堿渣拌合物工程特性研究★

馬純杰 張欣然 韓 磊 郭燕文

(1.濰坊市建筑設計研究院有限責任公司，山東濰坊 261041; 2.山東大地建筑規劃設計有限公司壽光分公司，山東濰坊 261041;3.山東景城建筑規劃設計有限公司，山東濰坊 261041; 4.中瀚國際建筑設計顧問有限公司，山東青島 266000)

1 概述

堿渣是氨堿法生產純堿過程中產生的一種工業廢料［1］。伴隨著純堿的生產，每年都會產生大量的堿渣。目前為止，國內外對堿渣廢料的處理沒有統一有效的方法，大多數堿廠認為堿渣用處不大，本身又無毒，不值得回收利用，一般經管道輸送至貯渣場進行存儲。但堿渣成分和性質復雜而特殊，特別是含高濃度的腐蝕性氯離子，對當地經濟及區域性生態環境造成不利影響［2］。

基于上述研究背景，國內外學者一直致力于尋找堿渣資源化再利用的有效方法，如堿渣土壤改良劑［3-6］，堿渣建筑材料添加劑［7-9］等，該方法雖在一定程度上消耗了堿渣，但均不能大規模、低成本地利用堿渣。20世紀90年代，日本將堿渣與粉煤灰拌合制成工程土應用于當地的填海造路，取得了一定效果［10］;國內方面，婁性義等(1999)，張明義等(2003)對青島堿廠堿渣廢料進行了室內試驗，并對其與粉煤灰拌合物工程特性進行了研究［11，12］;閆澍旺等(2006)結合天津堿廠實際情況，將其與粉煤灰拌合制成工程土進行低洼地區的填墊，并對填墊后工程土性狀進行檢測，效果較好［13］;田學偉等(2009)對唐山堿廠堿渣廢料制作工程土進行了研究［14］。本文針對山東海化堿廠堿渣存放的實際情況，對其分別與粉煤灰、石灰拌合物的工程特性進行研究，為其應用于工程實際提供技術依據。

2 堿渣物理力學性質及微觀結構分析

2.1 堿渣物理力學性質分析

山東海化堿廠現有渣池已儲存2 000多萬噸純堿的蒸氨廢渣和廢鹽泥，總固體廢料約4 000多萬立方米，渣場高度已達14 m，占地約4 km2，天然狀態下堿渣呈白色膏狀物體。現場取樣后測得膏狀堿渣含水量大于200%，液限大于90%，塑限在60%左右，物理性狀與一般工程土差別很大，不能直接作為工程土使用。風干后表層堿渣通常以松散的粉末狀存在，孔隙較大，強度幾乎為零。深層處堿渣因表面存在粒徑為2 μm～5 μm的結晶物，通常以團聚體的形式存在，含水量仍然較高。

研究表明堿渣主要化學成分為碳酸鈣及鋁、鐵、硅等氧化物，這些氧化物大部分為難溶的鹽類且含量相對較高，而氯化鈣、氯化鈉等易溶于水的物質則含量相對較少。但是難溶的鹽類物質吸水性較強，且易潮解，導致深層堿渣含水量較高。同時難溶鹽類具有很強的腐蝕性，對堿渣堆放區域的生態環境造成不利影響。

2.2 堿渣顆粒粒徑分析

為了解堿渣的粒度成分，取深層堿渣土試樣兩份，烘干碾細后采用激光粒度分析儀分別進行顆粒分析試驗。分析可知，堿渣試樣顆粒粒徑曲線較為平滑，顆粒粒徑介于0.5 μm～70.0 μm 之間。其中，粒徑分布在0.5 μm ～10.0 μm 顆粒所占百分比約為60%，10.0 μm ～35.0 μm 間的顆粒約占35%，35.0 μm ～70.0 μm間的顆粒約占5%，粒徑分布較好，利于與其他材料拌合形成工程土。

