（岩土工程专业论文）碱渣代替工程土进行填垫的研究.pdf

摘要 碱渣是纯碱生产过程中产生的废料，大量堆存形成“碱渣山”。“碱渣山”占 用大量土地阻碍了地区的开发和建设，而且碱渣干燥状态极易扬尘严重地影响周 围的环境，因此治理碱渣刻不容缓。近年来将碱渣作为工程土用于填垫等实际工 程，产生了巨大的经济和社会效益。以往对堆积年代较久的碱渣进行了较深入的 研究，有了一定的认识，而对新堆积的碱渣的研究工作尚未开展，由于碱厂改进 工艺使得新堆积的碱渣颗粒更细，含水量更高，所以本文就主要针对如何降低新 堆积的天津碱厂“三号汪子”碱渣的含水量进行了研究，同时也研究将其运用于 实际的填垫工程。 为了更好地认识碱渣，作者结合以前的研究成果，先从碱渣的微观结构和强 度的形成机理进行研究，了解碱渣原始颗粒结晶特征，搞清楚碱渣颗粒与水的相 互作用机制，揭示碱渣强度的形成机理，并且将碱渣与粉煤灰拌和后形成的碱渣 土的微观结构与碱渣微结构进行比较，搞清碱渣颗粒与拌和材料颗粒相互作用的 机制。然后通过室内的物理力学试验，从宏观上进一步认识碱渣的物理力学性质。 随后针对碱渣的高含水量不易于运输的缺点，提出利用加硫酸和轻型井点降水法 降低碱渣的含水量，并作了室内和现场的试验，结果证实利用轻型井点法能有效 地降低碱渣的含水量。最后将碱渣拌合粉煤灰制成的工程土运用于填垫工程，采 用两种思路达到承载力要求，一种是天然晾晒碾压，通过做室内和现场晾晒试验， 证明是可行的；另一种是真空预压，通过室内和现场追踪试验，证实能满足地基 承载力要求，达到了加固地基的目的。 关键词：碱渣微观结构强度形成机理晾晒速率真空预压轻型井点降水 a b s t r a c t s o d ar e s i d u ei st h ew a s t er e s i d u ef r o mt h es o d ap r o d u c i n g ，l a r g e l yp i l i n gu po f t h es o d ar e s i d u eb e c o m e st h e s o d ar e s i d u eh i l l n e s o d ar e s i d u eh i l l t i e su pa l o to fl a n da n dh i n d e r st h ed e v e l o p m e n ta n dc o n s t r u c t i o no ft h er e g i o n t h e r e b yt h e s o d ar e s i d u ed i s p o s a li sn ot i m ed e l a y r e c e n ty e a r s ，t h es o d ar e s i d u eh a sb e e nr e u s e d i ne n g i n e e r i n g w h i c hh a sa c h i e v e dl a r g ee c o n o m ya n de f f e c tu p o ns o c i e t y 1 1 1 e r e s e a r c ho ft h eo l ds o d ar e s i d u ei sr e l a t i v e l yd e e p ，b u tt h en e ws o d ar e s i d u ed o e s n t b e g i nt ob es t u d i e d t h ec h a r a c t e r so fn e ws o d ar e s i d u eh a v eb e e nc h a n g e df o rn e w t e c h n o l o g ya ss o d ab e i n gp r o d u c e d h a v i n gs m a l l e rg r a i na n dh i g h e rw a t e rc o n t e n t t h e r e f o r e ，t h i st h e s i sm a i n l ya n a l y z e sh o wt od e c r e a s et h ew a t e rc o n t e n to ft h es o d a r e s i d u es t o r a g ey a r dn o 3i nt i a n j i ns o d af a c t o r y , a n ds t u d i e sh o wt or e u s et h es o d a r e s i d u ei ng e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g t o k n o wt h es o d ar e s i d u eb e r e r , t h ef o l l o w i n gr e s e a r c hw o r k so nt h eb a s eo f t h e p r e c i o u sr e s e a r c hh a v eb e e nm a d e f i r s t l y , t h r