礦物發(fā)熱劑對工業(yè)固廢除水效果及力學(xué)性能分析

田都喜 于世卿 黃啟龍 趙秀松 胡海華 李豪

摘 要：【目的】降低工業(yè)固廢除水成本，提高工業(yè)固廢作為土壤固化劑的經(jīng)濟效益，利用礦物發(fā)熱劑作為類似于生石灰的自發(fā)熱材料，用作工業(yè)固廢固化劑除水。【方法】利用礦物發(fā)熱劑、生石灰和天然氣分別對工業(yè)固廢固化劑進(jìn)行除水效果對比分析，并進(jìn)行穩(wěn)定土的力學(xué)性能和效益分析?！窘Y(jié)果】礦物發(fā)熱劑摻量在10%時與生石灰40%摻量的除水效果相當(dāng)，且未出現(xiàn)天然氣除水工藝中鈣鎂含量降低現(xiàn)象；礦物發(fā)熱劑對穩(wěn)定土的力學(xué)性能與生石灰相當(dāng)，遠(yuǎn)高于天然氣除水工藝；綜合成本遠(yuǎn)低于生石灰和天然氣除水工藝?！窘Y(jié)論】利用礦物發(fā)熱劑對工業(yè)固廢固化劑除水工藝具有較高的推廣應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：礦物發(fā)熱劑；發(fā)熱除水；無側(cè)限抗壓強度；間接抗拉強度；綜合成本

中圖分類號：U414.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1003-5168（2023）06-0090-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.06.018

Analysis of the Effect and Mechanical Properties of Mineral Heating Agent on Removing Water from Industrial Solid Waste

TIAN Duxi1? ?YU Shiqing1? ?HUANG Qilong1? ?ZHAO Xiusong1? ?HU Haihua1? ?LI Hao2

（1.China Railway 23rd Bureau Group 4th Engineering Co.， Ltd.， Chengdu 610000， China；

2.Henan Provincial Transportation Planning and Design Institute Co.， Ltd.， Zhengzhou 450000，China）

Abstract： [Purposes] In order to reduce the cost of industrial solid waste and improve the economic benefit of industrial solid waste as soil curing agent. As a kind of self-heating material similar to quicklime， mineral heating agent was used to remove water from industrial solid waste curing agent. [Methods] The effect of mineral heating agent、quicklime and natural gas on removing water from soil curing agent was compared and analyzed， the mechanical properties and benefits of stabilized soil were analyzed. [Findings]? Mineral heating agent of dosage at 10% had the same water removal effect as quicklime at 40%， and there was no decrease in calcium and magnesium content in natural gas dehydrating process. The mechanical properties of mineral heating agent for stabilized soil were similar to that of quick lime and much higher than that of natural gas dehydrating process. The comprehensive cost of mineral heating agent was much lower than that of quicklime and natural gas. [Conclusions] Mineral heating agent has high application value in removing water from industrial solid waste curing agent.

Keywords：mineral heating agent; fever dehydration; unconfined compressive strength; indirect tensile strength; comprehensive cost

0 引言

電石渣等工業(yè)固廢是進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)時產(chǎn)生的剩余殘渣［1-2］，由于其排放量巨大，絕大部分采用聚集填埋法廢物型處置，既占用了大量場地，又由于其強堿性引起土體及水質(zhì)污染［3-4］。為響應(yīng)可持續(xù)發(fā)展要求及廢料廢渣資源化使用理念，工業(yè)固廢二次利用已得到越來越多的重視［5-7］。工業(yè)固廢作為一種廢料，含有許多與熟石灰類似［8］的成分，其主要成分為Ca（OH）2。一些學(xué)者從利用廢渣自身化學(xué)特性或潛在的膠凝性能角度出發(fā)［9-11］，對廢渣穩(wěn)定路基土展開了相關(guān)研究。工業(yè)固廢作為穩(wěn)定材料替代石灰用于路基工程，是當(dāng)前比較熱門的研究內(nèi)容，并在一些地區(qū)得到大規(guī)模應(yīng)用。目前，工業(yè)生產(chǎn)出于經(jīng)濟考慮，作為副產(chǎn)物的工業(yè)廢渣不再進(jìn)行二次處理，含水率通常達(dá)20%以上，電石渣等甚至達(dá)40%，團結(jié)在一起無法利用撒布車有效撒布，同時穩(wěn)定土內(nèi)引入大量水容易形成彈簧土，無法達(dá)到設(shè)計壓實度。因此，工業(yè)固廢使用前需要進(jìn)行除水。

