董明榮 趙海燕 凌升河 崔新忠 高越青

（1 紹興市建設(shè)工程質(zhì)量安全管理中心；2 紹興市科技產(chǎn)業(yè)投資有限公司)

(3 紹興市城投再生資源有限公司；4 紹興文理學(xué)院土木工程學(xué)院）

隨著我國(guó)建設(shè)進(jìn)程的不斷加快，在水利工程建設(shè)以及河流湖泊等生態(tài)環(huán)境治理的過(guò)程中，產(chǎn)生了大量的疏浚淤泥。淤泥主要是由水與黏土顆粒及有機(jī)質(zhì)組成的粘稠懸浮液，具有含水率高、強(qiáng)度低、穩(wěn)定性差、有機(jī)質(zhì)含量多并含有較多重金屬污染物等特點(diǎn)[1]。長(zhǎng)久以來(lái)，近海拋填和陸地堆放是處理淤泥的最主要方法[2]。堆放和填埋等處理方法嚴(yán)重污染環(huán)境，不僅與我國(guó)綠色發(fā)展的道路不符，并且受到了人們的強(qiáng)烈反對(duì)。因此，淤泥固化及其資源化利用迫在眉睫。淤泥固化處理就是將固化材料與淤泥進(jìn)行混合，經(jīng)過(guò)充分?jǐn)嚢枋构袒牧虾陀倌嘀械乃忠约捌渌镔|(zhì)發(fā)生反應(yīng)，從而使土顆粒之間連接的更加緊密，以達(dá)到提高強(qiáng)度的目的[3,4]。因地制宜地選擇合適的固化材料，對(duì)淤泥固化效果及處理成本起到了決定性作用。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，出現(xiàn)了各類固化材料，大致可分為有機(jī)類固化材料、無(wú)機(jī)類固化材料、生物酶類固化材料和復(fù)合類固化材料等。

1 無(wú)機(jī)類固化材料及其固化效果

目前主要以水泥、石灰、粉煤灰和礦渣等作為固化淤泥的無(wú)機(jī)類固化材料。無(wú)機(jī)類固化材料具有固化強(qiáng)度高、耐久性強(qiáng)、易獲取、固化速度快等優(yōu)點(diǎn)；但無(wú)機(jī)類固化材料的生產(chǎn)具有能耗大、排放高等特點(diǎn)，同時(shí)資源短缺以及施工成本的增加，也成為目前不得不考慮的因素[5]。選擇不同固化材料的等級(jí)、品種、摻入比、強(qiáng)度和齡期對(duì)固化淤泥的力學(xué)性能和耐久性能影響顯著。陳達(dá)等[6]研究表明：普通硅酸鹽水泥和礦渣硅酸鹽水泥作為固化材料能夠很好地達(dá)到固化效果；礦渣硅酸鹽水泥的耐腐蝕性較強(qiáng)；抗硫酸鹽水泥能夠較好地抵抗SO42-的侵蝕作用；膨脹水泥具有較好的抗干縮性能。因此，在不同的固化環(huán)境下，選擇不同的水泥品種對(duì)固化淤泥的效果有著不同的影響。Chen[7]利用堿活化礦渣對(duì)含鉻元素的淤泥進(jìn)行固化，結(jié)果表明：液固比、堿活化礦渣摻量顯著影響固化淤泥的強(qiáng)度和鉻元素的浸出速度，隨堿活化礦渣摻量增加及養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)，礦渣和淤泥的水化產(chǎn)物能很好地固化穩(wěn)定鉻元素。Tang[8]研究了在粉煤灰中摻少量的水泥對(duì)淤泥固化效果的影響，分析表明：15%的水泥摻量就可達(dá)到很好的工程應(yīng)用效果，經(jīng)粉煤灰固化后的淤泥沉積物中，C-S-H 凝膠的形成是固化淤泥強(qiáng)度發(fā)展和重金屬污染物穩(wěn)固化的主要原因。

無(wú)機(jī)類固化材料中含有較多的氧化物以及硅鋁酸鹽等物質(zhì)。無(wú)機(jī)類固化材料同淤泥中的水發(fā)生水化反應(yīng)，元素之間的離子鍵、共價(jià)鍵斷裂重組，形成諸如水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等纖維狀或網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定了淤泥中的有害物質(zhì)以及游離的離子；凝結(jié)形成具有膠凝性質(zhì)的水化產(chǎn)物；水化產(chǎn)物的產(chǎn)生填充了淤泥土顆粒中的空隙，提高固化淤泥的強(qiáng)度和密實(shí)性；粉煤灰、礦粉等無(wú)機(jī)類固化材料具有火山灰活性，可進(jìn)一步提升土顆粒間的粘結(jié)作用，增強(qiáng)固化效果[9]。