o u g ht h ea n a l y s i sa b o u tt h em i c r o s t r u c t u r ea n ds t r e n g t hm e c h a n i s mo f t h es o d ar e s i d u e ，t h ec r y s t a l l i z a t i o no ft h eg r a i no fs o d ar e s i d u ea n dt h ei n t e r a c t i o n m e c h a n i s mb e t w e e nt h eg r a i no fs o d ar e s i d u ea n dt h eh o l ew a t e ra r ek n o w nc l e a r l y , a n dt h e nt h em e c h a n i s mt h a tb o wl of o r mt h es t r e n g t hi sa l s od i s c l o s e d c o m p a r i n g t h em i c r o s t r u c t u r eo fs o d ar e s i d u ew i t ho n eo f t h em i x t u r eo f t h es o d ar e s i d u ea n dt h e f l ya s h , i ti sc l e a rt ok n o wt h ei n t e r a c t i o nm e c h a n i s mw i t ht h eg r a i no fs o d ar e s i d u e a n do n eo ft h em i x t u r e s e c o n d l y , t h et h e s i se x p o u n d st h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a l c h a r a c t e r so ft h es o d ar e s i d u ea f t e rl o t so fi nd o o re x p e r i m e n t s t h i r d l y , i ti sd i f f i c u l t t ot r a n s p o r tt h es o d ar e s i d u e 稍mh i 吐w a t e rc o n t e n t t os o l v et h ep r o b l e m ，t h et h e s i s a d o p t sa d d i n gs u l p h u r i ca c i dt ot h es o d ar e s i d u ea n dl i g h tw e l l - p o i n td e w a t e r i n g t h r o u g hl o t so fe x p e r i m e n t s ，i ti sp r o v e dt h a tt h el a t e ri sf e a s i b l e f i n a l l y , t h e r ea r e t w ow a y st oa t t a i nt h ed e m a n do ft h ec a r r y i n gc a p a c i t yw h e nt h em i x t u r eo fs o d a r e s i d u ea n df l ya s hi sp r a c t i c e di ne n g i n e e r i n g o n ei sa i r - d r i e du n d e rt h en a t u r a l c o n d i t i o na n dt h e nr o l l i n go v e rt h es o d ar e s i d u e t h eo t h e ri sv a c u u mp r e l o a d i n g t h e t w ow a y st h a tc o n s o l i d a t e dt h es o d ar e s i d u ea l lc a ns a r i s f y 、i t ht h ed e m a n do ft h e c a r r y i n gc a p a c i t y k e yw o r d s ：m i c r o s t r u c t u r eo ft h es o d ar e s i d u e ；s t r e n g t hm e c h a n i s m ；s p e e do f a i r - d r i e du n d e rt h en a t u r a lc o n d i t i o n ；v a c u u r f lp r e l o a d i n g ；l i g h tw e l l - p o i n td e w a t e r i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获褥：墨生盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：储莠 签字日期：2 。