本研究以礦物發(fā)熱劑作為熱源，觀察對濕基固化劑的除水效果，并將混合礦物發(fā)熱劑后的干基固化劑進(jìn)行不同養(yǎng)護(hù)時間無側(cè)限抗壓強度、間接拉伸強度等試驗，并與常用的除水工藝進(jìn)行對比，進(jìn)行效益分析，為工業(yè)固廢除水用作土壤固化劑提供基礎(chǔ)。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

1.1.1 土樣。取高速施工現(xiàn)場代表性土樣，對土樣進(jìn)行顆粒分析試驗和界限含水率試驗。主要物理指標(biāo)見表1。

由表1可知，該土樣屬于非膨脹性黏土，各項指標(biāo)均滿足相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求。

1.1.2 濕基固化劑。濕基固化劑為按一定比例由電石渣、鋼渣、脫硫石膏、鋁尾礦等配制的未進(jìn)行除水工藝的固化劑原材料混合物，各組分均來源于鄭州周邊。具體試驗結(jié)果：鈣鎂含量為48.7%，含水率為35.2%。

1.1.3 生石灰。生石灰符合Ⅰ級以上鈣質(zhì)生石灰。

1.1.4 礦物發(fā)熱劑原材料。發(fā)熱劑的原材料為鐵鋁金屬類、鹽類、活性炭、生石灰和蛭石等，均為市場上常見物品。

1.2 試驗方法

1.2.1 除水效果測試方法。現(xiàn)場利用生石灰除水工藝：批量生石灰和濕基固化劑按4∶10比例混合堆存后，快速聚集熱量，溫度急劇上升，達(dá)到快速除水的目的。實驗室條件下原材量較少，聚熱效果不明顯，除水效果遠(yuǎn)不如現(xiàn)場生產(chǎn)。因此，將礦物發(fā)熱劑與生石灰按設(shè)定比例分別與濕基固化劑混合，對比除水效果。實驗室除水試驗：礦物發(fā)熱劑或生石灰分別按設(shè)定比例與500 g濕基固化劑進(jìn)行均勻混合，6 h后測成品的含水率。

1.2.2 無側(cè)限抗壓強度。按照《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51—2009），將T0805成型5 cm*Φ5 cm無側(cè)限抗壓強度試件分成兩組，每組6個，一組進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生6 d、泡水養(yǎng)生1 d的7 d無側(cè)限抗壓強度；另一組進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生27 d、泡水養(yǎng)生1 d的28 d無側(cè)限抗壓強度。

1.2.3 間接抗拉強度試驗。按照《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51—2009），將T0806成型5 cm*Φ5 cm無側(cè)限抗壓強度試件進(jìn)行不同齡期的養(yǎng)護(hù)，在UTM-30多功能試驗機上進(jìn)行間接拉伸試驗測試，測試速度同樣設(shè)置為1 mm·min-1。

2 除水效果分析

不同物質(zhì)之間通過科學(xué)配方發(fā)生熱化效應(yīng)，產(chǎn)生的熱量作為熱源而達(dá)到發(fā)熱目的。

2.1 除水原理

礦物發(fā)熱劑對濕基固化劑除水主要分為兩步。第一步，發(fā)熱劑自身的吸水作用：發(fā)熱劑中的生石灰吸水發(fā)生消解，活性炭吸水，金屬與水發(fā)生原電池反應(yīng)；第二步，發(fā)熱蒸發(fā)除水：發(fā)熱劑持續(xù)放熱使體系溫度升高，固化劑中的水分受熱蒸發(fā)。

其中，發(fā)熱除水又大致分為以下兩步。第一步，鹽類和生石灰溶于水的放熱反應(yīng)：發(fā)熱劑中生石灰吸水可快速反應(yīng)產(chǎn)生大量熱量，部分鹽類遇水溶解、與消石灰反應(yīng)也放出大量熱；第二步，金屬原電池放熱反應(yīng)：作為主要放熱方式，還原鐵粉、鋁屑與活性炭結(jié)合，在已放出熱量的激發(fā)下，迅速形成原電池反應(yīng)，達(dá)到急劇放熱的效果。原電池反應(yīng)如下：

正極：O2 + 4e- + 2H2O = 4OH-

負(fù)極：Al - 3e- = Al3+

Fe - 2e- = Fe2+

2.2 發(fā)熱效果

稱取復(fù)配好的礦物發(fā)熱劑和生石灰50 g，分別加入水100 g，分析出每組配比的最高溫度，以及溫度超過110 ℃的持續(xù)時間，測試結(jié)果見表2。

