田 大 作

(湖南省水利水電科學研究院，長沙 410007)

0 引 言

近年來，隨著對農村以及城鎮(zhèn)交接地區(qū)環(huán)境保護意識增強和飲用水質量改善要求的提高，人們開始有計劃的對區(qū)域內溝渠進行清淤處理。目前，我國渠道淤泥處理的主要方式為堆放填埋[1-3]和拋棄入海[4-6]兩種。但需要注意的是，現有處理方法尚會帶來一定的不良影響。首先，渠道淤泥數量大、具有一定污染性，堆放填埋會占用大面積土地，浪費土地資源，運輸成本等也相對較高[7,8]；其次，大量污染物富集在溝渠水底沉積形成的淤積泥沙中，具有較強污染性，拋入外海或填埋均會造成環(huán)境的二次污染[9]。因此，如何提出一種高效、簡單又環(huán)保的淤泥處理措施已成為渠道疏浚工程普遍存在的難點之一，而考慮渠道疏浚工程項目的不斷增多，課題研究具有顯著的工程價值和現實意義。

目前，歐美國家提出了采用固化處理淤泥的方法，且將固化處理后的淤泥用于建筑工程中，如將處固化處理后的淤泥用于路基填筑、制作磚等[10]。因此，若將固化技術引進渠道淤泥處理中，不僅有利于環(huán)境保護，同時可降低工程成本、提高工程效益，既可解決淤泥的處理問題，也有著良好的工程效益和積極的社會意義。

鑒于此，本文以洞庭湖北部垸內溝渠淤泥為研究對象，采用水泥加偏鋁酸鈉對溝渠淤泥進行固化試驗，測定其不同齡期的無側限抗壓強度，滲透系數等物理力學指標，獲得淤泥固化土的最優(yōu)配比，并對其進行電鏡掃描，獲得其微觀結構。

1 現場調研與淤泥性能測試

1.1 現場調研與分析

為了深入了解洞庭湖北部垸內溝渠情況，對垸內溝渠進行了現場調研?，F場調研發(fā)現，洞庭湖北部區(qū)垸內溝渠存在溝渠淤塞、水質惡化，岸坡雜亂等問題。

通過現場調研分析，洞庭湖北部垸內溝渠出現上述現狀的原因主要為：①垸內溝渠由于上游農田水土流失，溝渠局部被人為筑壩攔斷，水流流速小，溝渠兩岸雜草影響等原因，造成溝渠泥沙淤泥嚴重，溝渠過水能力減弱；②部分地區(qū)畜牧養(yǎng)殖業(yè)的廢物、廢水直接排放至溝渠 ，在高氣溫、低流速、無處理的情況下，溝渠水質惡化嚴重，水環(huán)境亟需改善；③溝渠數量巨大，專業(yè)人員少、經費匱乏等客觀原因，導致溝渠長期處于疏于管理甚至無人管理的狀態(tài)，日常維護基本缺失，導致溝渠環(huán)境日漸惡化。

隨著洞庭湖治理的不斷深入，出于保護環(huán)境和改善水質條件的目的，必須對這些溝渠進行清淤處理。但需要注意的是，大量污染物富集在溝渠水底沉積形成的淤積泥沙中，具有較強污染性，故不能直接采用還田方法以免對農作物生產產生安全隱患，且可能造成溝渠水體環(huán)境的二次污染；而將清出的淤泥運出處理，不僅增加運輸成本，而且確保棄土區(qū)及對棄土區(qū)的環(huán)境影響也是必須要面對的問題。因此，若能將清出的淤泥進行固化處理，不僅有利于環(huán)境保護，同時可降低工程成本、提高工程效益。

1.2 淤泥性能測試

通過對洞庭湖北部垸內溝渠淤泥進行現場取樣，對淤泥進行密度、含水率、界限含水率、孔隙比、飽和度、級配特征等物理特性測試，并對淤泥進行礦物成分分析。

(1) 含水率。含水率對淤泥性能有顯著影響，參考《土工試驗方法標準》(GB/T50123-1999)測得淤泥的含水率，測試結果見表1。

表1 淤泥含水率

(2) 密度。淤泥濕密度和干密度采用環(huán)刀法進行了測定，測試結果見表2。

表2 淤泥濕密度和干密度 g/cm3

(3) 孔隙比及飽和度。淤泥孔隙比的大小能反映淤泥的松、密程度，淤泥的孔隙比越大，淤泥越疏松，反之則淤泥越密。而淤泥的飽和度能反映淤泥的濕潤程度。故根據獲得的含水率、密度與比重等結果，根據式(1)、(2)可計算獲得孔隙比與飽和度見表4。

e=ρwGs(1+ω0)/ρ0-1

(1)