口斗年，2 月2 8 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鎏盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：仍器芳 签字日期：砌忤f ) 月撂日 导师签名：c ) 0y 渺 签字日期：w 口年：月国日 第一章绪论 1 1 研究碱渣的目的和意义 第一章绪论 纯碱是重要的化工原料，在国民经济中占有重要的地位，而碱渣就是碱厂利 用氨碱法生产纯碱过程中产生的白色固体废料，是几大废渣之一，据统计，每生 产l t 纯碱，排放约l o m 3 的废液，其中含废渣3 0 0 6 0 0 k g ( 视石灰石原料的好坏 而定) 。目前我国生产纯碱多采用氨碱法，其产量占纯碱总产量的6 0 以上，因 而产生出了大量的废渣废液，这些废渣废液的排放和堆存给周围环境造成较大的 影响。 对于氨碱法制碱排出的碱渣，各个碱厂的处理各不相同。有的碱厂采用从废 液中澄清碱渣，然后堆放在堆场上的处理办法，有的碱厂将废渣废液直接排入海 湾。这样就污染和淤塞了河道，破坏了水产业，对环境和水体造成了极大的污染。 大量集中堆放的碱渣在地震等外界因素的影响下，还可能出现塌方和滑坡，造成 人民生命和财产的损失，带来一系列的严重后果。目前国内主要的六个碱厂中， 以大连化学工业公司碱厂和天津碱厂建成最早，排放的废渣最多，急需处理的问 题最为突出。 天津碱厂始建于1 9 2 3 年，是我国最早的碱厂，它每年排出的废液量达4 7 x1 0 ”m ( 其中含固态碱渣1 8 x1 0 6 t ) ，自建厂至今已排放碱渣1 5 0 0 万t 以上， 在塘沽经济技术开发区、保税区、天津新港之间形成了三座碱渣山，占地面积约 3 5 k m 2 ，平均高度1 0 1 5 m 。碱渣山的存在困扰着天津碱厂的发展，碱渣渗流液使 场地周围的土质受到盐渍化的侵蚀，同时碱渣粉尘向四周扩散，使碱渣山周围的 环境受到严重的粉尘污染，对城市环境影响极大；并且碱渣占用大量的土地，不 仅影响该地区的生态景观，而且影响和阻碍该地区的开发、建设和经济发展。现 在根据天津港发展规划的要求，天津港的基本建设已进入新阶段，新建北大港池、 南疆进一步发展。其中北疆五个集装箱泊位和北疆集装箱物流中心已纳入天津港 “十五”计划的重大项目。目前，北疆集装箱物流中心规划建设方案已经形成。 根据该方案，该物流中心位于京津塘高速公路延长线以北，海防路以东，蓟运河 以南的区域，分为南区、北区和远景发展区，其中南区、北区征地面积约5 4 k m 2 。 天津碱厂的工业废料碱渣排放区“三号汪子”位于该规划中心的西南角，长约 1 0 0 0 m ，宽z o o m ，占地约0 7 k m r ，目前碱渣堆高己达1 5 m 左右，阻碍了规划的顺 利进行。 第一章绪论 综观国外氨碱厂的废液废渣的排放处理，以俄国氨碱厂的排放问题最为严 重。俄国是一个纯碱生产大国，氨碱厂占了一大半，且大部分在内地，统计结果 表明，仅建立排渣场的废渣堆存费用超过了其加工成商品的费用。欧洲各国对碱 渣的处理，措施是比较得力的。天然碱相当丰富的美国也陆续关闭了九个大型氨 碱厂，而改用天然碱加工生产纯碱，关闭的主要原因就是能源和污染问题难以得 到解决。嘲 我国是发展中国家，天然碱不够丰富，关闭氨碱厂是不现实的，但是氨碱厂 存在天，废渣废液就存在一天，为了实现可持续发展战略，就必须有效处理和 利用三废，保护和改善环境。所以，对碱渣加以研究利用，力图变废为宝，就成 为了我国当前面临的一个十分急迫的任务。 1 2 碱渣的研究现状。卜“ 碱渣作为废渣对环境和人民生活带来的危害早已被人们所认识，早在多年前 国内外就对碱渣变废为宝进行了许多方面的研究，也得出了众多利用碱渣的行之 有效的方法。现将国内外对碱渣的利用研究现状说明如下。 国外对碱渣进行了多方面的研究，根据各国不同的国情，对碱渣有不同方面 的利用，取得的效果也是显著的。前苏联的斯捷利塔马克纯碱厂在7 0 年代曾进 行了将碱渣用作水泥和其他建筑材料的试验与生产的工作。该厂利用经过雨水淋 洗、氯化物降低并长期晾晒的废渣进行试验，证明了可以制取符合当时国家标准 的产品，曾经建成年产8 万t 的实验厂进行生产。波兰将碱渣用作土壤改良剂， 碱渣是属于碱性的物质，波兰又有相当面积的酸性土壤，利用碱渣不仅降低了土 壤的酸性，而且提供了c a 、s i 等植物需要的成分。而且对碱渣还进行作为填垫 材料的运用研究，如日本就利用碱渣填海造地，众所周知日本的陆地比较缺乏， 因而日本把氨碱厂都建在海边，这样排出碱渣正好可以用作填海造地，达到一举 两得的效果，此法也是符合日本的国情的。 目前国内对碱渣也有了较深入的研究，由于我国碱厂较多，而且纯碱工业在 国民经济中占有重要的地位，所以对碱渣的研究利用比国外更广泛更深入一些。 碱渣的主要含量是c a c 0 3 ，其次是c a o ，s i 0 2 等，因而制造水泥成为碱渣利用 的首选项目。