由表2可知，生石灰與水接觸開始放出大量熱量，礦物發(fā)熱劑與水混合后約3 min時開始放熱，這是由于生石灰與水接觸直接發(fā)生生成Ca（OH）2的劇烈放熱反應(yīng)；礦物發(fā)熱劑的主要發(fā)熱過程是金屬的原電池反應(yīng)階段，礦物發(fā)熱劑中的鹽類需要溶于水形成電解質(zhì)溶液，使體系產(chǎn)生導(dǎo)電性，才能發(fā)生原電池反應(yīng)。開始放熱時間較長，可以使發(fā)熱劑與固化劑有更多的拌和時間，除水效果更加明顯，拌和操作過程更加安全。

礦物發(fā)熱劑開始發(fā)生原電池反應(yīng)后，首先鋁屑發(fā)生急劇放熱使熱量來不及散失，達(dá)到迅速聚熱的目的，礦物發(fā)熱劑最高溫度迅速達(dá)到167 ℃，遠(yuǎn)超過生石灰的124 ℃，高溫使水分迅速汽化揮發(fā)。礦物發(fā)熱劑由于原電池反應(yīng)在極短時間內(nèi)放出的熱量遠(yuǎn)高于生石灰，發(fā)生快速膨脹現(xiàn)象，如圖1所示。隨著反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行，高溫使鐵粉活性變高，同樣進(jìn)行原電池反應(yīng)持續(xù)放出熱量，溫度超過110 ℃的持續(xù)時間達(dá)到7 min，同樣高于生石灰的2 min，具有較好的持續(xù)放熱時間，使水分能夠持續(xù)揮發(fā)。

2.3 除水效果

稱取配制好的礦物發(fā)熱劑30 g、40 g、50 g、60 g、70 g、80 g、90 g和100 g分別與500 g濕基固化劑進(jìn)行混合，攪拌均勻，6 h后測試含有礦物發(fā)熱劑的固化劑的含水率，同時利用200 g生石灰混合500 g濕基固化劑做對比，除水效果見表3。

如圖2所示，隨著礦物發(fā)熱劑摻量不斷增加，除水效果越來越明顯。摻量在10%時，除水效果達(dá)到了和生石灰40%摻量基本相同的除水效果，遠(yuǎn)優(yōu)于生石灰。是由于礦物發(fā)熱劑與濕基固化劑中的水發(fā)生劇烈放熱反應(yīng)，熱量快速聚集使?jié)窕袒瘎┑乃挚焖贀]發(fā)，如圖3所示。隨礦物發(fā)熱劑摻量增加，含水率不斷降低，但含水率降低的趨勢先增加后減小，也就是說礦物發(fā)熱劑除水效率先增大后減小。這是由于摻量較低時，無法聚集較多熱量，溫度上升速率較慢，且最高發(fā)熱溫度較低，不足以使水分大量揮發(fā)，較低的溫度又進(jìn)一步限制了原電池反應(yīng)速率；隨著摻量的增加，這一狀況得到明顯好轉(zhuǎn)，摻量超過10%以后，由于水分不斷減少，濕基固化劑與礦物發(fā)熱劑混合不均，殘留的水分聚集在團聚的原材內(nèi)部，除水效率不斷降低，并且由于水分較少，大量礦物發(fā)熱劑無法與水接觸發(fā)生原電池反應(yīng)，進(jìn)一步降低了除水效率。

3 生產(chǎn)應(yīng)用

將濕基固化劑各原材料按比例摻配完成后，送入磨碎機均勻混合，并粉磨至細(xì)度50～100目；將粉磨好的濕基固化劑與礦物發(fā)熱劑按10∶1的比例在空曠場地均勻混合后，以10 t堆成一堆，堆存12 h即可，并按《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51—2009）中方法測試含水率和鈣鎂含量。并與施工用的濕基固化劑與生石灰10∶4的比例除水，以及天然氣加熱除水工藝做對比，測試結(jié)果見表4。

礦物發(fā)熱劑和生石灰除水均是依靠自身熱量，除水溫度較低，一些結(jié)合緊密的水無法完全揮發(fā)，最終干基固化劑成品含水率分別為3.7%和3.2%，略高于天然氣加熱除水的1.7%，但均已滿足路基施工的5%含水率要求，天然氣除水效率較高是由于除水溫度達(dá)到1 100 ℃，遠(yuǎn)超礦物發(fā)熱劑和生石灰自身發(fā)熱，水分迅速汽化。礦物發(fā)熱劑和生石灰除水均是依靠自身熱量，除水溫度較低，鈣鎂含量并未出現(xiàn)降低的現(xiàn)象；天然氣加熱除水，高溫下空氣中的二氧化碳與氫氧化鈣結(jié)合，使固化劑中的活性鈣鎂含量嚴(yán)重降低，極大地減弱了固化劑活性。生石灰除水工藝鈣鎂含量遠(yuǎn)高于礦物發(fā)熱劑除水，是由于生石灰中活性鈣鎂含量超過65%，濕基固化劑除水過程中引入了40%的生石灰。

