道路建设工业碱渣的作用论文

　　1废碱渣综合利用

　　纯碱是1种重要的化工原料，在国民经济中占有重要的地位。我国氨碱法生产纯碱的大中型企业有数十家，每年产生碱渣近300万t[1]。碱渣的堆放一方面占用大量土地，且堆积的碱渣易滑坡、塌方；另一方面对区域环境造成很大危害，严重制约着制碱企业的可持续发展[2]。因此，开展废碱渣综合利用的研究具有重要的现实意义。目前，碱渣的利用主要是作为代用土来使用[3]，用于地基、深沟、低洼地的回填等。在国外，日本的氨碱厂大多建在海边，碱渣一般被用于填海造地；在波兰有相当面积的土壤属酸性土，碱渣用作土壤改良剂。由于碱渣中CaCO3含量很高，CaCO3又是制碱主要原料，日本的宇部工厂也曾将碱渣中的CaCO3回收利用，但因能耗太高而没有得到推广[4]。在国内，一些生产厂家和研究机构曾利用碱渣制取胶凝材，但因生产成本高等原因停止建设[5，6]。碱渣的主要成分是CaCO3，其次是CaO、SiO2等，其中所含的胶凝成分与石灰非常相似。有鉴于此，作者将碱渣作为1种胶凝材料代替或部分代替现有的石灰用于公路路基建设工程中，探索出大规模利用工业废碱渣的新途径，以达到变废为宝的目的。

　　2碱渣的化学组成和结构

　　为了研究碱渣的胶凝特性，作者首先研究了碱渣的化学组成和矿物组成。碱渣的化学成分分析结果如所示，扫描电子显微镜图见。从分析结果可以看出，碱渣的主要化学成分有难溶物和可溶物2类，难溶物有碳酸钙、氧化钙、氧化镁、氧化硅、氧化铝、氧化铁等，可溶物有氯化钙和氯化钠。通过差热分析、能谱分析、x-射线衍射分析和扫描电子显微镜分析发现，碱渣是1种孔隙大、颗粒细的固体物料，其主要矿物为结晶不良的次生CaCO3，即文石。其颗粒极细小，通常其粒径仅2～5μm，但文石往往不是以单个颗粒形式独立存在，而是由多个文石颗粒构成的集合体，由集合体进一步构成聚集体，形成架空的结构体系。集合体直径通常为10μm左右，聚集体直径则达15～25μm。这些聚集体结构复杂，有空隙，但连接紧密，结构不宜破坏，这种结构使碱渣有很高的吸水保水性能。除文石外，碱渣中还含有少量菱面体结晶的方解石，次要矿物有伊利石、绿泥石、高岭石、石英、长石、蒙脱石等。

　　3碱渣与石灰的性质比较

　　石灰的化学成分分析结果如所示。从和可以看出，工业碱渣是1种可以代替或部分代替石灰作为稳定土稳定剂的筑路材料。氨碱法纯碱厂盐水精制和蒸氨过程中用掉了原石灰中的部分Ca2+`离子，但其中的Mg2+`离子及剩余的Ca2+`离子仍然存在。碱渣中氧化钙含量较低，碳酸钙、氯化钙、氧化镁、二氧化硅含量则相对较高，而石灰中的氧化钙含量较高，若两者混合将形成有效成分的优势互补，如再配合使用部分自制的改性添加剂，其增加粘聚力的能力会更强，所以完全可以作为1种新型的胶凝材料配制公路路面结构层综合稳定土。由此可见，碱渣作为具有强度的建筑材料和胶凝材料，从其化学组成和结构特征来看是可行的，可利用工业碱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结构层综合稳定土。

