纯碱渣强度形成机理与综合环境评价方法研究
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摘要
碱渣是氨碱法生产的工业废料,其堆放不仅占用大量的土地资源,而且对生态环境造成很大的污染。本文结合科研课题,针对碱渣工程应用中亟待解决的关键问题进行了研究。旨在使工业废料碱渣成为可利用的、不再对周边环境产生污染的再生资源。
为了掌握碱渣的工程性质,本文结合以往的研究成果及存在问题,进行了大量的室内试验,揭示了原状碱渣及击实碱渣强度随含水率、干密度及时间的变化规律,以及灵敏度与含水率的对应关系;通过现场填筑试验,提出了碱渣承载力的确定方法,得出了含水率与碱渣承载力特征值的关系;同时利用电镜扫瞄及相关化学分析方法,分析了碱渣的化学成分及结晶结构,阐明了碱渣强度的形成机理。并在此基础上,进行了碱渣工程应用的综合环境评价方法研究。得到以下结论:
1.碱渣是有别于天然土的特殊型土,纯碱渣wop=49.9%,对应的无侧限强度cu=48kPa;而w=90%时,cu=71.5kPa。表明碱渣在最优含水量时的强度不是其最大值,这与一般工程土有着根本的不同。
2.一般粘性土在wop时达到γdmax,其Sr≈80%左右,此时土的强度较高。而碱渣在wop时,Sr=57%,强度亦不为最大值,而当w=90%时,Sr=79%,强度达到最大值。这一点又与一般粘性土相似。
3.碱渣文石晶体成簇生长,形呈针状晶体簇,即碱渣为针状交叉结构。该针状晶簇相互交叉是高含水量碱渣仍有较高强度的原因。
4.在非饱和状态,由于击实碱渣破坏了天然碱渣颗粒之间的胶结物及针状或纤维状的文石晶体,故击实碱渣的密实度大于原状碱渣。
5.随着时间的增长,碱渣颗粒中板状或棱面体状的方解石表面有针状或纤维状的文石晶体增生,这在颗粒之间起到连接作用,加强了碱渣骨架的刚度,这是碱渣强度随时间增长的根本所在。
6.碱渣中存在着碱渣—水—电解质系统,是影响碱渣强度的主要因素,在w=90%时,孔隙中离子浓度增到最大值,颗粒间水胶连结发挥到最大程度,此点为碱渣强度的最大值点。
7.在碱渣工程应用中,采取适当的方法,可以避免对周围环境做成污染。本文研究成果对碱渣作为再生资源的利用提供了科学依据。
Alkali residue is the industrial waste produced by ammonia soda process. If this waste cannot be dealt with properly, it will not only occupy a large amount of land resources but also cause serious pollution to our ecological environment. In this paper, the key problem to be solved urgently in the application of the alkali residue in engineering practice is studied. The objective of the study is to make the industrial waste alkali residue become a kind of resources which can be reused and doesn’t pollute the environment.
In order to investigate the engineering properties of alkali residue, a lot of laboratory tests are carried out on the basis of the analysis of previous studies and existing problems. The variation of the strength of in-place and compacted alkali residue with its water content, dry density and time is studied and the correspondence between the water content and the sensitivity is also revealed by the tests. In addition, the method to determine the bearing capacity of alkali residue is proposed and the relation between the water content and the characteristic root of the bearing capacity of alkali residue is obtained through the field tests. At the same time the chemical constitution and crystal structure of alkali residue is analyzed and how the strength of alkali residue forms is explained by the use of electron scanning technique and the corresponding chemistry analytical methods. On this basis, compressive environmental evaluation methods in the engineering application of alkali residue are investigated and the following conclusions can be drawn:
1. Alkali residue is a kind of special soil which is different from natural soil. The unconfined shear strength of pure alkali residue is 48kPa whose optimum water content is 49.9%. While when w=90%, cu=71.5kPa. This indicates that the shear strength at the optimum water content isn’t the maximum, which is significantly different from common soil in engineering practice.
2.γdmax is got when the water content is wop for common clay and its shear strength is high when the saturation degree is about 80 percent. When the optimum water content of alkali residue is reached, Sr=57%,and the shear strength is not the maximum. But when w=90%, Sr=79%,and the strength of alkali residue reaches maximum, which is similar to common clay.
3. Aragonite crystals in alkali residue are acicular, which makes it be the acicular cross structure. And acicular crystals cross reciprocally is the reason why the shear strength value is big for alkali residue with high water content
4. When alkali residue is unsaturated, cement between natural alkali residue particles and aragonite crystals which are acicular or sinewy are destroyed by compaction. Therefore, shear strength of compacted alkali residue is higher than that of natural one.
5. With time going on, acicular or sinewy aragonite crystals will overgrow on the calcite surfaces which are platelike or prismatic in alkali residue, which will make the particles to connect with each other and increase the rigidity of the structure of alkali residue. This is the fundamental reason why the strength of alkali residue increases with time.
