沈 宇，王瑞彩，陶桂蘭，吳 騰

(河海大學港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098)

我國每年進行大規(guī)模的水利工程建設(shè)、水運交通工程建設(shè)以及河流湖泊治理工程等，會產(chǎn)生大量的疏浚淤泥。這些疏浚淤泥具有含水率高、力學性能差等特點。目前我國疏浚淤泥主要采用拋泥處置法，該方法需要占用大量的土地，侵占寶貴的耕地，破壞當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，同時拋泥區(qū)存在淤泥固化周期長、含水率高、力學強度低等問題[1]。為了縮短淤泥固化周期、降低淤泥的含水率、提高淤泥的力學強度，對淤泥采用固化處理是常用的有效手段。當前固化淤泥的研究主要是以水泥搭配粉煤灰[2]、石膏[3]、鋼渣[4-5]等材料混合固化。

童琦[6]將粉煤灰和礦粉混合，以水玻璃為激發(fā)劑固化疏浚淤泥，發(fā)現(xiàn)礦粉摻量越高，淤泥無側(cè)限抗壓強度越高；桂躍等[7]進行石灰的單摻試驗，對比發(fā)現(xiàn)摻入石灰后，淤泥的無側(cè)限抗壓強度呈線性增長；章定文等[8]發(fā)現(xiàn)石灰是有效堿性激發(fā)劑，可提供火山灰反應(yīng)的堿性環(huán)境；楊愛武等[9]的研究表明石灰摻量不宜超過12%；劉立新等[10]認為水泥效果比石灰好，但是水泥成本過高；梁仕華等[11]發(fā)現(xiàn)礦渣搭配水泥比純水泥效果更好，說明礦渣也是一種優(yōu)良的固化劑。

根據(jù)《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置混合填埋用泥質(zhì)》[12]，疏浚淤泥填埋須滿足固化后28 d 無側(cè)限抗壓強度達50 kPa，固化材料以低摻量摻入時，既能滿足填埋要求又可降低成本，同時也可減小添加固化材料后淤泥的堿性。礦渣和石灰作為常用的固化材料，來源廣泛、價格較低，本文對礦渣和石灰固化疏浚淤泥的效果進行對比研究，結(jié)合成本和環(huán)保性，確定礦渣和石灰的合適摻量，從而降低固化成本、達到更好的固化效果。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗材料

淤泥為南京市江心洲所取的長江疏浚淤泥，土質(zhì)呈暗黑色，有淡臭味，初始pH 值為7.6，初始含水率為67.4%。根據(jù)《水運工程巖土勘察規(guī)范》[13]，含水率75.5%，分類為淤泥。所用的疏浚淤泥基本物理特性見表1，粒徑分布曲線如圖1 所示。

礦渣為S95 級礦渣粉，粒徑200 目，主要成分為SiO2、CaO、Al2O3、MgO；石灰為生石灰粉，粒徑200 目，主要成分為CaO。疏浚淤泥使用前手工去除植物根莖、塑料袋等雜物。

1.2 試樣制備及試驗流程

為了更好地比較礦渣和石灰對固化疏浚淤泥的效果，在試驗前對純淤泥試樣進行測試，測定其28 d 齡期的含水率、pH 值、內(nèi)摩擦角、黏聚力、無側(cè)限抗壓強度，結(jié)果見表2。

試驗中對土樣進行無側(cè)限抗壓強度、快剪強度、含水率和pH 值測定。采用無側(cè)限壓力儀測試無側(cè)限抗壓強度，采用應(yīng)變控制式直剪儀測試抗剪強度，采用烘箱測定含水率，用電子pH 計測定pH 值。

試驗前進行土樣制備，將一定量的固化劑和疏浚淤泥充分攪拌混合后裝入模具中制樣。無側(cè)限抗壓強度土樣模具為三瓣模，內(nèi)徑39.1 mm、高80 mm。快剪試驗制樣模具為聚氯乙烯管，內(nèi)徑80 mm、高30 mm，有頂蓋和底蓋。快剪試驗用內(nèi)徑61.8 mm 的環(huán)刀切取土樣，切下的余土用以測量含水率。制備好的土樣養(yǎng)護2～3 d 后拆模，用保鮮膜包裹置于密封塑料箱中養(yǎng)護。