早在1 9 7 1 年天津碱厂就开始了此项工作的试验与生产，建成一条 年产4 0 0 0 t 的生产线，但是碱渣制水泥的成本较其他水泥要高，利用碱渣制水泥 不是最理想的方案。后来大连制碱工业研究所在1 9 7 7 年开始了将碱渣作为土壤 改良剂的研究，使用了天津碱厂白灰埝经过多年淋洗含氯较低的表层废渣进行试 验，取得了较好成果，并通过了市级鉴定，有一定的推广价值。到了8 0 年代后 第一章绪论 期，天津市新型建筑材料工业公司研究室和焦作化工三厂等单位，联合开发了以 碱渣为主要原料，配以少量炉灰渣和硫酸盐烧结低温水泥的生产方法，亦称碱渣 建筑胶凝材料，至此碱渣又有了可以用来制胶凝材料的新用途，而且碱渣还被用 来围海造地。这些方法都是碱渣利用的比较有效的方法，但推广的价值不是很普 遍，都有一定的局限性，所以有必要找到一个既经济又方便，并且能大量利用碱 渣的方法，由此通过研究和试验就找到了将碱渣f 碱渣土) 代替一般土作为填垫 材料的治理方法，在实际工程中取得了良好的效果。 天津碱厂在1 9 8 6 年以前就协同天津市建筑设计研究院和天津机械施工公司 共同就利用碱渣代替黄土作为填垫材料进行了试验研究，将碱渣单独使用或掺入 粉煤灰、返砂、黄土等辅料进行了试验研究，并在塘沽天碱朝阳新村家属宿舍进 行了大面积应用，取得了较好的效果。天津大学岩土工程研究所对堆积年代较久 的碱渣作为工程土应用时的微观结构特性、强度形成的机理以及宏观物理力学性 质都进行了比较深入的研究。通过研究分析，找到了将碱渣土用于大面积填垫工 程的两个基本思路：一是吹填后进行预压( 堆载或真空预压) ，二是将其晾晒风 干，再混合其它一些材料( 如增钙灰、粉煤灰、黄土、水泥等) ，制成复合型的 碱渣土随后碾压来应用。真空预压的试验结果表明，碱渣在加固后强度增加，变 形减小，地基具有8 0 k p a 以上的承载力。利用真空预压加固地基具有施工简单， 加固所需时间较短的优点，但由于碱渣的骨架结构较硬，从固结压力下产生的固 结变形不大，因而土中水的排出量较少，加固后碱渣中的含水量依然较大，使得 加固后的碱渣具有较大的触变性，同时也不容易进行进一步的处理。对于第二种 思路，碱渣在天然条件下比较容易失水风干，如果添加其它一些材料( 如增钙灰、 粉煤灰、黄土、水泥等) ，可进一步加快碱渣的失水速度。混合后的复合型碱渣 土与碱渣相比，其最大干容重增加3 0 ，强度指标和变形指标都有很大的提高， 其表观也得到改善。 两种思路都用于实际的工程中，并产生了较好的效果。目前碱渣及拌和物作 为工程土在天津塘沽区已经较大规模地用于低洼地区和滩涂工程填垫，既开发了 土地资源，又改善了周边环境。因此，将碱渣作为工程用土，大规模用于填垫工 程是大量处理碱渣的有效途径。 1 3 本课题的研究内容及技术路线 纵观国内外的研究现状，将碱渣用作工程用土，运用于填垫工程是处理碱渣 的有效途径，同时也是符合我国的国情的方法。而且天津大学岩土工程研究所对 碱渣通过比较深入的研究，提出了切实可行的用碱渣土进行填垫的施工工艺、监 第一章绪论 理方式、效果检验方法及验收标准。这些成果已经国家建设部组织的专家鉴定为 国际领先水平，而且已在物流中心、塘沽区蓝苑小区及碱渣山的填垫工程中得到 实际应用，产生了巨大的经济效益和社会效益。现在天津碱厂堆积年代较久的碱 渣己基本治理完毕，治理效果良好。但对于堆积年代较近或新近产生的碱渣的物 理力学特性及工程应用的方法的研究尚未开展，由于天津碱厂改进工艺，使得新 产生的碱渣较老碱渣具有颗粒更细，含水量更高等特点，所以有必要对其进行全 面深入的研究，如果能够搞清新碱渣的工程特性及作为填垫材料的应用方法，同 样也会产生巨大的经济和社会效益。 1 ，3 1 课题的研究内容 本课题研究内容如下： ( 一) 新堆积的碱渣的物理力学特性及强度形成机理研究 对老碱渣的治理经验表明，要合理地应用碱渣，必须对其微观结构和强度形 成的机理进行比较深入的研究，才能做到使设计者安心，使用者放一1 5 ，达到化敝 为利的目的。为此进行几个方面的研究： 1 、要全面彻底地认识碱渣，就必须了解碱渣的基本成分及其在纯碱生产工 艺中的形成过程和环境，从而搞清碱渣原始颗粒的结晶特征。 2 、参照粘土矿物颗粒与土的相互作用，研究碱渣颗粒的双电层及孔隙中的 电解液特征，搞清碱渣颗粒与水的相互作用机制。 3 、研究碱渣主要化学成分的原始结晶颗粒相互连接形成集合体，进而形成 聚合体的演变过程，搞清碱渣的絮状结构及原始颗粒的电化学连接方式，从而揭 示碱渣强度的形成机理。 4 、研究碱渣与粉煤灰拌和后形成的碱渣土的微观结构，通过与碱渣微结构 的比较，搞清碱渣颗粒与拌和材料颗粒相互作用的机制。 ( 二) 新堆积的碱渣的物理力学特性研究 1 、碱渣与粉煤灰( 按9 2 ：8 ) 拌和制成的碱渣土的物理指标试验 ( 1 ) 、含水量( w ) 由于碱渣自身的亲水性较好，孔隙比很大，有较高的含水量。经晾晒后水分 的散失速度是合理应用碱渣的关键。 ( 2 ) 、比重( g s ) 用比重瓶法测定碱渣土的比重。 ( 3 ) 、易溶盐含量 ( 4 ) 、塑液限 ( 5 ) 、颗粒分析 第一章绪论 ( 6 ) 、击实试验 工程中一般以干容重( 或干密度) 作为控制人工填土施工质量的指标，这就 需要用击实试验确定最大干容重及所对应的最优含水量。 ( 7 ) 、渗透系数( k ) 土的渗透性对工程土的固结排水能力有重要的影响，并直接影响到施工速度 和地基的承载能力。 ( 8 ) 、湿陷性与湿胀性检验 ( 9 ) 、冻融试验 2 、碱渣土的力学指标 ( 1 ) 、直接剪切试验 ( 2 ) 、压缩试验 ( 3 ) 、无侧限抗压强度 ( 4 ) 、振动三轴液化试验 3 、原状碱渣与膏状碱渣晾晒的对比试验 碱渣的天然含水量较高，一般都在2 0 0 以上，在做为工程土应用时，需经 天然晾晒，使其含水量下降，达到和接近其最优含水量。对原状碱渣与膏状碱渣 两种方案进行了试验对比，并从机理上对试验结果进行论证工作。 ( 三) 碱渣对环境影响分析。通过碱渣对水泥砂浆和钢筋的腐蚀试验研究，分析 碱渣是否对建筑物及绿化有所影响，从而指导填垫等实际工程。 ( 四) 碱渣的含水量很高，只有当碱渣的含水量降到一定程度时才具有较高的强 度，才可用于实际工程，而且含水量过高也给运输带来了巨大的不便，所以对两 种降低碱渣含水量的方法进行了研究分析。 1 、碱渣中加入硫酸，利用硫酸的脱水性析出碱渣中的水分，达到降低含水 量的目的。 2 、参照降低基坑水位的方法，采用井点降水法降低碱渣汪子水位，从而使 碱渣排水固结。 1 3 2 技术路线 1 、通过对碱渣的化学成分分析，碱渣土的矿物成分分析，差热分析，x - 射 线分析，电镜分析，红外线光谱吸收分析等分析方法，对微观结构和强度形成机 理进行了研究，通过观察分析，研究碱渣土的结构性和土骨架的特征，为新堆积 的“三号汪子”碱渣的合理利用打下扎实的理论基础。 2 、利用室内的物理力学试验，全面深入认识新堆积的“三号汪子”碱渣形 成的工程土的物理力学性质，作为设计计算的基础。 第一章绪论 3 、对原来的填垫工程进行跟踪监测，了解碱渣用于实际工程的效果，掌握 利弊，为新堆积的“三号汪子”碱渣的合理利用提供实践经验。 4 、通过室内的试验，探索降低新堆积的“三号汪子”碱渣含水量的方法， 为碱渣用于港口工程地基提供途径，并取得经验及设计数据和依据。 第二章碱渣的微观结构及强度形成机理 第二章碱渣的微观结构及强度形成机理 根据以往治理碱渣的经验，要想全面彻底地认识碱渣，合理地应用碱渣，就 得从碱渣的基本成分及生产形成过程和环境着手，搞清楚碱渣的原始颗粒结晶特 征，以及碱渣的微观结构和强度形成机理，从根本上了解碱渣，进而明确新堆积 的碱渣有利和不利的工程性质，为治理方案的实施打下基础。 碱渣在完全风干后，变成非常松脆的多孔介质，一触即碎，几乎没有什么强 度。经过对碱渣的多次实验可知，当碱渣具有一定的含水量时，碱渣作为t 程土 应用时表现出较高的强度参数( 粘结力和内摩擦角) 、较低的压缩性和较大的渗 透性。这表明，碱渣颗粒间的孔隙中的水对碱渣强度的形成和其他物理力学性质 起着至关重要的作用，因此要了解碱渣的强度形成机理，就必须搞清楚孔隙水与 碱渣颗粒的相互作用。通过碱渣与碱渣拌和其他材料形成的碱渣土的微观结构的 比较，来搞清碱渣颗粒与拌和材料颗粒相互作用的机制。 所以，以下主要研究碱渣的基本成分及生产形成过程，碱渣与水相互作用机 制，进而得出碱渣强度形成机理，同时也将碱渣制工程上的微观结构与碱渣的微 观结构进行比较，以期搞清楚碱渣颗粒与拌和材料颗粒相互作用的机制。 2 1 碱渣的形成过程及基本组成 2 1 1 碱渣的生成与堆存环境”1 天津碱厂的碱渣是在氨碱法生产纯碱过程中蒸氨工序所产生的废渣。 备步主要反应如下： ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) c a c 0 3 = c a o + c 0 2 1 、 c a o + h z 0 = c a ( o h ) 2 c 口( 0 日) 2 + n h 4 c l 上= c a c l 2 + 。h 3 + h 2 0 ( 0 h ) 2 + c q = c a c 0 3 + h 2 0 n h 4 h c 0 3 十n a c i = n a h c o , l + n h 。c l 2 n a h c 0 3 = n a 2 c o , + 何2 0 + c 0 2t 新排出的碱渣废液由管道输送到渣场的浆池中进行沉淀，然后再把沉淀后的 清液排出。这样沉淀出的废渣一层层向上堆积，日积月累，已形成了占地面积 清液排出。这样沉淀出的废渣一层层向卜堆积，日积月累，已形成了占地面积 第二章碱渣的微观结构及强度形成机理 第二章碱渣的微观结构及强度形成机理 根据以往治理碱渣的经验，要想全面彻底地认识碱渣，合理地应用碱渣，就 得从碱渣的基本成分及生产形成过程和环境着手，搞清楚碱渣的原始颗粒结晶特 征，以及碱渣的微观结构和强度形成机理，从根本上了解碱渣，进而明确新堆积 的碱渣有利和不利的工程性质，为治理方案的实施打下基础。 碱渣在完全风干后，变成非常松脆的多孑l 介质，一触即碎，几乎没有什么强 度。经过对碱渣的多次实验可知，当碱渣具有一定的含水量时，碱渣作为工程土 应用时表现出较高的强度参数( 粘结力和内摩擦角) 、较低的压缩性和较大的渗 透性。这表明，碱渣颗粒间的孔隙中的水对碱渣强度的形成和其他物理力学性质 起着至关重要的作用，因此要了解碱渣的强度形成机理，就必须搞清楚孔隙水与 碱渣颗粒的相互作用。