4 力學(xué)性能

4.1 無側(cè)限抗壓強度

測試3種不同除水工藝生產(chǎn)的干基固化劑成品與土拌和7 d和28 d無側(cè)限強度，固化劑摻量均為3%，測試結(jié)果見表5。

不同除水工藝的固化劑7 d無側(cè)限強度分別為：礦物發(fā)熱劑除水≈生石灰除水＞天然氣加熱除水。是由于固化劑中首先起固化作用的是具有活性的Ca（OH）2等物質(zhì)，固化劑與黏土加水拌和后，液相中的Ca（OH）2很快飽和，呈堿性，電離出的Ca2+迅速和土體的活性SiO2和Al2O3發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生膠凝物質(zhì)填充土體使顆粒間的空隙更加密實，宏觀上表現(xiàn)為形成一定的初始強度。鈣鎂含量越高，初始強度就越高，礦物發(fā)熱劑除水工藝固化劑鈣鎂含量低于生石灰除水工藝，兩者7 d無側(cè)限強度接近，是因為礦物發(fā)熱劑中存在的乙酸鈣這種強堿弱酸鹽在堿性條件下同樣會產(chǎn)生大量Ca2+。

礦物發(fā)熱劑和生石灰除水工藝的固化劑28 d無側(cè)限強度同樣遠(yuǎn)高于天然氣加熱除水工藝，是由于礦物發(fā)熱劑和生石灰除水工藝的固化劑高含量的Ca（OH）2在形成初始強度的同時，以及礦物發(fā)熱劑除水反應(yīng)后生成的大量堿性物質(zhì)，會激發(fā)礦渣、鋼渣等潛在膠凝材料同樣形成強度，堿性越高效果也越明顯。

4.2 間接抗拉強度試驗

測試3種不同除水工藝生產(chǎn)的干基固化劑進(jìn)行穩(wěn)定土的7 d、28 d、60 d和90 d的間接抗拉強度試驗，測試結(jié)果見表6。

由圖4可知，同種固化劑穩(wěn)定土的間接抗拉強度隨著養(yǎng)護(hù)時間的增加而逐漸增大，并且增長速率逐漸降低，說明固化劑的早期強度增長較快，在反應(yīng)后期強度增加緩慢。固化劑中活性鈣鎂與土之間的離子交換作用、凝聚作用形成早期強度，而后期礦渣等潛在活性物質(zhì)在堿性物質(zhì)激發(fā)下對固化劑穩(wěn)定土的后期強度產(chǎn)生影響，但反應(yīng)過程相對緩慢，礦渣、鋼渣反應(yīng)的增強和持久效應(yīng)對強度提高進(jìn)一步產(chǎn)生影響，能夠持續(xù)增大改良土的穩(wěn)定性。不同除水工藝的固化劑間接抗拉強度和無側(cè)限抗壓強度具有相同的強弱順序。

5 效益分析

對三種不同除水工藝進(jìn)行成本分析，結(jié)果見表7。

成本分析結(jié)果表明，天然氣加熱工藝固化劑綜合成本達(dá)到309.0元/t，遠(yuǎn)高于其他兩種工藝。主要原因是礦物發(fā)熱劑與生石灰除水后，除水反應(yīng)產(chǎn)物作為干基成品的有效成分，極大地減少了濕基固化劑用量。生石灰每噸干基成品除水成本與天然氣除水接近，濕基原材每噸需求量減少0.6 t，綜合成本遠(yuǎn)低于天然氣除水工藝。礦物發(fā)熱劑和生石灰除水工藝中，除水材料成本遠(yuǎn)高于濕基原材料，礦物發(fā)熱劑摻加量只有生石灰的1/4，在力學(xué)性能得到有效保證的同時，綜合成本得到有效降低。

6 結(jié)論

本研究進(jìn)行礦物發(fā)熱劑和生石灰對固化劑除水效果分析；并和天然氣加熱除水工藝對比，與土拌和進(jìn)行力學(xué)性能和效益分析。得到以下結(jié)論。

①礦物發(fā)熱劑摻量在10%時，除水效果與生石灰40%摻量基本相同，達(dá)到對生產(chǎn)應(yīng)用的除水需求，除水效果明顯，實際生產(chǎn)過程除水效果符合要求，且鈣鎂含量未出現(xiàn)降低現(xiàn)象。

②礦物發(fā)熱劑除水工藝對穩(wěn)定土的力學(xué)性能與生石灰除水工藝固化劑性能相當(dāng)，遠(yuǎn)高于天然氣除水工藝。

③摻量較低的緣故，綜合成本得到有效降低，證明其應(yīng)用于固化劑除水具有極大的成本優(yōu)勢。

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