石 宇 汪 瀟

江蘇坤澤科技股份有限公司

1 引言

為了保證航道的通暢，每隔一段時間都需要對河道進行疏浚清淤，因此將產(chǎn)生大量的疏浚淤泥。疏浚淤泥的含水率高、強度低、土力學性能差，難以進行開發(fā)利用。化學固化是目前國內(nèi)外較為認可的疏浚淤泥固化處理方法，通過向疏浚淤泥中添加固化劑（主要為水泥等無機膠凝材料），使淤泥、水、固化劑之間發(fā)生一系列的水化反應，提高土體密實度，改善土的力學性能[1]。劉立新[2]等研究了水泥、石灰與粉煤灰對衡陽雁棲湖疏浚淤泥固化效果的影響，當水泥、石灰和粉煤灰的摻量分別為5%、2.5%、2.5%時，淤泥固化7d后，無側(cè)限抗壓強度可以達到327.8kPa，能夠達到填埋的要求。但由于疏浚淤泥自身含水率高，僅通過膠凝材料的水化膠結(jié)作用實現(xiàn)淤泥固化往往需要較大的固化劑用量，固化成本很高。

鋼渣是煉鋼中的副產(chǎn)品，屬于固體廢棄物，這些廢棄物的排放、堆積不僅占用大量寶貴的土地資源，還會對大氣、土壤、水源產(chǎn)生極大地環(huán)境負擔。已有研究資料表明，鋼渣具有良好的顆粒級配、強度高、硬度大等特點，同時在堿性條件下具有一定的水化活性[3]，在道路、水泥、建筑、土木工程等領(lǐng)域都可以實現(xiàn)資源化利用。

本文基于以廢治廢的理念，利用鋼渣的骨架作用以及與固化劑的協(xié)同作用將其摻入疏浚淤泥中，改善淤泥的土力學性能，將其轉(zhuǎn)化成優(yōu)良的土工材料進行再利用。

2 實驗材料及方法

2.1 實驗材料

本實驗所采用的鋼渣由山東省日照鋼鐵控股集團有限公司提供，鋼渣的主要化學成分通過X 射線熒光光譜（XRF）進行測定，結(jié)果如表1 所示，鋼渣的粒徑分布如表2 所示。疏浚淤泥來源為江蘇省連云港市某河道，其主要物理性能指標如表3所示。從表3可以看出該淤泥的含水率達到109%，塑性指數(shù)達到23.7，按照《巖土工程勘察規(guī)范》[4]（GB 50021—2001）中土的分類規(guī)定，該淤泥塑性指數(shù)＞17，屬于黏土。固化劑為江蘇坤澤科技股份有限公司自主研發(fā)生產(chǎn)的KZJ-P01 型粉體固化劑，主要成分為硅酸鹽、鋁酸鹽、硫酸鹽、氧化鈣等，密度為2.98g∕cm3。

表1 鋼渣的化學組成∕%

表2 鋼渣的粒徑分布

表3 淤泥的主要物理性能指標

2.2 配比

實驗采用基本組和對照組，其中基本組A為純淤泥；對照組B 中鋼渣摻入量為5%；對照組C 中鋼渣摻入量為10%。此外，3個組中還分別加入相同摻量的固化劑，固化劑摻量以每立方米鋼渣與淤泥混合物中加入的固化劑質(zhì)量計算，本實驗中設(shè)計2種摻量，分別為80kg∕m3以及100kg∕m3。通過測定固化土的3d、7d、14d及28d的無側(cè)限抗壓強度，比對鋼渣的摻量比以及固化劑摻量對固化土強度發(fā)展的影響。各組實驗配比如表4所示。

表4 各組實驗配比

2.3 實驗方法

試樣制備過程先將鋼渣與淤泥按照表4所示的比例混合，然后在混合材料中按表4的摻量添加固化劑并利用攪拌設(shè)備充分攪拌均勻，固化劑的摻量按照每立方米鋼渣-淤泥混合料中加入固化劑的質(zhì)量進行計算。攪拌后的鋼渣-淤泥混合固化土分三層裝入圓柱體模具中（直徑39.1mm、高度80mm）制作成無側(cè)限抗壓強度試件，每個配比制備3組平行試件。試件制備完成后置于恒溫恒濕箱（溫度20±2 ℃，相對濕度＞95%）中，養(yǎng)護24h 脫模，脫模后的試件密封浸入20±2 ℃水中養(yǎng)護至設(shè)定齡期后測試無側(cè)限抗壓強度。