　　4实验结果与讨论

　　结合国内外用于公路建设中水泥-粉煤灰（二灰）综合稳定材料的成功经验，并根据碱渣的化学成分分析和矿物组成结构的研究结果，按照公路工程对原材料的质量要求、工艺性能要求以及环保要求的试验设计原则，在碱渣中分别加入水泥、石灰、粉煤灰作为结合料，配制出综合稳定土。笔者首先测定了纯碱渣、土、石灰和粉煤灰的液、塑性等，然后对碱渣和水泥、粉煤灰、石灰组成的混合稳定土分别进行击实试验和无侧限抗压强度试验。

　　4.1试验方法与设备

　　土和混合料的击实试验采用重型击实试验法；试件在规定温度、湿度下养生6d，浸水24h后，按《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTJ057）进行无侧限抗压强度试验，游离氯离子测定按照化学分析法进行。试验设备主要有电动击实仪（LD-140型），压力试验机（NYL-2000D），路面材料强度测定仪（LD127-Ⅱ型）和氯离子溶出率测定仪等。

　　4.2原材料液、塑性试验

　　土样选择普通农田土，碱渣为氨碱厂废碱渣，石灰为当地产立窑石灰，粉煤灰取自焦作市某热电厂。原材料试验结果为：土的液限为30.9，塑限为17.7，塑性指数为13.2，属于亚粘土，对Cl-离子的吸附量1.6g/kg(干基)；工业碱渣的液限为55.6，塑限为41.5，塑性指数为14.1，表观密度为2.586g/cm3，堆积密度为0.67g/cm3，紧装密度为0.82g/cm3，有效钙镁含量为3.6%，Cl-含量为142g/kg；石灰的活性CaO和MgO含量为66.2%，属于二级钙质消石灰；粉煤灰的5项指标达到3级灰要求，对Cl-的吸附量为1.9g/kg(干基)。

　　4.3纯碱渣、稳定土的击实试验

　　为检验工业碱渣能否直接作为1种胶凝材料使用，及其和石灰、水泥、粉煤灰之间相互耦合关系，分别对纯碱渣和碱渣与水泥、粉煤灰以及石灰等成分进行相互混合后配制的稳定土进行了击实试验和无侧限抗压强度试验。纯碱渣和碱渣与水泥、粉煤灰以及石灰等成分混合后配成的稳定土的标准击实试验结果如、所示。从可以看出，1#纯碱渣的最大干密度为1.24g/cm3，最佳含水量为34.50%；2#纯碱渣的最大干密度为1.37g/cm3，最佳含水量为31.00%。从可以看出，3#碱渣-水泥稳定土的最大干密度为1.83g/cm3，最佳含水量为15.20%；4#碱渣-水泥稳定土的最大干密度为1.83g/cm3，最佳含水量为15.00%；5#碱渣-粉煤灰稳定土的最大干密度为1.80g/cm3，最佳含水量为14.20%；6#碱渣-粉煤灰稳定土的最大干密度为1.79g/cm3，最佳含水量为15.20%；7#碱渣-粉煤灰稳定土的最大干密度为1.78g/cm3，最佳含水量为14.80%；8#碱渣-石灰稳定土的最大干密度为1.66g/cm3，最佳含水量为19.00%；9#碱渣-石灰稳定土的最大干密度为1.67g/cm3，最佳含水量为18.50%；10#碱渣-石灰稳定土的最大干密度为1.68g/cm3，最佳含水量为18.30%。

