工业固体废弃物加固含盐砂砾土初步试验研究

彭 宁 刘 涛 余宗杰

（新疆农业大学，新疆 乌鲁木齐830052）

我国2019 年工业固体废弃物产量约为35.43 亿吨，综合利用率约为55.02%，总体来看我国工业固废的综合利用率还应提高[1]。在新疆地区，特殊的气候条件和地下水矿化度较高的水文地质条件是造成土壤盐渍化的主要因素[2]。为了合理利用土地资源，许多工程项目都需要建设在盐渍土地区，如何确保工程的安全进行就需要对盐渍土的工程性质去做更加完善的研究。在人工配制含盐砂砾土中添加多种固废，包括粉煤灰、电石渣和脱硫石膏等以及水泥，进行对于含盐砂砾土的加固试验研究，这样一方面可以将固废利用到公路修建当中，另一方面也为盐渍地区的公路建设提出了新的方法和参考。

1 试验原料

1.1 粉煤灰

粉煤灰化学成分主要有SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO、TiO2等，大多数粉煤灰受到水泥水化生成碱性氧化物作用，其主要化学成分SiO2、Al2O3、Fe2O3等发生一系列反应，使水泥砼凝结表现出一定的强度[3]。本试验所用粉煤灰取自新疆某经济开发区典型火电厂，其化学分析见表1。

1.2 电石渣

本试验所用电石渣取自新疆某经济开发区典型火电厂，其组成如下：氢氧化钙占64～80%，其余为氢氧化镁、三氧化二铝、三氧化二铁、二氧化硅及烧失占10～20%左右。

1.3 脱硫石膏

本试验所用脱硫石膏取自新疆某经济开发区典型火电厂，脱硫石膏的主要成分为CaSO4·2H2O，是将含有硫元素的物资经高温反应后所产生的烟气通过滤硫设备从而得出的一种副产物。

1.4 水泥

文章按照国家规范规定对所使用水泥的基本参数包括初、终凝时间，抗压强度，抗折强度，比表面积等项目进行研究[4]。本次选择的是强度等级为42.5 的普通硅酸盐水泥，对于国家规范要求的各性能指标均达到要求。

1.5 砂砾土

试验所用砂砾土取自新疆某工业园区施工工地，通过进行颗粒分析试验和易溶盐试验得到以下结果。

图1 砂砾土粒径分配曲线

式中：d10为有效粒径；d60为限制粒径；Cu为不均匀系数；Cc为曲率系数。通过查阅相关规范并结合土样粒径分配曲线可以看出该砂砾料属于级配良好砾(GW)。从易溶盐试验结果可知该砂砾土属于亚硫酸盐非盐渍土，后续试验可以将其人工配置成相应的盐渍土。

1.6 其他添加剂

表1 粉煤灰化学成分分析

无水硫酸钠：Na2SO4，品质为分析纯，生产于天津风船化学试剂公司。绿色水泥改性添加剂：创福斯高科高含泥量改性核心料，添加剂量为水泥质量的0.7%。

2 试验方法

2.1 人工含盐砂砾土的配制

采用向工业园区的砂砾土添加一定剂量的无水硫酸钠来配制成人工含盐砂砾土，配制步骤如下：2.1.1 将砂砾料使用2mm圆孔筛过筛，添加一定量的蒸馏水，密封静置过筛土样24h，同时保留筛上粗颗粒土样，做好记录；2.1.2 将静置后的土样按照设计好的质量比称取相应的Na2SO4和土样，搅拌均匀使其充分混合，装入塑料袋密封7d，让盐分在土样中充分吸附；2.1.3 在7d 后将土样浸入充足的蒸馏水中，放置1-2d，使得盐分进一步溶于土样；2.1.4 将浸泡蒸馏水后的土样摊开自然风干，待风干后将土样用研钵碾碎，用2mm圆孔筛过筛得到初步人工盐渍土细颗粒土样；2.1.5 将初始粗颗粒土样与细颗粒土样按照初始比例掺配到一起，搅拌均匀就得到了试验所用的最终人工含盐砂砾土。文章配制的人工含盐砂砾土中Na2SO4的质量比为2%，按照《公路土工试验规程》中关于盐渍土盐渍化程度分类属于中盐渍土。

2.2 无侧限抗压强度试验设计

对于不同掺配比例的固废最终效果如何，文章采取L9(34)的正交表设计加固试验，这样既可以节省减少试验次数，又可以确定不同固废成分的最佳掺量。

表2 正交试验水平因素

图2 因素水平变化趋势

2.3 试验结果分析

2.3.1 从所得到的数据中可以直观看出，以极差δ 大小来判断4 种因素的相对重要顺序依次为电石渣(δ=1.26)>脱硫石膏(δ=1.23)>粉煤灰(δ=0.70)>水泥(δ=0.40)，之后就需要确定其最佳的掺配比例。2.3.2 通过分析正交试验表最终抗压强度数据可以得出：A2所对应的为6.76MPa，B2所对应的为6.96MPa，C1所对应的为7.04MPa，D2所对应的为7.07MPa，故最佳的优化配比应该是A2B2C1D2，在已经设计好的正交试验中没有相应的配比设计，所以需要补做最佳配比试验。按照A2B2C1D2配比补做试验的7d 无侧限抗压强度为7.80MPa，即在水泥掺量为3.0%、粉煤灰掺量为20.0%、电石渣掺量为4.0%以及脱硫石膏掺量为0.5%时，可以配置出7d 无侧限抗压强度为7.80MPa 的加固含盐砂砾土。2.3.3 从正交试验表最终抗压强度的均值可以看出：水泥的最佳掺量应为3.0%。同理，粉煤灰的最佳掺量应该在20.0%左右；电石渣的最佳掺量应该在4.0%左右；脱硫石膏的最佳掺量应在0.5%左右。文章采用方差分析来判断不同因素与试验结果的影响显著强弱。

(1)计算正交试验数据平方和。

(2)确定误差平方和。

文章设计正交试验将L9(34)正交表全部占用，这样会使得显著性检验时无定义，所以需抽取最小的一列平方和SA＝0.23 作为误差平方和，完成显著性检验。

表3 显著性检验方差分析

综上可知，方差分析结果与直观极差分析二者相符，确定了试验中误差较小。

3 结论

3.1 通过人工配制含盐量为2.0%的硫酸盐盐渍土，设计了详细的人工含盐砂砾土的配制步骤，保证了后续试验的正常开展。

3.2 通过正交试验设计，掺配多种固废固含盐砂砾土效果良好，同时在水泥、粉煤灰、电石渣和脱硫石膏掺量分别为3.0%、20.0%、4.0%、0.5%时，加固含盐砂砾土7d 无侧限抗压强度为7.80MPa。

3.3 首先通过极差分析确定了对于含盐砂砾土的加固效果影响强弱的成分依次为电石渣>脱硫石膏>粉煤灰>绿色高性能水泥，其次通过方差分析验证了结果的准确性，为将来盐渍土地区的施工和固废利用提供了参考。