碱渣拌合物工程特性研究★

马纯杰 张欣然 韩 磊 郭燕文

(1.潍坊市建筑设计研究院有限责任公司，山东潍坊 261041; 2.山东大地建筑规划设计有限公司寿光分公司，山东潍坊 261041;3.山东景城建筑规划设计有限公司，山东潍坊 261041; 4.中瀚国际建筑设计顾问有限公司，山东青岛 266000)

1 概述

碱渣是氨碱法生产纯碱过程中产生的一种工业废料［1］。伴随着纯碱的生产，每年都会产生大量的碱渣。目前为止，国内外对碱渣废料的处理没有统一有效的方法，大多数碱厂认为碱渣用处不大，本身又无毒，不值得回收利用，一般经管道输送至贮渣场进行存储。但碱渣成分和性质复杂而特殊，特别是含高浓度的腐蚀性氯离子，对当地经济及区域性生态环境造成不利影响［2］。

基于上述研究背景，国内外学者一直致力于寻找碱渣资源化再利用的有效方法，如碱渣土壤改良剂［3-6］，碱渣建筑材料添加剂［7-9］等，该方法虽在一定程度上消耗了碱渣，但均不能大规模、低成本地利用碱渣。20世纪90年代，日本将碱渣与粉煤灰拌合制成工程土应用于当地的填海造路，取得了一定效果［10］;国内方面，娄性义等(1999)，张明义等(2003)对青岛碱厂碱渣废料进行了室内试验，并对其与粉煤灰拌合物工程特性进行了研究［11，12］;闫澍旺等(2006)结合天津碱厂实际情况，将其与粉煤灰拌合制成工程土进行低洼地区的填垫，并对填垫后工程土性状进行检测，效果较好［13］;田学伟等(2009)对唐山碱厂碱渣废料制作工程土进行了研究［14］。本文针对山东海化碱厂碱渣存放的实际情况，对其分别与粉煤灰、石灰拌合物的工程特性进行研究，为其应用于工程实际提供技术依据。

2 碱渣物理力学性质及微观结构分析

2.1 碱渣物理力学性质分析

山东海化碱厂现有渣池已储存2 000多万吨纯碱的蒸氨废渣和废盐泥，总固体废料约4 000多万立方米，渣场高度已达14 m，占地约4 km2，天然状态下碱渣呈白色膏状物体。现场取样后测得膏状碱渣含水量大于200%，液限大于90%，塑限在60%左右，物理性状与一般工程土差别很大，不能直接作为工程土使用。风干后表层碱渣通常以松散的粉末状存在，孔隙较大，强度几乎为零。深层处碱渣因表面存在粒径为2 μm～5 μm的结晶物，通常以团聚体的形式存在，含水量仍然较高。

研究表明碱渣主要化学成分为碳酸钙及铝、铁、硅等氧化物，这些氧化物大部分为难溶的盐类且含量相对较高，而氯化钙、氯化钠等易溶于水的物质则含量相对较少。但是难溶的盐类物质吸水性较强，且易潮解，导致深层碱渣含水量较高。同时难溶盐类具有很强的腐蚀性，对碱渣堆放区域的生态环境造成不利影响。

2.2 碱渣颗粒粒径分析

为了解碱渣的粒度成分，取深层碱渣土试样两份，烘干碾细后采用激光粒度分析仪分别进行颗粒分析试验。分析可知，碱渣试样颗粒粒径曲线较为平滑，颗粒粒径介于0.5 μm～70.0 μm 之间。其中，粒径分布在0.5 μm ～10.0 μm 颗粒所占百分比约为60%，10.0 μm ～35.0 μm 间的颗粒约占35%，35.0 μm ～70.0 μm间的颗粒约占5%，粒径分布较好，利于与其他材料拌合形成工程土。