Sr=ω0/[ρw(1+ω0)/ρ0-1/Gs]

(2)

(4)顆粒級配?？紤]到淤泥顆粒大小較小，故僅采用密度計法測定0.075 mm以下的土顆粒級配，測得的粒徑組成見表4。

表4 淤泥粒徑組成

顆粒級配分析可知，淤泥粒徑分布范圍較為廣泛，顆粒級配良好。其中，粒徑小于0.075 mm占比100%，粒徑小于0.005 mm的占比20.74%，淤泥試樣中粉粒、黏粒含量高。

(5) 有機質含量和化學組成。淤泥有機質含量和化學組成對其固化效果存在一定影響，經檢測試驗所選淤泥有機質含量達到了7.26%，淤泥的化學組成為二氧化硅60%、三氧化鋁17%、三氧化二鐵10%、氧化鈣10%、氧化鎂2%、硫化物1%。

通過實驗結果可知，洞庭湖北部垸內溝渠淤泥主要化學成分為二氧化硅和三氧化鋁，含水量超過75%，有機質含量大于5%，粒徑小于0.075mm占比100%，粉粒、黏粒含量高。

2 試樣制備及試驗方法

2.1 試驗材料

(1)淤泥。取自洞庭湖北部安鄉(xiāng)縣垸內溝渠內淤泥，并將雜物等去除。

(2)水泥。水泥為普通硅酸鹽水泥R42.5，細度通過80 μm方孔篩的篩余量不大于5%，性能滿足GBl75-2007標準的有關要求。

(3)固化劑。根據淤泥的物理特性、有機質含量和化學組成，選取偏鋁酸鈉作為固化劑，購自天津某化工廠。

2.2 試驗設計

采用正交試驗方法進行試驗設計，為了便于制樣，先將淤泥加水制成泥漿，測得相應比重后再與水泥與固化劑進行混合。本試驗采用比重為1.0、1.2、1.4、1.6的泥漿8 L；水泥0.43、0.64、0.87、1.07 kg；偏鋁酸鈉0.43、0.64、0.87、1.07 g進行三因素四水平正交試驗。

2.3 試樣制備

將水泥、偏鋁酸鈉與泥漿按一定配比在鐵桶中混合，利用機械進行攪拌，并采用壓力試驗機壓實，每組制作6個平行試樣，共96個試樣，具體過程如下。

(1) 按照試驗配比稱量泥漿、水泥和固化劑；

(2) 將水泥、偏鋁酸鈉加入定量泥漿中，用攪拌機低速攪拌5 min 后得拌和料；

(3) 將拌和料倒入直徑50 mm高100 mm 圓柱體試模中，使00塊外露4 cm。在 1 h 內用壓力試驗機將000塊壓入試模，維持壓力5 min，試驗設置壓力為 200 kN；

(4) 試樣24 h后進行脫模，稱取的記錄各試件質量，測量試件高度，質量損失不能超過10 g，高度誤差為0.2～0.2 cm。舍去質量及高度不合格試件，并立即用密封袋將試件密封，放入標準養(yǎng)護箱養(yǎng)護，養(yǎng)護溫度為20 ℃，濕度為 95%以上。

2.4 試驗方法

參考《土壤固化劑應用技術導則》對固化淤泥進行性能測試。 試驗測試固化土14d 齡期無側限抗壓強度，以每組6個試樣的平均值作為該組固化土強度值，舍去測試值與平均值相差超過10%的試樣。

3 試驗結果與分析

本次試樣的淤泥固化土用于路基填筑，其固化效果評價主要為無側限抗壓強度，通過對泥漿、水泥摻量、偏鋁酸鈉摻量的正交試驗結果進行14 d的無側限抗壓強度的極差分析，見表5。

由極差分析結果可知，泥漿摻量、水泥摻量、偏鋁酸鈉摻量極差分別為0.17、0.795、0.05。故該試驗 3個影響因素中水泥摻量對淤泥固化土的抗壓強度影響最大，其主次關系為水泥摻量>泥漿摻量>偏鋁酸鈉摻量。