2 有機(jī)類固化材料及其固化效果

有機(jī)類固化材料主要包括水玻璃類材料、環(huán)氧樹(shù)脂和有機(jī)高分子等材料。使用較少的有機(jī)類固化材料就能達(dá)到較佳的淤泥固化效果，并且在施工中便于控制，加快施工進(jìn)度；但固化淤泥水穩(wěn)定性較差、后期強(qiáng)度效果不佳、且固化效果受環(huán)境影響較大等缺點(diǎn)制約了有機(jī)類固化材料在工程中的應(yīng)用[10]。許惠[11]等試驗(yàn)研究了聚丙烯酰胺對(duì)固化淤泥質(zhì)土孔隙結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明：有機(jī)高分子聚合物加入淤泥質(zhì)土，能夠產(chǎn)生一定的絮凝作用，增強(qiáng)土顆粒之間的膠結(jié)性能，從而減少淤泥固化體的孔隙比，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。Zhang[12]制備了一種基于二乙烯基苯、苯乙烯和丙烯酸丁酯的新型高分子聚合物，并用于固化油性污泥，該固化劑可以固化不同含油量的油性污泥，并且固化效果穩(wěn)定。王東星等[13]研究了水玻璃對(duì)淤泥的固化效果，結(jié)果表明：水玻璃的摻量越多，生成的N-A-S-H 膠凝越多，通過(guò)粘結(jié)和填充土顆粒之間的孔隙，使固化淤泥的微觀結(jié)構(gòu)更加致密，以提高固化淤泥的力學(xué)性能。韋猛等[14]發(fā)現(xiàn)吸水樹(shù)脂中含有較多的親水基團(tuán)，可以快速的實(shí)現(xiàn)從流動(dòng)狀態(tài)到可塑狀態(tài)的轉(zhuǎn)變；并且吸水樹(shù)脂中的極性基團(tuán)可以較好地產(chǎn)生絮凝作用，以實(shí)現(xiàn)淤泥的快速固化。

在淤泥中加入高分子類或水玻璃類等有機(jī)類固化材料，通過(guò)發(fā)生聚合和縮合反應(yīng)，生成具有一定粘度和不溶于水的有機(jī)大分子鏈；這些有機(jī)大分子鏈通過(guò)降低土顆粒的表面張力提高憎水性，同時(shí)填充土顆粒之間的孔隙，由此減少水分子的進(jìn)入,加強(qiáng)土顆粒之間的粘結(jié)，提高淤泥固化體的密實(shí)性[15]。

3 復(fù)合類固化材料及其固化效果

復(fù)合類固化材料一般以傳統(tǒng)的固化材料為主，通過(guò)混摻或輔以其他激發(fā)類材料，按照一定配比進(jìn)行混合，通過(guò)離子交換、火山灰反應(yīng)等作用而合成的一種環(huán)境適應(yīng)能力較強(qiáng)的新型固化材料。由于其環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、比單一固化材料效果好、成本低、固化效果明顯而廣泛的應(yīng)用于實(shí)際工程中[16]。Ma[17]將氧化鎂、氯化鎂和水泥按一定的比例混合形成氯氧化鎂水泥用于淤泥的固化，結(jié)果表明：氯化鎂具有極高的吸水能力，并將氧化鎂溶解其中，形成氯氧鎂水泥膠凝；氧化鎂、氯化鎂、水泥三者和淤泥混合后，形成了十分堅(jiān)固的三元鉸鏈體系，極大地提高了強(qiáng)度，并且將重金屬離子固化其中。Chen[18]研究了復(fù)摻硅粉和鎂鉀磷酸鹽水泥對(duì)淤泥的固化效果，測(cè)試結(jié)果表明：利用30%的硅粉代替水泥后，固化淤泥的抗壓強(qiáng)度大幅增加，并且添加硅粉可以有效降低淤泥的含水量和體積收縮率。Zhen[19]使用CaO 和Al2O3作為粘結(jié)劑與水泥進(jìn)行混合，制備了新型鋁酸鹽水泥，并用于淤泥固化，研究發(fā)現(xiàn)：鋁酸鹽的存在很好地保護(hù)了結(jié)構(gòu)體系免于有機(jī)物的干擾，并且有效促進(jìn)了晶體相的形成，從而形成致密的微觀結(jié)構(gòu)，提升固化淤泥的強(qiáng)度。Xie[20]將高爐礦渣、電爐鋼渣、煙氣脫硫渣等工業(yè)廢棄物和石膏混合，制備了一種新的淤泥固化材料，試驗(yàn)表明：高爐礦渣和煙氣脫硫渣的活化作用，以及水泥、石膏等材料所產(chǎn)生的水化產(chǎn)物的填充及膠凝作用，是提高固化淤泥強(qiáng)度的最主要原因。