通过碱渣与碱渣拌和其他材料形成的碱渣土的微观结构的 比较，来搞清碱渣颗粒与拌和材料颗粒相互作用的机制。 所以，以下主要研究碱渣的基本成分及生产形成过程，碱渣与水相互作用机 制，进而得出碱渣强度形成机理，同时也将碱渣制工程土的微观结构与碱渣的微 观结构进行比较，以期搞清楚碱渣颗粒与拌和材料颗粒相互作用的机制。 2 1 碱渣的形成过程及基本组成 2 1 1 碱渣的生成与堆存环境阳3 天津碱厂的碱渣是在氨碱法生产纯碱过程中蒸氨工序所产生的废渣。 各步主要反应如下： ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) c a c 0 3 = c a o + c 0 2 个 c a o + h 2 0 = c a ( o h ) 2 c a ( o h ) 2 + n h 4 c ij ，= c a c l 2 + 埘3 + h 2 0 c a ( o h ) 2 + c o z = c a c 0 3 + h 2 0 n h 4 h c q + n a c l = n a h c 0 3 + n h t 2 n a h c 0 3 = n a 2 c 0 3 + h 2 0 + c 0 2 个 新排出的碱渣废液由管道输送到渣场的浆池中进行沉淀，然后再把沉淀后的 清液排出。这样沉淀出的废渣一层层向上堆积，日积月累，已形成了占地面积 第二章碱渣的微观结构及强度形成机理 0 7 k i n 2 ，高1 5 m 的“三号汪子”碱渣山。并且从第三步反应式可以看出，新堆 积的碱渣的主要成分是o a ：和c a c o ，。 2 1 2 碱渣的化学成分“3 碱渣的化学成分含量检测结果如表2 - 1 所示： l 成分 c a c 0 3c a s 0 4f 昂f 与 c a 0n a c ， a 移。，岛0 3s i 0 2 彤f ( o h ) 2以0 l 含量 4 5 63 9 1 0 51 0 32 73 00 77 89 06 3 由表中结果可知，碱渣的主要化学成分为难溶的盐类，包括c a c 0 3 ，c a s g 及铝，铁，硅的氧化物，它们都可作为土骨架的组成部分， 而c a c 0 3 可在土颗 粒间产生胶结作用，与老碱渣基本相同。其它成分如c a c l ：，n a c i 等易溶于水， 在长期淋洗过程中逐渐减少。因此由化学分析结果来看，碱渣自身即可成为工程 土。 2 2 碱渣和碱渣与粉煤灰( 按9 2 ：8 的比例) 拌和制工程土的微观结构 比较 2 2 1 碱渣的微观结构”卜 为了了解碱渣的微观结构，采用了差热分析、能谱分析、x - 射线衍射分析和 电镜扫描等多种手段对碱渣的微观结构进行了较为全面的研究。分析研究结果如 下： 1 、差热分析结果 采用差热分析得出的差热曲线见图2 - 1 所示。从图中可以看出，差热曲线上 在4 3 3 。c 和8 5 7 对应有两个吸热谷，说明固态物质为霰石( 文石) ，它是结晶不 良的c a c g ，在空气中易转化为方解石。曲线上1 3 8 尚有一极发育的低温吸热 谷，说明固体废料中含有大量分子水。 2 、x 一射线衍射试验结果 将经较长时间风干的固态粉末进行x 一射线衍射试验，结果见图2 - 2 所示。 衍射谱图的特征表明，固态物质为方解石。 第二章碱渣的微观结构及强度形成机理 3 、能谱分析结果 能谱分析结果如图2 3 所示。由能谱曲线可知，碱渣主要成分为c a c o 。，其 次为氯化物c a c i ：、n a c t 和少量氧化物如戤馥等。 4 、扫描电镜分析结果 在扫描电镜下进行了观察，能比较直观地观察碱渣的微观结构。为了保持碱 渣的天然结构，我们直接从碱渣渣场取样，自然风干，然后在扫描电镜下进行观 察。同时，为了更清晰地观察碱渣的单个颗粒，我们把风于的碱渣放在丙酮中， 用超声波将其击散，然后在电镜下进行观察，再次配合进行了能谱分析，说明了 其成分。 图2 - 1 碱渣的差热分析曲线 第二章碱渣的微观结构及强度形成机理 图2 2 碱渣x 一射线衍射试验结果 t n s o og e o l o g yl n 盯r r u t eee l 托【血p o f r i2 7 一f f u 昏9 3 o s c a 一r r舨竹一 扒一、 图2 - 3 碱渣的能谱分析结果 第二章碱渣的微观结构及强度形成机理 图2 0 碱渣的整体形貌图2 - 5 碱渣单体颗粒的形貌 围2 - 6 碱渣颗粒表面形貌 从图2 - 4 可以看出，碱渣的结构比较松散，表面粗糙，孔隙多而且大，成蜂 窝状，颗粒之间连接不紧密。从图2 5 和2 - 6 可以看出，碱渣颗粒是由更细小的、 粒径在2 - 5 肿的颗粒团聚而成，它们以文石为主，还有氢氧化镁、硫酸钙等结 晶物。团聚体粒径大部分在o o i 一0 0 7 4 m n l 之间，属粉粒范围。团聚体表面结构 复杂，有孔隙，但连接紧密，其结构不易破坏，经超声波处理后，仍能保持完好。 这些颗粒起到了土骨架的作用，这是碱渣能够用于填垫工程的基础。碱渣团聚体 的这些特性决定了碱渣的宏观性质： l 、团聚体表面的孔隙对孔隙水有强烈的吸附作用，这是碱渣含水量非常大 的根本原因。 