無側(cè)限抗壓強度試驗采用YYW-2 型應變控制式無側(cè)限壓力儀。試驗前需對試件進行預處理，刮平試件上下表面，然后按照《土工試驗方法標準》[5]（GB∕T 50123—2019）進行測試，每組測定3個平行試件，取其平均值作為試驗結(jié)果。

3 實驗結(jié)果與分析

將 ABC3 組固化土試件分別養(yǎng)護至 3d、7d、14 d 和 28d 后取出，測試其無側(cè)限抗壓強度，結(jié)果如表5所示。

表5 鋼渣—淤泥混合固化土不同齡期下的無側(cè)限抗壓強度

從表5 中可以看出：（1）基準組A 組不摻入鋼渣，由于疏浚淤泥自身含水率和有機質(zhì)含量高，固化劑早期的固化效果較慢，7d 時80kg∕m3摻量下淤泥固化土尚未完全硬化，摻量提高到100kg∕m3時3d 淤泥固化土也未能硬化，直到28d 時無側(cè)限抗壓強度值也僅達到82kPa，無法應用于一般填土工程。同時從表5 中A 組數(shù)據(jù)可以推斷，如果繼續(xù)提高固化劑摻量，淤泥固化土的28d無側(cè)限抗壓強度也可能獲得小幅度的提高，但是同樣很難滿足填土工程對強度的要求，且極大增加了固化成本；（2）當淤泥固化土體系中引入鋼渣后，鋼渣顆粒改善了整個體系的顆粒級配，形成了能夠抵抗外力的骨架結(jié)構(gòu)。同時固化劑自身的堿性激發(fā)了鋼渣的活性，大大促進鋼渣中物相的溶解、水化硅酸鈣及鈣礬石的形成，從而加快了整個混合體系的固化進程。從表5中可以看出當鋼渣摻入量達到5%時就可以明顯加快固化速率，在1d～2d內(nèi)固化土就能夠硬化產(chǎn)生強度。但是在鋼渣摻入量為5%時，即使固化劑摻量提高到100kg∕m3，鋼渣-淤泥混合固化土的28d 無側(cè)限抗壓強度值也只達到175kPa，考慮到實驗室試件強度與工程現(xiàn)場固化土實際強度的差異，仍達不到淤泥的填埋要求；（3）當鋼渣摻入量達到10%時，鋼渣-淤泥混合固化土在各齡期下的無側(cè)限抗壓強度值均有一定幅度的提升，其中28d強度值可達到200kPa以上，能夠滿足填埋需求。

4 結(jié)束語

本文采用鋼渣、疏浚淤泥、固化劑為主要原料，制備鋼渣-淤泥混合固化土，通過分析比較不同鋼渣摻入量比以及不同固化劑摻量的固化土早期無側(cè)限抗壓強度性能，并進一步研究分析，得到以下結(jié)論。

（1）鋼渣具有良好的骨架作用并且和固化劑有較好的協(xié)同作用，與疏浚淤泥混合后能夠顯著加快整個體系的固化進程，提高固化土的強度。

（2）鋼渣摻入量達到10%，固化劑摻量在80kg∕m3～100kg∕m3范圍內(nèi)時，鋼渣-淤泥混合固化土28d無側(cè)限抗壓強度值可達到200kPa以上，可以滿足一般填土工程對強度的要求。

（3）疏浚淤泥與鋼渣同為固體廢棄物，經(jīng)過混合固化后作為回填材料使用，以廢治廢，既可以減輕疏浚淤泥與鋼渣對生態(tài)環(huán)境的負擔，又能夠產(chǎn)生優(yōu)良的土工材料，具有較好的經(jīng)濟及社會效益。