碱渣改良海相软土试验研究

邵 勇，刘小丽，朱进军

(连云港职业技术学院，江苏连云港222006)

0 引 言

工业碱渣是制碱过程中的废弃物，每生产1 t纯碱将产生0.3～0.6 t工业碱渣，对这些废弃物的处理问题一直困扰着制碱企业。2016年，我国纯碱产量为2 588.3万t，工业碱渣产量约为776.49～1552.98万t。工业碱渣直接排入河海必将对环境造成较大污染，因此大部分采取直接堆放，此举占用大量土地。许多学者对如何实现工业碱渣的资源化利用展开了研究，尤其是工业碱渣在建筑工程中的应用研究，并取得了一定成果。

(1)在水泥制品中的应用，如混凝土、水泥砂浆等。但碱渣中含有CaCl2、NaCl，其中Cl-对钢筋有腐蚀性，因此碱渣用于水泥制品宜慎重[1-3]。

(2)在制砖中的应用。由于碱渣结构松散，粘聚性差，因此在制砖时需加入其他材料来提高其整体性，一般有粉煤灰、石粉、石渣、水泥等。如果生产成本适宜，制砖不失为碱渣资源化利用的一种途径[4-5]。

(3)在制作固化剂中的应用。将碱渣与硅酸钠溶液、粉煤灰、水玻璃等混合制成固化剂，用于改良土体性质。但是，由于制作工艺和造价方面的考虑，并未得到广泛使用[6- 8]。

(4)在回填工程中的应用。将碱渣直接用于盐腔回填，或与粉煤灰、元明粉等混合，用于路基填筑。工业碱渣对含水量的变化较为敏感，失水后易粉化，遇水后强度减小，因此在回填工程中，需注意含水量的变化，以确保碱渣土的稳定性[9-11]。

工业碱渣用于膨胀土的改良取得了良好的效果[12]，但用于改良淤泥质土未见报道。因此，本文主要研究工业碱渣改良海相软土的可行性，为了对比分析，还进行了海相软土掺石灰、水泥等改良剂的试验。试验结果显示，碱渣与粉煤灰联合改良海相软土具有一定的价值，能够达到较好粘土的工程性质，且造价方面具有一定的优势。如果能够在工程建设中得到大量应用，不仅解决碱渣堆放对环境的影响问题，而且能够降低工程造价。

1 试验布置

1.1 原材料

工业碱渣的主要成分为CaCO3、MgCO3、CaCl2、NaCl、Na2SO4、CaSO4等。其中，CaCO3、MgCO3的含量占60%以上，粒径主要为0.01～0.075 mm，是一种级配不良的粉粒状物质，还是一种亲水物质，在天然状态下，碱渣液限在95%左右，塑限在45%左右。工业碱渣的压塑性较大，压缩模量约5 MPa[13-14]。微观结构分析显示，碱渣中空隙极为发育，矿物颗粒之间的连结较为松散。可以认为，工业碱渣含水率高、孔隙大、液塑限高、压缩性大，工程性质较差，直接用于工程建设的可能性较低。

本次试验碱渣取自江苏连云港碱厂，目前连云港碱渣采用了直接堆放的措施，占地面积约1 010 hm2，浪费了大量的土地面积。碱渣生产废弃液体先排放到碱渣池中，然后自然沉积。排放不久的碱渣，状态成流塑状，取样后需先进行晾晒。碱渣池现场见图1。

图1 碱渣池现场

1.2 试样制备

将海相软土取回试验室风干后粉碎，过0.5 mm筛。初步试验为加入碱渣对其进行固化试验，碱渣掺量为6%、12%、18%、24%、30%和36%，此百分比为工业碱渣与淤泥干土质量之比，两者均为风干后质量。碱渣制备过程与淤泥类似，经自然风干后粉碎，再经过0.25 mm筛。

在混合固化材料和风干淤泥材料时，将过筛土与固化材料人工混合均匀，配置含水率为30%的混合样，人工搅拌均匀后，采用静压法分3层装入内径3.91 cm、高8.0 cm的钢制模具内。试样装入模具后放入养护箱中养护，1 d后脱模，继续养护至相应龄期进行无侧限抗压强度试验，每组3个试样，结果取其平均值。

2 试验结果分析

2.1 无侧限抗压强度

图2为混合料无侧限抗压强度与碱渣掺量的关系。从图2可知，随着碱渣掺量的提高，混合料的强度随之提高，但当碱渣掺量达12%之后，混合料的强度提高速度变缓，说明碱渣的掺量达12%后继续增加，不能明显提高混合料的强度。

图2 碱渣掺量与抗压强度的关系

图3为18%碱渣含量的试样抗压强度与龄期的关系。从图3可知，龄期从0～28 d时，试样抗压强度的提高速度较快，28～90 d龄期时，试样抗压强度的提高速度较慢。

图3 抗压强度与龄期的关系

2.2 应力应变关系

图4为压缩过程中的应力应变关系。从图4可知，试样破坏时均有较大的应变，可以看出碱渣混合料具有一定的粘滞性，特别是碱渣含量较低时，试样在达20%应变时仍未见读数明显变小。图5为碱渣掺量与试样破坏应变的关系。从图5可知，随着碱渣掺量的提高，其破坏应变随着减小，碱渣含量为18%时，破坏应变在12%左右，碱渣含量为36%时，破坏应变在8%左右。