2 、团聚体表面的孔隙以及团聚体间孔隙的存在，使得碱渣的孔隙比非常大， 但是用于压缩时，团聚体内部的孔隙不被破坏，所以碱渣的压缩性相对于其颗粒 组成( 以粉粒为主) 来说是正常的。 3 、由于碱渣颗粒间结构松散，孔隙大，渗透性好，所以采用真空预压加固 所需时间较短。但又由于团聚体对水的强烈吸附，而且碱渣骨架的刚度较大，所 以真空预压完成后，碱渣的含水量仍然很大，达1 0 0 以上。 第二章碱渣的微观结构及强度形成机理 2 2 2 碱渣与粉煤灰( 按9 2 ：8 的比例) 拌和制工程土的微观结构 根据以前的实践证明，将碱渣与其它材料( 如粉煤灰、增钙灰、水泥等) 拌 和后，晾晒至( 或接近) 最优含水量，其表观和物理力学性质都有较大的改善， 效果远优于原位加固效果。因此，此处对碱渣与粉煤灰拌和制工程土进行分析， 对它的微观结构给以研究，通过与碱渣微结构的比较，以期搞清楚碱渣颗粒与拌 和材料颗粒相互作用的机制。 图2 7 是碱渣与粉煤灰( 按9 2 ：8 的比例) 拌和制工程土的扫描电镜分析图， 比较图2 - 8 纯碱渣的微观结构，可以很清楚地看出，适量粉煤灰的掺入可以填充 碱渣颗粒间的孔隙，吸收碱渣中的水分，对提高碱渣土的干容重和强度，改善其 表观，都起着较大作用。而且此比例对孔隙的填充较为合适，后面将进一步研究 此拌和比下的碱渣土的工程性质。 图2 7 碱渣与粉煤灰( 按9 2 ：8 的比例)图2 8 纯碱渣的微观结构 拌和制工程土的微观结构 2 3 碱渣强度形成机理 对碱渣强度形成机理的研究从两方面进行。一方面，由多次实验可知，碱渣 颗粒间孔隙中的水对碱渣强度的形成和其他物理力学性质起着至关重要的作用， 因此要了解碱渣的强度形成机理，首先就得搞清楚孔隙水与碱渣颗粒的相互作 用。另一方面是要了解碱渣的矿物成分，明白碱渣的晶体结构。以下就从这两方 面着手来研究碱渣强度形成的机理。 2 3 1 碱渣颗粒与子l 隙水的相互作用机制 为了了解碱渣颗粒与孔隙水的相互作用机制，我们参照粘土矿物颗粒与水的 相互作用来进行认识，因而以下的研究都是针对土来了解的。而要想了解孔隙水 第二章碱渣的微观结构及强度形成机理 与矿物颗粒的相互作用，我们就得先来探讨双电层理论以及土中结合水的形态， 通过对这两方面的研究来了解孔隙水与矿物颗粒的相互作用： 2 3 1 1 孔隙水与矿物颗粒的相互作用 1 、双电层理论“”“”1 一般的工程用土包括各种成因的矿物颗粒( 构成骨架) 以及颗粒间孔隙中的 介质。以下我们讨论一般的土中的矿物颗粒与水的相互作用。 一般情况下，土中总是含有较多的水分。孔隙中的水可以处于液态、固态或 气态。颗粒越细，其分散度越大，水对土的性质的影响也越大。研究土中的水， 必须考虑到水的存在状态及其与颗粒的相互作用。存在于矿物的晶体格架内部或 是参与矿物构造中的水称为矿物内部结合水，它只有在比较高的温度下才能化为 气态水而与矿物颗粒分离。从工程性质上看，可以把内部结合水当作矿物颗粒的 一部分。 绝大多数物质与极性介质( 如水) 相接触时，在二相的界面上都获得电荷， 因而造成界面电位差，土颗粒表面一般带有负电荷，围绕颗粒形成电场，在颗粒 电场范围内的水分子和水溶液中的阳离子一起吸附在矿物颗粒比表面。因为水分 子是极性分子，它被颗粒表面电荷或水溶液中的离子电荷的吸引而定向排列。颗 粒周围水溶液的阳离子，一方面受到颗粒所形成电场的静电吸引力作用，另一方 面又受到布朗运动的扩散力作用。在最靠近颗粒表面处，静电引力最强，把水化 离子和极性水分子牢固地吸附在颗粒表面上形成固定层。在固定层外围，静电引 力比较小，因此水化离子和极性分子的活动性比在固定层中大些，形成扩散层。 固定层和扩散层中所含的阳离子与颗粒表面负电荷一起即构成双电层。 在颗粒与水溶液分界面上产生的最大电位称为热力电位( s 电位) 。它决定 于颗粒和水溶液的成分以及相互作用时的环境。在固定层与扩散层的分界面上的 电位称为电动电位( f 一电位) 。f 一电位比, f f 电位小得多，当占电位为一定数 值时，f 一电位越大，说明扩散层水膜厚度越大。扩散层的厚度对碱渣的特性影 响很大。 水溶液中的反粒子( 阳离子) 的原子价越高，它与颗粒之间的静电引力越 强，则扩散层厚度越薄，而f 一电位越低。在工程实践中，可以利用这种原理来 改良土质，例如用三价及二价离子( 如f c 3 + 、a 1 2 + 、c e + 、m 9 2 + ) 处理粘土，使 得它的扩散层变薄，从而增加土的稳定性，减少膨胀性，提高土的强度；有时， 可用含一价离子的盐溶液处理粘土，使得扩散层增厚，而大大降低土的渗透性。 2 、土中水的结合形态。2 第二章碱渣的微观结构及强度形成机理 从上述双电层的概念可知，反离子层的结合水分子和交换离子，越靠近颗粒 表面，则排列得越紧密和整齐，活动也越小。因而，结合水可分为强结合水和弱 结合水两种。强结合水是相当于反离子层的内层( 固定层) 中的水，而弱结合水 则相当于扩散层中的水。 ( 1 ) 强结合水 强结合水是指紧靠颗粒表面的结合水。它的特征是：没有溶解能力，不能传 递静水压力，只有吸热变成蒸汽时才能移动。这种水极其牢固地结合在颗粒表面 上，其性质接近于固体，密度约为1 2 2 4 9 c m 3 ，冰点为7 8 。c ，具有极大的粘滞 度、弹性和抗剪强度。