因此，試驗中應該著重控制水泥摻量這個因素。此外，淤泥固化土試驗抗壓強度正交試驗極差分析結果可以得出抗壓強度最優(yōu)配比為A4B4C1，即泥漿摻量為9.6 kg，水泥摻量為1.07 kg，偏鋁酸鈉摻量為0.43 g。

4 固化淤泥電鏡掃描分析

取最優(yōu)配比的固化淤泥4次干濕循環(huán)后試件進行電鏡掃描試驗，結果如圖1所示。

由圖1(a)、(b)可知，固化淤泥在干濕循環(huán)4次后形成許多蜂窩狀結構物質，它由偏鋁酸鈉中活性物質聚合后形成，含有較多的疏水基團，具有較小的表面張力而不吸水，具有大小不一的凹孔，只能通過潮氣而阻止液態(tài)水通過。由圖1(c)、(d)可知，水化反應過程中生成了大量的桿狀結晶，長徑比較大，直接連接兩個甚至多個淤泥顆粒，并相互疊加形成了三維網狀結構。

圖1(e)表明，水化反應過程中也生成了比較多的棒狀結晶，與CSH凝膠及淤泥顆粒結合比較緊密。圖1(f)表明，水化

表5 無側限抗壓強度側限正交試驗分析

圖1 淤泥固化微觀分析結果(SEM)

反應過程中存在針狀結晶，但數量比較少。對比發(fā)現，水化反應中桿狀結晶長徑比較大，且結晶數量及結構性強于棒狀結晶，說明偏鋁酸鈉能極大地促進水泥水化反應進行，其產物能顯著提高淤泥固化淤泥中顆粒間的結合力。

5 淤泥固化土填筑路基施工工序

對于洞庭湖北部溝渠淤泥，當淤泥深度基本相同時，根據淤泥的濕密度1.56 g/cm3，按照質量比泥漿摻量∶水泥∶偏鋁酸鈉=9.6∶1.07∶0.43，配置水泥偏鋁酸鈉混合液，采用粉體布料機在淤泥表面噴射，并采用特種淤泥拌和機直接在淤泥區(qū)拌和。經拌和均勻后，采用自卸汽車快速運送至工地，進行攤鋪碾壓，避免運輸時間過長，發(fā)生攤鋪壓實困難；現場攤鋪可采用推土機、平地機等，按規(guī)定的厚度進行施工，攤鋪厚度一般為30 cm，松鋪厚度根據現場試驗確定。施工過程中應嚴格遵守施工現場設備操作技術規(guī)范，杜絕設備帶病工作、各種機械的操作人員和機動車輛駕駛人員，必須經過專業(yè)培訓和考試合格后，方準獨立操作。具體施工工藝流程如圖2所示。

圖2 淤泥固化土填筑路基施工流程圖

從經濟性方面來講一般情況下，采用淤泥固化土填筑路基，1 m3的回填單價約為50元，比常規(guī)土方回填單價略高，但考慮到淤泥的處治費用，實際成本更低，且淤泥再利用具有良好的社會和環(huán)境效益。

6 結 語

(1)通過一系列物理特性測試試驗可知，洞庭湖北部垸內溝渠淤泥具有較高的含水量和有機質含量，淤泥粒徑分布范圍較為廣泛，粉粒、黏粒含量高，主要化學成分為二氧化硅和三氧化鋁。

(2)提出了采用水泥、偏鋁酸鈉來固化湖北部垸內溝渠淤泥的處理方法，當泥漿摻量為9.6 kg，水泥摻量為1.07 kg，偏鋁酸鈉摻量為0.43 g固化獲得的固化體強度最高。

(3)偏鋁酸鈉能有效促進水泥水化生成大量的AFt結晶，并能修復AFt膨脹作用產生的微裂縫。結晶體長徑比直接連接兩個甚至多個淤泥顆粒， 形成三維網狀結構，提高加筋、骨架及填充作用，形成剛性約束，提高固化淤泥強度和抗?jié)B透性能。

(4)采用淤泥固化土填筑路基，1 m3路基的回填單價約為直接成本50元，比常規(guī)路基土方回填單價略高，但考慮到淤泥的外運處治費用，實際成本更低。

為就近利用洞庭湖北部垸內溝渠淤泥，考慮將水泥、偏鋁酸鈉來固化淤泥的方法推廣至洞庭湖堤防工程，下階段擬對其滲透變形特性和耐久性開展進一步研究。

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