图4 不同碱渣掺量应力应变关系(28 d龄期)

图5 碱渣掺量与破坏应变的关系

图6为碱渣掺量与压缩模量的关系。海相软土的压缩模量为1.8 MPa左右，掺入碱渣后，其压缩模量明显提高，在碱渣掺入36%时，其压缩模量达到了18.2 MPa，已经达到了一般粘土的水平，说明碱渣的掺入有效改善了海相软土的压缩性能。此外，与无侧限抗压强度的发展规律一致，在碱渣掺入量达12%之后，压缩模量的提高速度有所减缓。

图6 碱渣掺量与压缩模量的关系

2.3 压实度的影响

填料的施工质量对最终的效果影响较大，在实际施工过程中，对填料的使用效果产生影响的因素诸多。因此，本次试验还进行了压实度的影响分析，分别配置了压实度为80%、85%、90%和95%等4种试样，每种试样配置6个样品，共计24个，进行无侧限抗压强度试验。样品配置过程中，受环境和人为操作等因素的影响，最终试样压实度的测试结果并不能确保精确，但通过测试，其压实度均在设定值附近，对最终研究结果无影响。测试结果见图7。

图7 压实度与抗压强度的关系

从图7可以看出，压实度对碱渣混合料的无侧限抗压强度影响较大。压实度在80%附近时，混合料无侧限抗压强度约100 kPa，而压实度达95%附近时，其无侧限抗压强度在约160 kPa。因此，在混合料实际应用过程中，宜严格控制压实度指标。

3 对比试验分析

3.1 无侧限抗压强度

表1～4为各混合料无侧限抗压强度测试结果。以最终90 d龄期为例，碱渣掺量为6%～36%的强度为121.83～232.058 kPa；掺入碱渣12%+粉煤灰3%～18%的强度为280.403～444.777 kPa；石灰掺量为3%～12%的强度为290.072～655.563 kPa；水泥掺量为3%～12%的强度为328.748～1 005.583 kPa。通过对比发现，掺入水泥的效果最好，单掺碱渣的效果最差。

图8为28 d龄期各混合料的无侧限抗压强度。从图8可以看出，固化剂的掺量越大，其强度越高；从固化剂掺量对强度的影响来看，水泥掺量的变化对强度影响最大，碱渣掺量的变化对强度影响最小；水泥掺量与强度的关系近似线性，其他3种固化剂成非线性，即掺量增大初期强度提高较快，后期较慢，说明固化剂掺量提高对强度的提高效果变弱，拐点分别为：碱渣在18%附近，碱渣+粉煤灰在12%附近，石灰在9%附近。

表1 掺碱渣无侧限抗压强度测试结果 kPa

表2 掺12%碱渣+粉煤灰无侧限抗压强度测试结果 kPa

表3 掺石灰无侧限抗压强度测试结果 kPa

表4 掺水泥无侧限抗压强度测试结果 kPa

图8 无侧限抗压强度对比

从无侧限抗压强度值来看，掺入36%碱渣与掺入12%碱渣+3%粉煤灰或掺入3%石灰的强度值相当，掺入12%碱渣+12%粉煤灰与掺入6%石灰或掺入4.5%水泥的强度值相当。

3.2 破坏应变

图9为各种固化剂掺量与破坏应变的关系(取自28 d龄期测试结果)。从图9可以看出，掺入水泥或石灰的试样破坏应变最小，均在5%以内；掺入碱渣+粉煤灰试样的破坏应变次之，在5%左右；掺入碱渣的试验破坏应变最大，在12%左右。相对而言，碱渣混合料具有一定的粘滞性，水泥及石灰混合料具有一定的脆性。

图9 固化剂掺量与破坏应变的关系

3.3 压缩模量

图10为固化剂掺量与试样压缩模量的关系，其特征与无侧限抗压强度类似。掺入碱渣后，海相软土可达到一般性粘土的性质，掺入碱渣+粉煤灰能够达到较好粘土的性质。

图10 固化剂掺量与压缩模量的关系

综合无侧限抗压强度及压缩模量来看，碱渣作为一种固化剂材料具有一定的可行性，能够有效地改良海相软土的工程性质。

4 结 语

本文通过工业碱渣改良海相软土的试验研究，得到了以下几点认识：

(1)随着碱渣掺量的提高，改良土强度随之增大，掺量达12%之后强度提高缓慢。从压缩模量来看，改良后软土能够达到一般性粘土的性质。

(2)与粉煤灰联合后，掺入12%碱渣+12%粉煤灰与掺入6%石灰或掺入4.5%水泥的强度值相当，说明碱渣和粉煤灰联合改良海相软土具有更高的利用价值。

(3)与石灰、水泥相比，利用工业碱渣来改良海相软土的造价更低。在满足工程要求的前提下，可选用工业碱渣。