如果将干燥的土移动在天然湿度的空气中，则土的重量将 增加，直到土中吸着的强结合水达到最大吸着度为止。颗粒越细，则其比表面积 越大，最大吸着度也就越大。砂土的最大吸着度占土粒重量的1 ，而粘土则可 达1 7 ，粘土中只含有强结合水时，呈固体状态，磨碎后则呈粉末状态。 ( 2 ) 弱结合水 弱结合水紧靠于强结合水的外围形成一层结合水膜。它仍然不能传递静水压 力，但水膜较厚的弱结合水能向相邻近的较薄的水膜缓慢移动。当土中含有较多 的弱结合水时，土则具有一定的可塑性。砂土的比表面积较小，几乎不具有可塑 性，而细粒土( 包括粘土和碱渣土等) 的比表面积较大，其可塑性的范围就较大。 弱结合水离颗粒表面越远，其受到的电分子吸引力越弱小，并逐渐过渡到自 由水。 ( 3 ) 自由水 自由水是存在于颗粒表面电场影响范围以外的水。它的性质和普通水一样， 能传递静水压力，冰点为o * c ，又有溶解能力。 自由水按其移动所受作用力的不同，可以分为重力水和毛细水。 2 3 1 2 碱渣颗粒与孔隙水的相互作用 碱渣颗粒与孔隙水的相互作用机制与孔隙水与土颗粒的相互作用机制相同， 根据双电层理论，孔隙中的水中的阳离子的原子价越高，电解质浓度越大，则它 与矿物质颗粒之间的静电引力越强，扩散层厚度越薄。这是因为扩散层与溶液中 的离子浓度差别减小的关系，将有更多的阳离子进入固定层，而扩散层的离子数 目降低，导致了电动电位的下降。碱渣是由碱渣废液凝聚而成，其颗粒间的水溶 液中可溶盐c a c l 2 含量在1 5 0 9 1 以上，从而可知碱渣孔隙水的c a 2 + 离子浓度相对 大，造成围绕碱渣颗粒的双电层的f 一电位极低，所以，碱渣有较高的强度和稳 定性。 第二章碱渣的微观结构及强度形成机理 2 3 2 碱渣的矿物成分“4 1 据前面的微观结构分析，碱渣的主要成分是文石形态的c a c 0 3 ，而文石构造 不稳定，在空气中易转变为方解石，形成副象。为了搞清碱渣的强度形成机理， 就有必要研究文石和方解石的结晶特征。 1 、文石 成分：c a c 0 3 化学组成：c a o5 6 0 3 ，c 0 24 3 9 7 。类质同象混入物有s r ( 可达5 6 ) 、 m g 、f e 、z n 和p b 等。 形态：柱状及板状晶体常见，常为三连晶，断面呈假六边形，集合体常为棒 状、发射状。生物介质中的珍珠层就是由文石薄片组成的( 珍珠也是由文石组成 的) ，如图2 9 ( a ) 。 物理性质：白色或被染为各种颜色。玻璃光泽，平行面有不完全的解理，相 对密度较大于方解石。 成因：文石远少于方解石，为低温矿物之一。是热液作用后期产物。更多的 是由沉淀作用生成。文石构造不稳定，常转变成方解石，形成副象。 鉴定特征：晶形、解理均与方解石不同。加h c l 起泡猛烈，在c o ( n 0 3 h 溶 液中煮沸，矿粉染成紫色( 方解石不染色) 。 晶体结构：文石为斜方晶系的晶体结构，其中的( c o a ) 。的三角形平面是 平行的，c a 的配位数为9 ，a 2 + 和( c 0 3 ) 2 是按六方最紧密堆积的方式排列的， 如图2 - 9 ( b ) 。 画眵 ( a ) 文石晶体形状 ho _ - | 巳oc ( b ) 文石的晶体结构 图2 - 9 文石晶体 2 、方解石 成分：c a c 0 3 化学成分：c a o5 6 0 3 ，c 0 24 3 9 7 。常含m g 、f e 等类质同象混入物，相 应有锰方解石、铁方解石等异种。 形态：晶体形态多样，常见的有单形为菱面体、复三角面体、六方柱和平行 第二章碱渣的微观结构及强度形成机理 双面，如图2 - l o ( a ) 。 物理性质：通常为白色，有时被f e 、c u 和m n 等元素染成浅黄、浅红、紫 褐等色。硬度为3 ，相对密度为2 6 2 9 。 成因：方解石是地壳中分布最广的矿物之一，有沉淀型、热液型等多种成因。 晶体结构：方解石为三方晶系的晶体结构，碳酸盐矿物晶体结构中的特点是 具有络阴离子( c 0 3 ) 2 - ，( c 0 3 ) 2 。呈等边三角形，碳作为阳离子位于三角形的中 央，三个氧离子围绕碳分布在三角形的三个角顶上，c ，0 之间以共价键联系，故 这种络阴离子是很稳定的，如图2 1 0 ( b ) 。( c 0 3 ) 2 。的半径为2 5 7 a ，比一般的阴 离子大些，但比其它络阴离子又小些。因此，与之结合的金属阳离子大多是半径 比较大，电价又不太高的阳离子。 回固 霸 ( a ) 方解石晶体形状 膪、 l 氅 签 迹 (耄 b 一懂i # ( b ) 方解石晶体结构 图2 一l o 方解石晶体 2 3 3 碱渣强度形成机理分析呻 以下我们就结合碱渣与水相互作用机制以及碱渣的矿物成分探讨碱渣作为 工程土应用时强度的形成机理。 1 、碱渣颗粒与水形成的双电层f 一电位 第二章碱渣的微观结构及强度形成机理 碱渣是由碱渣废液凝聚而成，碱渣孔隙水的c a 2 + 离予浓度相对大，所以围绕 碱渣颗粒的双电层的f 一电位极低，因此，从双电层理论来分析碱渣有较高的强 度和稳定性。与一般粘性土相比，由于碱渣土中的f 一电位很低，扩散层很薄， 处于约束状态的弱结合水较少，因此可以自由移动的自由水多，孔隙水能够在重 力位势或压力水头作用下自由移动