綜合穩定土。筆者首先測定了純鹼渣、土、石灰和粉煤灰的液、塑性等，然後對鹼渣和水泥、粉煤灰、石灰組成的混合穩定土分別進行擊實試驗和無側限抗壓強度試驗。
4.1試驗方法與裝置
土和混合料的擊實試驗採用重型擊實試驗法；試件在規定溫度、溼度下養生6d，浸水24h後，按《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTJ057）進行無側限抗壓強度試驗，遊離氯離子測定按照化學分析法進行。試驗裝置主要有電動擊實儀（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
土樣選擇普通農田土，鹼渣為氨鹼廠廢鹼渣，石灰為當地產立窯石灰，粉煤灰取自焦作市某熱電廠。原材料試驗結果為：土的液限為30.9，塑限為17.7，塑性指數為13.2，屬於亞粘土，對Cl-離子的吸附量1.6g/kg(幹基)；工業鹼渣的液限為55.6，塑限為41.5，塑性指數為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%，屬於二級鈣質消石灰；粉煤灰的5項指標達到3級灰要求，對Cl-的吸附量為1.9g/kg(幹基)。
4.3純鹼渣、穩定土的擊實試驗
為檢驗工業鹼渣能否直接作為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係，分別對純鹼渣和鹼渣與水泥、粉煤灰以及石灰等成分進行相互混合後配製的穩定土進行了擊實試驗和無側限抗壓強度試驗。純鹼渣和鹼渣與水泥、粉煤灰以及石灰等成分混合後配成的穩定土的標準擊實試驗結果如、所示。從可以看出，1#純鹼渣的最大幹密度為1.24g/cm3，最佳含水量為34.50%；2#純鹼渣的最大幹密度為1.37g/cm3，最佳含水量為31.00%。從可以看出，3#鹼渣-水泥穩定土的最大幹密度為1.83g/cm3，最佳含水量為15.20%；4#鹼渣-水泥穩定土的最大幹密度為1.83g/cm3，最佳含水量為15.00%；5#鹼渣-粉煤灰穩定土的最大幹密度為1.80g/cm3，最佳含水量為14.20%；6#鹼渣-粉煤灰穩定土的最大幹密度為1.79g/cm3，最佳含水量為15.20%；7#鹼渣-粉煤灰穩定土的最大幹密度為1.78g/cm3，最佳含水量為14.80%；8#鹼渣-石灰穩定土的最大幹密度為1.66g/cm3，最佳含水量為19.00%；9#鹼渣-石灰穩定土的最大幹密度為1.67g/cm3，最佳含水量為18.50%；10#鹼渣-石灰穩定土的最大幹密度為1.68g/cm3，最佳含水量為18.30%。
4.4無側限抗壓強度試驗
工業純鹼渣和鹼渣-水泥（或粉煤灰、石灰）穩定土的無側限抗壓強度試驗結果見。從可以看出（：1）鹼渣直接作為1種原材料使用，本身並不產生強度，其特性是低液限粉土，質輕、氯離子含量高[>140g/kg（幹鹼渣）]，如淋溶後可能造成汙染，故不能推廣應用。（2）鹼渣-水泥穩定土中，水泥劑量小於3%時，鹼渣-水泥土混合材料不產生強度，也就是說在鹼渣土中加入水泥，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用。（3）鹼渣-粉煤灰穩定土中，粉煤灰含量少於12%時，不產生強度，鹼渣對粉煤灰活性沒有明顯激發作用，這說明鹼渣由於粉煤灰的加入引起膠凝度降低的作用大於對粉煤灰活性的激發作用。據此可以認為，用鹼渣粉煤灰拌合後，鹼渣僅能作為輕型填料用，不能作為膠凝性結合材料使用。（4）鹼渣-石灰穩定土中，僅用6%的石灰劑量即可使鹼渣-石灰綜合穩定土的無側限抗壓強度大於1MPa以上，這個強度大於由10%的石灰-土製成的石灰穩定土。由於鹼渣的'加入，可以減少石灰穩定土中石灰劑量。實驗發現，石灰對鹼渣中的SiO2、Al2O3等有效成分有明顯的激發作用，特別是對於塑性指數小於15的鹼渣，這種作用更加顯著。
4.5外加劑的影響
試驗中發現，由於鹼渣的含水量過大（一般從渣場取回的鹼渣試樣其含水量在50%～80%之間，鹼渣一般需晾曬1～2d），隨著石灰劑量的減少，石灰和鹼渣的摻拌難度增加，這可能給以後大面積施工造成工藝上的困難。因此，我們研製了1種複合外加劑（激發劑、減水劑），使其在不增加石灰劑量的情況下增加鹼渣-石灰穩定土強度，減少石灰與鹼渣的摻拌時間，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%外加劑後，鹼渣-石灰穩定土中鹼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，未摻複合外加劑與摻入複合外加劑後鹼渣含量對鹼渣-石灰穩定土抗壓強度和Cl-離子溶出率的影響如、所示。由～可以看出，當石灰劑量一定時，隨著鹼渣的摻入量增加，鹼渣-石灰穩定土中氯離子的溶出量增加，而抗壓強度先增加後逐漸減少。當石灰和鹼渣摻入量達某一配合比時，其抗壓強度會出現1個峰值，這說明在這一配合比時，石灰和鹼渣的協同效應達到最佳。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，鹼渣-石灰穩定土的強度都逐漸降低。在鹼渣-石灰配合比一定的情況下，摻入外加劑的穩定土，其強度比未摻外加劑時有明顯的提高，而殘餘氯離子的溶出量顯著下降。當石灰含量為`2%，鹼渣含量小於30%時，強度可提高0.3MPa以上（相當於提高30%），非常顯著；當石灰含量為2%，鹼渣含量小於25%時，抗壓強度提高比較顯著；這說明覆合外加劑對鹼渣-石灰土中的化學成分有明顯的啟用作用或協同作用，對遊離氯離子的固定和轉化也具有協同作用。實驗結果表明，在滿足施工規範要求的前提下（塑性指數為10～20），透過合理地調整鹼渣和土的比例，都可以找到滿足強度要求且最經濟的配合比，可以用來指導施工。
5結論
工業鹼渣的主要成分接近石灰，但是價格卻遠遠低於石灰，幾乎是無成本的原料。加入複合外摻劑後，用最小石灰劑量（1%），即可滿足公路工程穩定綜合土的補強改性（強度值也可達到0.5MPa）。選用鹼渣-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。鹼渣-石灰穩定土與其它穩定土（石灰穩定土、二灰穩定土、三渣穩定土）相比，其力學效能十分接近。而且，根據抗壓強度以及氯離子的溶出率與鹼渣含量的線性關係，可以根據需要尋找合適的外加劑和鹼渣-石灰土等材料的最佳配比。在加入適當的外加劑後，氯離子的溶出率可以顯著降低。因此，用於公路建設能滿足工程要求及經濟操作效能和環保要求，可以作為1種膠凝材料代替現有原材料用於公路路基建設工程中。