1.3 試驗方案

將礦渣和石灰分別按一定比例摻入淤泥中進行固化試驗，測試3、7、14、28 d 試樣的含水率、pH 值、內(nèi)摩擦角、黏聚力、無側(cè)限抗壓強度，對比研究不同摻量對固化淤泥強度的影響，考慮成本和環(huán)保性，確定合適摻量。礦渣和石灰的摻量均為淤泥的干基質(zhì)量比。試驗方案見表3。

表3 疏浚淤泥固化試驗方案

2 試驗結(jié)果分析

2.1 不同摻量對固化后淤泥含水率的影響

將礦渣和石灰以不同摻量摻入淤泥后，淤泥含水率變化規(guī)律見圖2。由圖2a)、b)可看出，摻入礦渣和石灰可降低疏浚淤泥的含水率，含水率隨齡期降低，說明礦渣和石灰摻入淤泥可以吸收淤泥中的水分，同時礦渣和石灰的活性成分發(fā)生水化反應(yīng)消耗水分；摻量低于20%時，28 d 齡期土樣含水率均高于40%，表明礦渣和石灰吸收水分能力一般；由圖2c)可看出，同摻量下礦渣多消耗約1%的水分，表明礦渣中活性成分含量更高，水化反應(yīng)消耗水分更多，吸收水分能力更強。

圖2 不同摻量礦渣和石灰固化淤泥后含水率

2.2 不同摻量對固化后淤泥pH 值的影響

將礦渣和石灰以不同摻量摻入淤泥后，淤泥pH 值變化規(guī)律如圖3 所示。由圖3a)、b)可看出礦渣摻量低于8%時，pH 值隨摻量增加而增大，大于12%時pH 值維持在11，而石灰摻量超過2%時28 d 齡期內(nèi)pH 值大于12。摻入礦渣和石灰后，CaO 水化產(chǎn)生OH-，淤泥呈堿性，pH 值隨齡期增長有降低，說明活性成分發(fā)生水化反應(yīng)消耗部分OH-。由圖3c)可看出，同摻量時摻入石灰在28 d齡期內(nèi)都大于摻入礦渣后的淤泥pH 值。

圖3 不同摻量礦渣和石灰固化淤泥后pH 值

2.3 不同摻量對固化后淤泥強度的影響

不同摻量下礦渣和石灰固化后淤泥內(nèi)摩擦角、黏聚力的變化規(guī)律見圖4、5。摻入礦渣后，淤泥的內(nèi)摩擦角和黏聚力均隨齡期的增長而增大，且7 d內(nèi)增長占比超過50%；摻量超過12%時，淤泥內(nèi)摩擦角保持在21°，黏聚力維持在10 kPa。這是因為礦渣粉與疏浚淤泥顆粒的黏結(jié)性強，且7 d 內(nèi)水化速率快，生成的水化產(chǎn)物多，顆粒黏結(jié)速率快；摻量超過12%時，水化產(chǎn)物量增多，但沒有足夠的淤泥顆粒黏結(jié)。石灰摻量超過4%時，淤泥28 d 齡期內(nèi)摩擦角約為15°，超過6%時，降為14°；石灰摻量小于6%時，淤泥28 d 齡期黏聚力約為10 kPa，大于6%時，黏聚力維持在14 kPa；摻量越大，倒縮現(xiàn)象越明顯，內(nèi)摩擦角和黏聚力下降越多。由圖4c)和圖5c)可看出，同摻量情況下，礦渣提升淤泥內(nèi)摩擦角較石灰大3°～4°，且無倒縮現(xiàn)象，石灰提升淤泥黏聚力較礦渣大9～10 kPa，且石灰提升疏浚淤泥黏聚力效果均更優(yōu)。

圖4 不同摻量礦渣和石灰固化后淤泥內(nèi)摩擦角

圖5 不同摻量礦渣和石灰固化后淤泥黏聚力

根據(jù)《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置混合填埋用泥質(zhì)》，疏浚淤泥固化處理后無側(cè)限抗壓強度達到50 kPa可滿足填埋要求。不同摻量下礦渣和石灰固化后淤泥無側(cè)限抗壓強度變化規(guī)律見圖6。由圖6 a)、b)可以看出，摻入礦渣后，3 d 齡期淤泥無側(cè)限抗壓強度小于30 kPa；摻量低于12%時，7 d后強度增長占比超過60%，摻量超過12%時，7 d后強度增長占比僅40%，且28 d 無側(cè)限抗壓強度達到填埋要求；石灰摻量超過2%，3 d 淤泥強度增長占比超過60%，早強性好，14 d 時達到無側(cè)限抗壓強度峰值，摻量大于2%時，淤泥強度隨齡期增長出現(xiàn)倒縮。由圖6c)可看出，同摻量下，3 d齡期石灰提升淤泥強度效果好于礦渣，28 d齡期時4%石灰摻量的淤泥強度與8%礦渣摻量的淤泥強度接近；石灰固化疏浚淤泥會發(fā)生強度倒縮現(xiàn)象，礦渣則不會。

