吳亞玉

（深圳市海平峰水務(wù)技術(shù)工程有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引 言

與自然沉積形成的淤泥相比，河道淤泥含水量高，力學(xué)性能極差，有機(jī)質(zhì)含量高，且顆粒成分以黏粒和粉粒為主，并包含有毒有害污染物，很難直接作為工程材料使用。當(dāng)前，學(xué)術(shù)界已經(jīng)開(kāi)始關(guān)注固化劑種類及摻量對(duì)淤泥固化土干濕耐久性影響的研究，但有關(guān)土性參數(shù)影響的分析較少。為此，本文針對(duì)我國(guó)南方某城市河道，選擇有機(jī)質(zhì)含量不同的兩種典型淤泥材料，進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，以研究淤泥固化土干濕耐久性受固化劑類型及摻量影響的分析，為淤泥固化利用提供一定思路。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料及試樣制備

從我國(guó)南方某城市河道清淤場(chǎng)地取A淤泥和B淤泥兩種典型材料進(jìn)行干濕強(qiáng)度試驗(yàn)，以檢測(cè)河道淤泥固化土的穩(wěn)定性和耐久性。因物質(zhì)來(lái)源和沉積環(huán)境不同，故兩種淤泥材料成分方面存在一定差異，尤其是有機(jī)質(zhì)含量差異較大。針對(duì)這種情況，為優(yōu)化淤泥固化處理效果，應(yīng)采用摻加固化劑的方法進(jìn)行固化處理。

在所取得的淤泥材料中分別摻加普通硅酸鹽水泥、生石灰、粉煤灰、減水劑等固化材料制備試件。水泥固化劑淤泥試樣制備流程具體見(jiàn)圖1，除去淤泥中的上清液后按照100kg/m3、150kg/m3、200kg/m3三個(gè)配比摻加水泥，制備出淤泥和水泥混合物，持續(xù)攪拌10min后抽真空30min，以便將混合物內(nèi)的氣泡全部消除。此后，將混合物裝入尺寸為61.8mm×20mm環(huán)刀，邊裝料邊振動(dòng)，以制出緊致密實(shí)的環(huán)刀試樣。將試樣置于20℃±2℃、濕度至少為95%的恒溫箱內(nèi)持續(xù)養(yǎng)護(hù)28d。養(yǎng)護(hù)期結(jié)束后進(jìn)行抽真空飽和處理，最終制成飽和固化淤泥試樣。其他固化劑淤泥試樣制備時(shí)只需要將水泥換成相應(yīng)的固化材料即可，流程完全一致。

1.2 試驗(yàn)方法

干濕循環(huán)試驗(yàn)屬于室內(nèi)加速試驗(yàn)，主要進(jìn)行環(huán)境溫度及氣候變化對(duì)淤泥固化土長(zhǎng)期性能影響的分析。干濕循環(huán)包括吸濕和脫濕兩個(gè)環(huán)節(jié)，根據(jù)美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)《固體廢物潤(rùn)濕和干燥試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法ASTM D4843-88(2016)》，淤泥經(jīng)固化處理并作為土工填料時(shí)，主要采用單向毛細(xì)入滲吸濕方式，將脫濕溫度設(shè)定為45℃，以體現(xiàn)我國(guó)南方城市河道環(huán)境溫度及氣候條件[1]。

待完成試樣養(yǎng)護(hù)后，將塑料薄膜脫去，上下分別放置透水石，并置于飽和器內(nèi)，加水至沒(méi)過(guò)下端透水石后每間隔60min便向試樣頂面灑水，持續(xù)24h。待吸濕過(guò)程結(jié)束后，將表面水分擦除并靜置60min，此后稱量試樣質(zhì)量。以這種情況為初始狀態(tài)，循環(huán)次數(shù)為0次。此后將初始狀態(tài)試樣置于45℃±3℃的烘箱內(nèi)持續(xù)烘烤24h，干燥后進(jìn)行稱重，并繼續(xù)實(shí)施以上吸濕試驗(yàn)，此時(shí)即為完成1次干濕循環(huán)。為充分反應(yīng)淤泥固化土物理力學(xué)性能的變化，共進(jìn)行5次干濕循環(huán)試驗(yàn)，且每次試驗(yàn)后均應(yīng)測(cè)量淤泥試樣質(zhì)量、幾何尺寸，并計(jì)算質(zhì)量損失率和體積變化率。