　　4.4无侧限抗压强度试验

　　工业纯碱渣和碱渣-水泥（或粉煤灰、石灰）稳定土的无侧限抗压强度试验结果见。从可以看出（：1）碱渣直接作为1种原材料使用，本身并不产生强度，其特性是低液限粉土，质轻、氯离子含量高[>140g/kg（干碱渣）]，如淋溶后可能造成污染，故不能推广应用。（2）碱渣-水泥稳定土中，水泥剂量小于3%时，碱渣-水泥土混合材料不产生强度，也就是说在碱渣土中加入水泥，只能增加成本而不能增加强度。如果靠加大水泥剂量来增加强度，将会使成本显著增加，故难以大面积推广应用。（3）碱渣-粉煤灰稳定土中，粉煤灰含量少于12%时，不产生强度，碱渣对粉煤灰活性没有明显激发作用，这说明碱渣由于粉煤灰的加入引起胶凝度降低的作用大于对粉煤灰活性的激发作用。据此可以认为，用碱渣粉煤灰拌合后，碱渣仅能作为轻型填料用，不能作为胶凝性结合材料使用。（4）碱渣-石灰稳定土中，仅用6%的石灰剂量即可使碱渣-石灰综合稳定土的无侧限抗压强度大于1MPa以上，这个强度大于由10%的石灰-土制成的石灰稳定土。由于碱渣的加入，可以减少石灰稳定土中石灰剂量。实验发现，石灰对碱渣中的SiO2、Al2O3等有效成分有明显的激发作用，特别是对于塑性指数小于15的碱渣，这种作用更加显著。

　　4.5外加剂的影响

　　试验中发现，由于碱渣的含水量过大（一般从渣场取回的碱渣试样其含水量在50%～80%之间，碱渣一般需晾晒1～2d），随着石灰剂量的减少，石灰和碱渣的掺拌难度增加，这可能给以后大面积施工造成工艺上的困难。因此，我们研制了1种复合外加剂（激发剂、减水剂），使其在不增加石灰剂量的情况下增加碱渣-石灰稳定土强度，减少石灰与碱渣的掺拌时间，降低氯离子的溶出率。具体实验如下：石灰含量为2%时，未掺外加剂与掺入1%外加剂后，碱渣-石灰稳定土中碱渣的配合比对抗压强度和Cl-离子溶出率的影响如、所示。石灰含量为3%时，未掺复合外加剂与掺入复合外加剂后碱渣含量对碱渣-石灰稳定土抗压强度和Cl-离子溶出率的影响如、所示。由～可以看出，当石灰剂量一定时，随着碱渣的掺入量增加，碱渣-石灰稳定土中氯离子的溶出量增加，而抗压强度先增加后逐渐减少。当石灰和碱渣掺入量达某一配合比时，其抗压强度会出现1个峰值，这说明在这一配合比时，石灰和碱渣的协同效应达到最佳。比较、以及、可以看出，无论外加剂是否存在，随着石灰剂量的减少，碱渣-石灰稳定土的强度都逐渐降低。在碱渣-石灰配合比一定的情况下，掺入外加剂的稳定土，其强度比未掺外加剂时有明显的提高，而残余氯离子的溶出量显著下降。当石灰含量为`2%，碱渣含量小于30%时，强度可提高0.3MPa以上（相当于提高30%），非常显著；当石灰含量为2%，碱渣含量小于25%时，抗压强度提高比较显著；这说明复合外加剂对碱渣-石灰土中的化学成分有明显的激活作用或协同作用，对游离氯离子的固定和转化也具有协同作用。实验结果表明，在满足施工规范要求的前提下（塑性指数为10～20），通过合理地调整碱渣和土的比例，都可以找到满足强度要求且最经济的配合比，可以用来指导施工。

　　5结论

　　工业碱渣的主要成分接近石灰，但是价格却远远低于石灰，几乎是无成本的原料。加入复合外掺剂后，用最小石灰剂量（1%），即可满足公路工程稳定综合土的补强改性（强度值也可达到0.5MPa）。选用碱渣-石灰土作为各等级公路路面底基层，与石灰土相比，可降低石灰用量2～6倍，且能满足其强度要求。碱渣-石灰稳定土与其它稳定土（石灰稳定土、二灰稳定土、三渣稳定土）相比，其力学性能十分接近。而且，根据抗压强度以及氯离子的溶出率与碱渣含量的线性关系，可以根据需要寻找合适的外加剂和碱渣-石灰土等材料的最佳配比。在加入适当的外加剂后，氯离子的溶出率可以显著降低。因此，用于公路建设能满足工程要求及经济操作性能和环保要求，可以作为1种胶凝材料代替现有原材料用于公路路基建设工程中。