6. Alkali residue-water-electrolyte system is the main factor affecting the shear strength of alkali residue. When w=90%, ion concentration reaches the maximum value in the pores and the water cements between particles becomes the strongest, which makes the shear strength of alkali residue reach maximum when w=90%.
7. The pollution to the environment can be avoided by adopting appropriate approaches in the application of alkali residue in engineering practices.
The researches in this paper provide scientific data for the use of alkali residue as reclaimed resources, which is of vital importance for its engineering application.
为了掌握碱渣的工程性质,本文结合以往的研究成果及存在问题,进行了大量的室内试验,揭示了原状碱渣及击实碱渣强度随含水率、干密度及时间的变化规律,以及灵敏度与含水率的对应关系;通过现场填筑试验,提出了碱渣承载力的确定方法,得出了含水率与碱渣承载力特征值的关系;同时利用电镜扫瞄及相关化学分析方法,分析了碱渣的化学成分及结晶结构,阐明了碱渣强度的形成机理。并在此基础上,进行了碱渣工程应用的综合环境评价方法研究。得到以下结论:
1.碱渣是有别于天然土的特殊型土,纯碱渣wop=49.9%,对应的无侧限强度cu=48kPa;而w=90%时,cu=71.5kPa。表明碱渣在最优含水量时的强度不是其最大值,这与一般工程土有着根本的不同。
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4.在非饱和状态,由于击实碱渣破坏了天然碱渣颗粒之间的胶结物及针状或纤维状的文石晶体,故击实碱渣的密实度大于原状碱渣。
5.随着时间的增长,碱渣颗粒中板状或棱面体状的方解石表面有针状或纤维状的文石晶体增生,这在颗粒之间起到连接作用,加强了碱渣骨架的刚度,这是碱渣强度随时间增长的根本所在。
6.碱渣中存在着碱渣—水—电解质系统,是影响碱渣强度的主要因素,在w=90%时,孔隙中离子浓度增到最大值,颗粒间水胶连结发挥到最大程度,此点为碱渣强度的最大值点。
7.在碱渣工程应用中,采取适当的方法,可以避免对周围环境做成污染。本文研究成果对碱渣作为再生资源的利用提供了科学依据。
Alkali residue is the industrial waste produced by ammonia soda process. If this waste cannot be dealt with properly, it will not only occupy a large amount of land resources but also cause serious pollution to our ecological environment. In this paper, the key problem to be solved urgently in the application of the alkali residue in engineering practice is studied. The objective of the study is to make the industrial waste alkali residue become a kind of resources which can be reused and doesn’t pollute the environment.
In order to investigate the engineering properties of alkali residue, a lot of laboratory tests are carried out on the basis of the analysis of previous studies and existing problems. The variation of the strength of in-place and compacted alkali residue with its water content, dry density and time is studied and the correspondence between the water content and the sensitivity is also revealed by the tests. In addition, the method to determine the bearing capacity of alkali residue is proposed and the relation between the water content and the characteristic root of the bearing capacity of alkali residue is obtained through the field tests. At the same time the chemical constitution and crystal structure of alkali residue is analyzed and how the strength of alkali residue forms is explained by the use of electron scanning technique and the corresponding chemistry analytical methods. On this basis, compressive environmental evaluation methods in the engineering application of alkali residue are investigated and the following conclusions can be drawn:
1. Alkali residue is a kind of special soil which is different from natural soil. The unconfined shear strength of pure alkali residue is 48kPa whose optimum water content is 49.9%. While when w=90%, cu=71.5kPa. This indicates that the shear strength at the optimum water content isn’t the maximum, which is significantly different from common soil in engineering practice.
2.γdmax is got when the water content is wop for common clay and its shear strength is high when the saturation degree is about 80 percent. When the optimum water content of alkali residue is reached, Sr=57%,and the shear strength is not the maximum. But when w=90%, Sr=79%,and the strength of alkali residue reaches maximum, which is similar to common clay.
3. Aragonite crystals in alkali residue are acicular, which makes it be the acicular cross structure. And acicular crystals cross reciprocally is the reason why the shear strength value is big for alkali residue with high water content
4. When alkali residue is unsaturated, cement between natural alkali residue particles and aragonite crystals which are acicular or sinewy are destroyed by compaction. Therefore, shear strength of compacted alkali residue is higher than that of natural one.
5. With time going on, acicular or sinewy aragonite crystals will overgrow on the calcite surfaces which are platelike or prismatic in alkali residue, which will make the particles to connect with each other and increase the rigidity of the structure of alkali residue. This is the fundamental reason why the strength of alkali residue increases with time.
6. Alkali residue-water-electrolyte system is the main factor affecting the shear strength of alkali residue. When w=90%, ion concentration reaches the maximum value in the pores and the water cements between particles becomes the strongest, which makes the shear strength of alkali residue reach maximum when w=90%.
7. The pollution to the environment can be avoided by adopting appropriate approaches in the application of alkali residue in engineering practices.
The researches in this paper provide scientific data for the use of alkali residue as reclaimed resources, which is of vital importance for its engineering application.
引文
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