1廢堿渣綜合利用

　　純堿是1種重要的化工原料，在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位。我國氨堿法生產(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使用[3]，用于地基、深溝、低洼地的回填等。在國外，日本的氨堿廠大多建在海邊，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，日本的宇部工廠也曾將堿渣中的CaCO3回收利用，但因能耗太高而沒有得到推廣[4]。在國內(nèi)，一些生產(chǎn)廠家和研究機(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)廢堿渣的新途徑，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。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，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(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。氨堿法純堿廠鹽水精制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，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《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ057）進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，游離氯離子測定按照化學(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(yàn)

　　土樣選擇普通農(nóng)田土，堿渣為氨堿廠廢堿渣，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。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)定土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見。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)粉煤灰活性沒有明顯激發(fā)作用，這說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大（一般從渣場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，在滿足施工規(guī)范要求的前提下（塑性指數(shù)為10～20），通過合理地調(diào)整堿渣和土的比例，都可以找到滿足強(qiáng)度要求且最經(jīng)濟(jì)的配合比，可以用來指導(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┖螅入x子的溶出率可以顯著降低。因此，用于公路建設(shè)能滿足工程要求及經(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。