2.3 碱渣微观结构分析

取深层团聚状碱渣碾细晾干后加入丙酮，利用超声波技术将其击碎，然后在电镜下进行观察，这样可以清楚地观察到单个碱渣颗粒的排列。图1表示放大3 000倍后电镜下碱渣图像。可以看出，碱渣表面较粗糙，内部孔隙较大，碱渣呈蜂窝状存在。单个碱渣颗粒之间以点接触方式为主，颗粒之间虽有针状文石起到胶结作用，但胶结作用并不明显，在环境变化等因素影响下，文石很容易变为方解石，造成碱渣颗粒的团聚。团聚后碱渣强度较高，较难破坏。团聚体对碱渣起到了骨架作用，为碱渣工程应用提供了基础。

3 碱渣拌合物室内试验研究

3.1 碱渣与粉煤灰拌合物工程特性

取堆放场区深层碱渣试样，经烘干、碾细后与粉煤灰按照固体重量比 5∶5，6∶4，7∶3，8∶2 拌合，进行不同配比条件下碱渣—粉煤灰拌合物的击实试验，并利用WY-4型土壤贯入仪对击实后土样进行密实度检测，以确定不同配比碱渣—粉煤灰拌合物最优含水量、最大干密度及强度情况。

图2表示不同配比碱渣—粉煤灰拌合物的击实曲线。分析可知，粉煤灰的加入对碱渣—粉煤灰拌合物含水量及干密度均具有一定影响，但不同配比碱渣土最优含水量介于60% ～70%之间，最大干密度介于0.83～0.92之间，相差不大。最优含水量区间范围内，5∶5及7∶3两种配比碱渣拌合物最大干密度大于6∶4及8∶2配比碱渣拌合物。

图2 不同配比碱渣土的击实曲线

以固体含量最优配比7∶3对碱渣与粉煤灰进行拌合，并按照最优含水量63.5%配制试验土样，进行纯碱渣与最优配比碱渣—粉煤灰拌合物的无侧限抗压强度对比试验。分析可知，相比纯碱渣，7∶3配比碱渣—粉煤灰拌合物养护14 d后无侧限抗压强度约为0.26 MPa，为纯碱渣强度的6.5倍。可见7∶3配比碱渣土—粉煤灰拌合物无侧限抗压强度较纯碱渣有较大幅度提高，力学性能改善明显，可以应用于工程实际。

3.2 碱渣与石灰拌合物工程特性

石灰具有一定的活性，广泛应用于建筑物基础、地面垫层及道路路面基层的施工等方面，因此可通过碱渣中添加一定量石灰粉来提高碱渣拌合物的工程力学性质。

试验过程中将碱渣与石灰粉烘干碾细后按照石灰粉占碱渣固体含量1%，3%，5%，7%及9%拌合制备碱渣—石灰拌合物，养护14 d后进行无侧限抗压试验，以测定不同石灰粉含量条件下碱渣土强度变化规律。碱渣—石灰粉拌合物无侧限抗压强度随石灰粉含量变化情况如图3所示。

由图3可以看出，石灰粉对碱渣强度提高效果显著。当加入石灰粉的质量比介于1% ～3%时，碱渣强度提高不明显，提高幅度约为38.8% ～52.3%;随着加入石灰粉量的增加(3% ～7%)，碱渣强度提高至0.241 MPa，增长幅度约为516.6%;石灰粉质量比达到7%以后，碱渣强度随石灰粉含量增加变化不大，趋于稳定。可见，碱渣中石灰粉含量为7%时，碱渣强度最高，石灰粉占碱渣固体含量最优百分比为7%。

图3 碱渣—石灰拌合物强度随石灰粉含量变化曲线

4 结语

1)天然碱渣含水量高，物理力学性状与一般工程土差别较大，不能直接作为工程土使用。但其主要成分碳酸钙等氧化物为碱渣提供了骨架成分，同时良好的粒径分布为碱渣的工程应用提供了基础。

2)粉煤灰对碱渣力学性能影响较大。碱渣与粉煤灰固体含量配比7∶3时，拌合物最优含水量及最大干密度分别为0.64，0.88时效果最好;最优配比条件下养护14 d后拌合物无侧限抗压强度约为纯碱渣的6.5倍，力学性能改善明显。

3)研究表明，碱渣中石灰粉含量为7%时，拌合物强度最高。养护14 d后碱渣—石灰拌合物无侧限抗压强度约为纯碱渣的6.1 倍，效果显著。