2.3 堿渣微觀結構分析

取深層團聚狀堿渣碾細晾干后加入丙酮，利用超聲波技術將其擊碎，然后在電鏡下進行觀察，這樣可以清楚地觀察到單個堿渣顆粒的排列。圖1表示放大3 000倍后電鏡下堿渣圖像。可以看出，堿渣表面較粗糙，內部孔隙較大，堿渣呈蜂窩狀存在。單個堿渣顆粒之間以點接觸方式為主，顆粒之間雖有針狀文石起到膠結作用，但膠結作用并不明顯，在環境變化等因素影響下，文石很容易變為方解石，造成堿渣顆粒的團聚。團聚后堿渣強度較高，較難破壞。團聚體對堿渣起到了骨架作用，為堿渣工程應用提供了基礎。

3 堿渣拌合物室內試驗研究

3.1 堿渣與粉煤灰拌合物工程特性

取堆放場區深層堿渣試樣，經烘干、碾細后與粉煤灰按照固體重量比 5∶5，6∶4，7∶3，8∶2 拌合，進行不同配比條件下堿渣—粉煤灰拌合物的擊實試驗，并利用WY-4型土壤貫入儀對擊實后土樣進行密實度檢測，以確定不同配比堿渣—粉煤灰拌合物最優含水量、最大干密度及強度情況。

圖2表示不同配比堿渣—粉煤灰拌合物的擊實曲線。分析可知，粉煤灰的加入對堿渣—粉煤灰拌合物含水量及干密度均具有一定影響，但不同配比堿渣土最優含水量介于60% ～70%之間，最大干密度介于0.83～0.92之間，相差不大。最優含水量區間范圍內，5∶5及7∶3兩種配比堿渣拌合物最大干密度大于6∶4及8∶2配比堿渣拌合物。

圖2 不同配比堿渣土的擊實曲線

以固體含量最優配比7∶3對堿渣與粉煤灰進行拌合，并按照最優含水量63.5%配制試驗土樣，進行純堿渣與最優配比堿渣—粉煤灰拌合物的無側限抗壓強度對比試驗。分析可知，相比純堿渣，7∶3配比堿渣—粉煤灰拌合物養護14 d后無側限抗壓強度約為0.26 MPa，為純堿渣強度的6.5倍。可見7∶3配比堿渣土—粉煤灰拌合物無側限抗壓強度較純堿渣有較大幅度提高，力學性能改善明顯，可以應用于工程實際。

3.2 堿渣與石灰拌合物工程特性

石灰具有一定的活性，廣泛應用于建筑物基礎、地面墊層及道路路面基層的施工等方面，因此可通過堿渣中添加一定量石灰粉來提高堿渣拌合物的工程力學性質。

試驗過程中將堿渣與石灰粉烘干碾細后按照石灰粉占堿渣固體含量1%，3%，5%，7%及9%拌合制備堿渣—石灰拌合物，養護14 d后進行無側限抗壓試驗，以測定不同石灰粉含量條件下堿渣土強度變化規律。堿渣—石灰粉拌合物無側限抗壓強度隨石灰粉含量變化情況如圖3所示。

由圖3可以看出，石灰粉對堿渣強度提高效果顯著。當加入石灰粉的質量比介于1% ～3%時，堿渣強度提高不明顯，提高幅度約為38.8% ～52.3%;隨著加入石灰粉量的增加(3% ～7%)，堿渣強度提高至0.241 MPa，增長幅度約為516.6%;石灰粉質量比達到7%以后，堿渣強度隨石灰粉含量增加變化不大，趨于穩定。可見，堿渣中石灰粉含量為7%時，堿渣強度最高，石灰粉占堿渣固體含量最優百分比為7%。

圖3 堿渣—石灰拌合物強度隨石灰粉含量變化曲線

4 結語

1)天然堿渣含水量高，物理力學性狀與一般工程土差別較大，不能直接作為工程土使用。但其主要成分碳酸鈣等氧化物為堿渣提供了骨架成分，同時良好的粒徑分布為堿渣的工程應用提供了基礎。

2)粉煤灰對堿渣力學性能影響較大。堿渣與粉煤灰固體含量配比7∶3時，拌合物最優含水量及最大干密度分別為0.64，0.88時效果最好;最優配比條件下養護14 d后拌合物無側限抗壓強度約為純堿渣的6.5倍，力學性能改善明顯。

3)研究表明，堿渣中石灰粉含量為7%時，拌合物強度最高。養護14 d后堿渣—石灰拌合物無側限抗壓強度約為純堿渣的6.1 倍，效果顯著。