圖6 不同摻量礦渣和石灰固化后淤泥無側(cè)限抗壓強度

礦渣的水化產(chǎn)物，如水化硅酸鈣凝膠和水化鋁酸鈣晶體等，有黏結(jié)疏浚淤泥顆粒的作用，增強土體的強度。石灰水化反應(yīng)速率較快，在養(yǎng)護早期就生成大量的膠凝產(chǎn)物Ca(OH)2，Ca(OH)2的黏結(jié)性強，早期抗剪強度和無側(cè)限抗壓強度增長迅速，隨著Ca(OH)2進一步反應(yīng)生成CaCO3，消耗大量水分，黏結(jié)結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，發(fā)生干縮現(xiàn)象；摻量越多，水化產(chǎn)物越多，干縮越明顯。

2.4 無側(cè)限抗壓強度預(yù)測

不同摻量礦渣和石灰固化后淤泥28 d 無側(cè)限抗壓強度預(yù)測曲線如圖7 所示。為了預(yù)測不同摻量下28 d 齡期疏浚淤泥的無側(cè)限抗壓強度，考慮二次多項式模型，設(shè)置摻量為自變量，28 d 無側(cè)限抗壓強度為因變量，可得礦渣和石灰強度預(yù)測公式為:

圖7 不同摻量礦渣和石灰固化后淤泥28 d無側(cè)限抗壓強度預(yù)測曲線

式中:q礦、q石為礦渣、石灰固化后疏浚淤泥28 d無側(cè)限抗壓強度(kPa)；α為固化淤泥中礦渣摻量(%)；β為固化淤泥中石灰摻量(%)。

根據(jù)所得的預(yù)測公式，當?shù)V渣摻量為8.1%時，28 d 固化淤泥的無側(cè)限抗壓強度可達到50 kPa；當石灰摻量為3.79%時，28 d 固化淤泥的無側(cè)限抗壓強度可達到50 kPa。對比可得28 d 時達到填埋要求，所需的石灰摻量僅為礦渣量的一半。目前市場上S95 級礦渣粉成本為450～500 元∕t，生石灰450～550 元∕t，欲達到填埋要求，固化每噸淤泥需要礦渣21.79～24.20 元或石灰10.19～12.46 元，價格方面石灰更占優(yōu)勢，但是石灰處理后的淤泥為強堿性，對環(huán)境污染大。

3 結(jié)論

1)摻量低于20%時，礦渣和石灰降低疏浚淤泥含水率效果一般。同摻量下，礦渣比石灰消耗水分能力略強，可見礦渣對降低疏浚淤泥含水率有一定優(yōu)勢。

2)當?shù)V渣摻量超過12%或石灰摻量超過2%時，淤泥pH 值不隨摻量增加而增大，表明礦渣和石灰營造淤泥堿性環(huán)境有閾值。同摻量下，石灰提升淤泥pH 值的能力更強。

3)摻入礦渣后，淤泥在7 d 內(nèi)抗剪指標增長占比超過50%。礦渣摻量大于12%或石灰摻量超過6%時，淤泥抗剪指標不再增長。同摻量下，石灰提升淤泥黏聚力效果好，但是提升內(nèi)摩擦角效果較礦渣差。

4)礦渣摻量超過12%時，疏浚淤泥7 d 后無側(cè)限抗壓強度增長占比超過50%；石灰摻量超過2%即發(fā)生倒縮現(xiàn)象，14 d 齡期時無側(cè)限抗壓強度達到最大。同摻量時，石灰早強性比礦渣好，但是會發(fā)生強度倒縮現(xiàn)象。

5)根據(jù)經(jīng)驗公式，28 d 時達到50 kPa 的填埋要求，所需的石灰摻量僅為礦渣量的一半，固化成本方面石灰占優(yōu)，但是存在污染大的問題。礦渣和石灰的混合比例對疏浚泥固化效果的影響還需要做進一步研究，以達到固化的最佳效果。