通過(guò)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)淤泥試樣展開(kāi)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試，加載速率5mm/min，并從各破壞試樣中心位置取50～80g土體后置于烘箱內(nèi)，在65～70℃的溫度下持續(xù)烘烤48h，進(jìn)行含水率檢測(cè)。

2 淤泥的基本特性

2.1 淤泥物化屬性

兩種典型淤泥材料的物理性質(zhì)具體見(jiàn)表1。河道淤泥相對(duì)密度明顯比常見(jiàn)土體相對(duì)密度小，有機(jī)質(zhì)性質(zhì)活躍且成分復(fù)雜，對(duì)河道淤泥物理屬性存在較大影響：有機(jī)質(zhì)親水性和吸附性較強(qiáng)，其含量的增大將明顯提升淤泥塑限和液限；有機(jī)質(zhì)相對(duì)密度通常為1.7～1.9g/cm3，在淤泥礦物成分無(wú)較大變化時(shí)，淤泥土相對(duì)密度處于穩(wěn)定狀態(tài)，但隨著有機(jī)質(zhì)含量的增大，淤泥相對(duì)密度減小[2]。

表1 淤泥材料的物理性質(zhì)

沿水流方向的河道淤泥試樣各粒組百分含量變化規(guī)律詳見(jiàn)圖1，由圖可知，河道上游淤泥中粉粒含量高、砂粒和黏粒含量低，膠粒含量最低；河道中下游粉粒含量持續(xù)減少，砂粒含量持續(xù)增多，黏粒和膠粒減少后基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。結(jié)合碎屑物運(yùn)移沉積規(guī)律，砂粒粒徑較大，在河道水流流速較小的情況下易于沉積，運(yùn)移距離短，排污水及雨水地表徑流攜帶碎屑顆粒是其主要來(lái)源。黏粒和膠粒粒徑小，具有較為明顯的電化學(xué)性質(zhì)，絮凝市通常伴隨物理化學(xué)反應(yīng)，沉積慢，故黏粒含量沿水流方向持續(xù)減少[3]。A淤泥和B淤泥試樣分別取自該河道上游和中游，平均粒徑分別為0.0218mm和0.0971mm，說(shuō)明沉積物顆粒呈粗化趨勢(shì)；兩種淤泥試樣不均勻系數(shù)依次為14.82和19.04，曲率系數(shù)1.54和1.39，說(shuō)明兩種淤泥級(jí)配良好。

圖1 沿水流向淤泥各粒組的百分含量

通過(guò)X射線熒光光譜儀進(jìn)行兩種淤泥材料化學(xué)成分及重金屬污染物定量測(cè)定，檢測(cè)結(jié)果具體見(jiàn)表2。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，SiO2是河道淤泥中主要的化學(xué)物質(zhì)，含量在60%～65%之間，A淤泥SiO2含量更高；兩種淤泥試樣燒失量為10%～20%，且B淤泥燒失量更高。該城市河道周邊均為居民生活區(qū)域，工況企業(yè)為數(shù)不多，污染物主要來(lái)自生活垃圾和上游重金屬，也就是說(shuō)淤泥固化處理必須充分考慮環(huán)境因素。

2.2 熱重-差熱分析

淤泥試樣在加熱期間重量變化及相變反應(yīng)可通過(guò)熱重-差熱曲線體現(xiàn)，A淤泥試樣和B淤泥試樣熱重差熱曲線具體見(jiàn)圖2。示差掃描量熱法曲線（DSC Curve）主要反應(yīng)試樣加熱期間與標(biāo)準(zhǔn)樣品熱量補(bǔ)償程度，波峰向上為吸熱，波峰向下為放熱。熱重分析曲線（TG Curve）則體現(xiàn)淤泥試樣加熱期間質(zhì)量方面的變化[4]。