復(fù)合類固化材料的反應(yīng)機(jī)理分為離子交換類和火山灰反應(yīng)類。離子交換類中往往復(fù)摻有激發(fā)劑材料，其和淤泥混合后首先發(fā)生水解反應(yīng)，然后通過(guò)離子交換作用合成膠凝性水化產(chǎn)物，硬化后形成水穩(wěn)定的結(jié)晶礦物；火山灰反應(yīng)類通過(guò)不同固化材料中含有的較高的火山灰活性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等膠凝成分，進(jìn)一步填充土體間隙，提高土體強(qiáng)度[21]。

4 生物酶類固化材料及其固化效果

生物酶類固化材料是一種在植物中提取、經(jīng)過(guò)催化和發(fā)酵而產(chǎn)生的有機(jī)類蛋白質(zhì)。生物酶類固化材料具有環(huán)保、無(wú)污染、固化效果好、施工便捷等優(yōu)點(diǎn)，但耐久性和浸水后的強(qiáng)度需要進(jìn)一步研究[22]。Aziza[23]研究了兩種酵母菌株對(duì)土壤中重金屬離子的浸出特性及酶活性的影響，結(jié)果表明：酵母菌株的引入能夠很好的固化鉻、銅、鋅等重金屬離子；酶活性與有機(jī)物的含量呈線性關(guān)系；酶的加入對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)有積極的作用。何振華等[24]利用五種不同的生物酶對(duì)淤泥土的固化效果進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果表明：生物酶的加入能夠有效地降低淤泥土的液塑限以及塑限指數(shù)，并且大幅度提高淤泥土的剪應(yīng)力；但淤泥土的最大干密度和最佳含水率不受生物酶摻量的影響。葉學(xué)銀等[25]測(cè)試表明經(jīng)生物酶固化過(guò)后的淤泥質(zhì)土樣更容易被壓縮，通過(guò)減小土顆粒之間的孔隙，極大地提高了抗剪強(qiáng)度。董輝等[26]以泰然酶、E3酶為試驗(yàn)對(duì)象對(duì)淤泥質(zhì)土強(qiáng)度的時(shí)效性進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：泰然酶與E3 酶通過(guò)改變土顆粒的內(nèi)摩擦角和粘聚力，提高了固化淤泥的抗剪強(qiáng)度；但固化淤泥強(qiáng)度的增加有明顯的衰落期與強(qiáng)化期，這為實(shí)際工程的應(yīng)用提供了指導(dǎo)意義。

生物酶類固化材料主要是在淤泥固化中起到了催化作用。由于其具有較多的高價(jià)離子，當(dāng)滲透到土顆粒內(nèi)部后會(huì)置換其中的低價(jià)離子，從而減弱土顆粒之間的雙電層，降低斥力，使土顆粒排列更加緊密，阻止自由水的進(jìn)入；在外力作用下加速淤泥水分的排出，降低壓縮性，使土體變得更加密實(shí)[27]。

5 結(jié)語(yǔ)與展望

通過(guò)總結(jié)分析現(xiàn)行用于淤泥固化的各類固化材料的組成、特點(diǎn)、固化效果及固化機(jī)理，得到如下結(jié)論與展望：

⑴淤泥具有較高的含水率、有機(jī)質(zhì)和重金屬物質(zhì)，不同固化材料化學(xué)成分不一，固化機(jī)制不同，因而其淤泥固化效果也差異顯著。結(jié)合處理成本，因地制宜選擇合適的淤泥固化材料尤為重要。

⑵有機(jī)類固化材料和生物類固化材料對(duì)淤泥固化效果的研究，目前以室內(nèi)試驗(yàn)為主，未來(lái)需進(jìn)一步研究其對(duì)淤泥在凍融循環(huán)、干濕循環(huán)、侵蝕性介質(zhì)等復(fù)雜環(huán)境下的固化效果。

⑶目前各類淤泥固化材料仍存在不少環(huán)境負(fù)效應(yīng)，未來(lái)需進(jìn)一步研發(fā)高效環(huán)保的新型固化材料。

⑷未來(lái)需加強(qiáng)機(jī)械脫水固化、化學(xué)固化、熱固化等綜合固化法的研究，以提升淤泥固化效果和經(jīng)濟(jì)效益。