圖2 淤泥熱重-差熱曲線

由圖可知，A淤泥試樣質(zhì)量損失所對(duì)應(yīng)的溫度區(qū)間依次為20～194℃、194～608℃、908～776℃，對(duì)應(yīng)的質(zhì)量損失分別為2.89%、7.58%、3.01%。DSC Curve主要存在2個(gè)溫度為81℃和721℃的吸熱峰和1個(gè)309℃的放熱峰。第一階段2.89%的質(zhì)量損失對(duì)應(yīng)著80℃的吸熱峰，由于淤泥試樣內(nèi)結(jié)晶水和結(jié)合水量減少，故主要表現(xiàn)為吸熱和脫濕；第二階段存在一處明顯放熱峰，質(zhì)量損失為7.58%，是有機(jī)質(zhì)燒失、黏土礦物相變轉(zhuǎn)化的體現(xiàn)；第三階段對(duì)應(yīng)的吸熱峰在721℃，主要因?yàn)榱蛩猁}和碳酸鹽的分解而引發(fā)質(zhì)量損失。

與A淤泥不同，B淤泥試樣質(zhì)量損失較大。第一階段對(duì)應(yīng)的溫度區(qū)間依次為25～179℃，質(zhì)量損失3.54%，DSC Curve主要存在2個(gè)放熱峰，因部分礦物結(jié)晶水和結(jié)合水蒸發(fā)分解而失重；第二階段失重量在總失重量中占比較大，在309℃和466℃處出現(xiàn)明顯放熱峰，因有機(jī)質(zhì)燒失而釋放熱量，作為淤泥熱處理的熱量源，減少了能源消耗。第三階段試樣失重4.25%，對(duì)應(yīng)571℃和746℃兩個(gè)吸熱峰，兩者分別因黏土礦物相變轉(zhuǎn)化及硫酸鹽和碳酸鹽的分解，而釋放出SO2和CO2氣體。

通過(guò)分析可知，兩種淤泥試樣總質(zhì)量損失均不斷增大，其中有機(jī)質(zhì)的加熱分解是造成第二階段質(zhì)量損失的主要原因，而造成第一階段質(zhì)量損失的原因是淤泥脫水。故可以從以上兩個(gè)方面加速河道淤泥固化速度。

3 干濕耐久性試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 干濕循環(huán)試驗(yàn)及結(jié)果

根據(jù)干濕循環(huán)試驗(yàn)，在初始狀態(tài)，淤泥固化土抗壓強(qiáng)度隨著固化劑摻量的增加而增大。當(dāng)固化劑配比相同時(shí)，A淤泥固化土抗壓強(qiáng)度明顯大于B淤泥固化土，說(shuō)明有機(jī)質(zhì)含量等土性條件對(duì)淤泥固化效果影響明顯。

干濕循環(huán)對(duì)淤泥固化土存在兩個(gè)方面的影響：一是隨循環(huán)次數(shù)的增加，固化土抗壓強(qiáng)度下降，且第一次降幅最大，此后逐漸減??；水泥摻量為5%的淤泥固化土經(jīng)過(guò)1次干濕循環(huán)后完整性幾乎完全喪失；二是對(duì)于固化劑摻量較高的情況，隨循環(huán)次數(shù)的增加，淤泥固化土抗壓強(qiáng)度先升后降。整體來(lái)看，峰值強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)隨固化劑摻量的增大而增大，且對(duì)于固化劑摻量相同時(shí)，A淤泥固化土峰值強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的干濕循環(huán)次數(shù)明顯大于B淤泥固化土。說(shuō)明固化劑加固有機(jī)質(zhì)含量更高的B淤泥，固化效果更佳。

3.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)及結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，不同固化劑下齡期分別為3d、7d、14d、28d的淤泥試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度只的變化情況詳見(jiàn)圖3。由圖可知，不同固化劑下淤泥無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨固化劑摻量劑養(yǎng)護(hù)齡期的增大而提升，但是提升幅度受到固化劑類型的影響較大；淤泥試樣齡期為3d時(shí)，固化劑對(duì)淤泥試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響的次序?yàn)椋核啵旧遥緶p水劑＞粉煤灰，而在其余齡期下，影響的次序?yàn)椋核啵緶p水劑＞生石灰＞粉煤灰。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)淤泥試樣強(qiáng)度隨著齡期的增大而快速增長(zhǎng)，而當(dāng)齡期超出14d后，淤泥試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增速減緩，這也意味著淤泥固化反應(yīng)主要發(fā)生在齡期14d及以前的階段。

圖3 淤泥試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化趨勢(shì)

隨著水泥和減水劑摻加量的增大，淤泥試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，水泥是引起淤泥強(qiáng)度增大的主要原因，且齡期越長(zhǎng)，這種增強(qiáng)效果越明顯。隨著粉煤灰和生石灰摻量的增大，淤泥試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)持續(xù)減緩，生石灰只是在齡期較短情況下對(duì)淤泥強(qiáng)度的提升有明顯作用。所以，出于增強(qiáng)淤泥固化土強(qiáng)度及節(jié)省處理成本方面的考慮，應(yīng)合理控制粉煤灰和生石灰摻量。

3.3 擊實(shí)試驗(yàn)及結(jié)果

通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)所得到的不同齡期不同固化劑下淤泥試樣含水率測(cè)試結(jié)果詳見(jiàn)圖4，由圖可知，淤泥試樣含水率受固化劑種類和齡期的影響較大；隨著齡期和固化劑摻量的增大，淤泥試樣含水率均呈降低趨勢(shì)，其中固化劑對(duì)淤泥試樣含水率的影響次序?yàn)椋荷遥舅啵緶p水劑＞粉煤灰。在試驗(yàn)開(kāi)始之初，淤泥試樣含水率隨齡期增大而快速降低，而當(dāng)齡期超出7d后，降速開(kāi)始減緩，也就是說(shuō)固化劑的吸水效應(yīng)主要出現(xiàn)在7d及以前齡期。摻加水泥、生石灰和減水劑后淤泥試樣含水率變化趨勢(shì)較為接近，其中生石灰影響效果最為明顯；粉煤灰對(duì)淤泥試樣含水率的影響程度最小。

圖4 淤泥試樣含水率變化趨勢(shì)

以上結(jié)果的形成主要因?yàn)椴煌袒瘎┚哂胁煌姆磻?yīng)機(jī)理。水泥水化后會(huì)在一定時(shí)間內(nèi)生成堅(jiān)硬、致密且具有膠結(jié)作用的C-S-H物質(zhì)，促使淤泥試樣強(qiáng)度提升；生石灰遇水會(huì)快速生成Ca(OH)2堿性物質(zhì)，同時(shí)釋放熱量，并加速水泥生成C-S-H物質(zhì)，所以生石灰摻加后能使淤泥含水率快速降低，強(qiáng)度快速提升；粉煤灰自身活性差，早期主要起到填充淤泥固化土孔隙的作用，隨著齡期增長(zhǎng)，其中的可溶性物質(zhì)便與Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)，生成膠凝物質(zhì)，增強(qiáng)淤泥固化土強(qiáng)度；減水劑具有調(diào)節(jié)反應(yīng)面積、增強(qiáng)活性的作用，可充分激發(fā)水泥的水化作用，降低淤泥含水率，提升強(qiáng)度。

4 結(jié) 論

綜上所述，對(duì)于河道淤泥而言，有機(jī)質(zhì)含量對(duì)水泥水化過(guò)程起到抑制作用，故在其他條件相同的情況下，有機(jī)質(zhì)含量越低的淤泥固化土干濕耐久性越好。高含水率河道淤泥經(jīng)過(guò)改性、固結(jié)處理后能作為工程土料使用，可達(dá)到淤泥資源化利用的目的，淤泥固結(jié)土物理力學(xué)屬性主要受固化劑類型、摻量及養(yǎng)護(hù)齡期等的影響。對(duì)于常見(jiàn)的水泥、生石灰、粉煤灰、減水劑等固化劑，在強(qiáng)度方面，水泥效果最優(yōu)，且淤泥固化土強(qiáng)度隨水泥摻量的增多而線性增長(zhǎng)；在含水率方面，生石灰吸水效果最顯著，且淤泥固化土含水率下降速率隨生石灰摻量的增大而增加。對(duì)于具體工程而言，必須充分考慮處治效果、造價(jià)、工期等因素，選擇切實(shí)可行的固化劑配方，取得最優(yōu)的河道淤泥固化處治效果。