工業廢料固化高含水率疏浚淤泥強度特性分析

桂 躍，王其合，張 慶

(1.昆明理工大學建工學院土木系，云南 昆明 650051；2. 上海鐵路設計院集團有限公司，上海 200120)

0 引 言

利用工業廢料進行土壤改良在巖土工程中應用廣泛，如添加粉煤灰改善軟土的承載力、采用礦渣穩定膨脹土等.工業廢料在問題土改良中利用，不僅達到土性改良目的，而且實現了工業廢料本身的消納，具有良好的環境效益和經濟效益.

在港口工程、圍墾工程、河湖清淤工程中會產生大量疏浚淤泥[1-4].疏浚淤泥含水率高、黏粒含量高、強度極低，很多還富含有機質，是工程上難以直接利用的一種特殊土.在我國，通常是作為廢棄物在農田、水塘等地集中堆放，若不加以妥善處理，則會長期占用大量土地，造成一系列的社會問題，并且存在環境污染危害，如何處理疏浚淤泥是一個值得重視的問題.采用固化法將疏浚淤泥固化改良成填土材料，可以變廢為寶，既解決了淤泥處置問題，又緩解了工程建設中大量填土材料的需求，是疏浚淤泥資源化利用研究中的熱點之一.

國內外已有學者開展利用工業廢料固化處理疏浚淤泥的研究[5-8].目前，大部分的研究還是集中在用工業廢料作為輔助固化劑，輔助水泥、生石灰固化疏浚淤泥，通常這些復合固化劑的效果要優于單摻水泥或生石灰，但是這種方法對工業廢料的消耗是極其有限的，固化成本上也僅小幅改善.以工業廢料作為固化劑，輔以少量水泥或生石灰作為反應誘發劑，是工業廢料利用的另一種新的思路，更有利于工業廢料的消納及固化成本的節約[9].本文通過試驗分析了國內3種排放量較大的典型工業廢料：磷石膏、粉煤灰、礦渣固化高含水率疏浚淤泥的強度特性及強度影響因素，對工業廢料在固化疏浚淤泥中的利用有一定的參考意義.

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

疏浚淤泥取至江蘇省淮安市南水北調東線工程白馬湖疏浚淤泥吹填堆場，于實驗室中對其物理性質指標進行了測試，試驗均按照《土工試驗方法標準》(GB/T50123-1999)進行，其基本物理性質指標見表1.淤泥粒徑分布曲線測試采用馬爾文(Malvern)公司生產的Mastersizer Micro(MAF5000)激光衍射粒度儀進行測定，結果如圖1所示.

石灰產自南京市麒麟鎮麒麟石灰廠，是未消解的磨細生石灰，氧化鈣質量分數89.2 %，氧化鎂質量分數2.3 %，屬Ⅱ級生石灰.磷石膏取自江蘇某磷肥廠，主要成分為CaSO4·2H2O，采用烘干法測得其天然含水率17.4 %左右，2 mm篩余量小于1 %.粉煤灰取自江蘇某火電廠，主要成分為SiO2、Al2O3和Fe2O3，這3種成分的質量分數總和大致為73 %，天然含水率為15 %左右，經顆分試驗測得粉煤灰試樣中粒徑大于0.1 mm的顆粒質量分數為51 %，屬于II級粉煤灰.礦渣取自南京某煉鐵廠，主要成分為CaO、SiO2和Al2O3，屬于中等活性堿性礦渣.

表1 白馬湖疏浚淤泥的物理性質指標

圖1 白馬湖疏浚淤泥顆粒分布曲線Fig.1 Particle size distribution of dredged material from BaiMa-hu Lake

1.2 土樣制備

各種工業廢料的摻灰比分別為5 %、10 %、15 %、20 %，作為反應觸發劑的生石灰或水泥固定比例2.5 %，摻水泥作為觸發劑的工業廢料復合固化劑稱為水泥基復合固化劑，摻生石灰作為觸發劑的工業廢料復合固化劑稱為石灰基復合固化劑；為了對比單摻水泥或生石灰的固化效果，本文還分別進行了單摻水泥、生石灰固化淤泥試驗，摻灰比均為2.5 %、5 %、10 %、15 %、20 %，文中所有摻灰比均為淤泥質量百分比.制備包括攪拌、制樣和養護.

1.3 試驗方法

試樣為直徑5 cm、高度10 cm的圓柱體試樣，采用YSH-2型無側限壓力儀進行無側限抗壓強度試驗，試樣步驟根據《土工試驗方法標準》(GB/T50123-1999)進行，每一配比及齡期均采取3組試樣進行平行試驗.

2 試驗結果及其分析

2.1 固化疏浚淤泥無側限抗壓強度與摻灰比關系

圖2給出了養護齡期分別為28 d、90 d時， 6種復合固化劑,以及單摻生石灰或水泥固化疏浚淤泥試樣的無側限抗壓強度與摻灰比的關系.從圖中可以看出，各類固化疏浚淤泥的無側限抗壓強度和摻灰比大致呈線性增長關系.生石灰、水泥單摻摻灰比越大，固化淤泥無側限抗壓強度越大；對于工業廢料復合添加劑，生石灰或水泥摻灰比固定為2.5 %，隨著工業廢料的摻灰比增大，除部分磷石膏復合固化劑固化土外，其余固化土的無側限抗壓強度基本呈增加的趨勢.

圖2 固化淤泥無側限抗壓強度與摻灰比關系Fig.2 Relationship of UCS with the percent of stabilizer

為了直觀比較單摻水泥或生石灰和工業廢料復合固化劑的固化效果，圖3中給出來它們齡期28 d早期強度和齡期90天強度的直方圖.

從圖3中可以看出，齡期28 d的早期強度，水泥基復合固化劑固化淤泥的無側限抗壓強均高于200 kPa，生石灰基復合固化劑固化淤泥強度相對較低，但是也遠優于單摻生石灰.例如，單摻10 %生石灰固化淤泥的無側限抗壓強度僅有110 kPa左右，而摻2.5 %生石灰+10 %的磷石膏固化淤泥的無側限抗壓強度達到350 kPa左右，從而體現了復合固化劑固化土早期強度高的優勢.對比單摻水泥的效果，磷石膏復合固化劑的固化效果和其持平，例如，單摻15 %水泥固化淤泥的無側限抗壓強度550 kPa左右，而摻2.5 %水泥+15 %磷石膏固化淤泥的無側限抗壓強度590 kPa左右；而礦渣、粉煤灰復合固化劑在摻灰比10 %、15 %、20 %時低于水泥固化的效果.齡期90 d時，復合固化劑的效果優于水泥和生石灰，尤其是遠優于單摻生石灰的效果.例如，單摻10 %生石灰固化疏浚淤泥的無側限抗壓強度是185 kPa，而2.5 %生石灰+10 %礦渣組成的復合固化劑固化淤泥強度高達590 kPa，是其3倍以上.經對比發現，3種工業廢料中，磷石膏的效果明顯優于礦渣和粉煤灰，礦渣略優于粉煤灰.

圖3 不同齡期固化淤泥無側限抗壓強度與工業廢料摻灰比關系Fig.3 Relationship of UCS with the percent of stabilizer with different curing period

從圖2、圖3中還可以看出，磷石膏復合固化劑固化淤泥存在強度轉折點，當齡期90 d時，摻灰比超過一定值，固化土的無側限抗壓強度反而有所降低.對于水泥基磷石膏復合固化劑，當磷石膏的摻灰比ac=10 %為強度轉折點；對于石灰基磷石膏固化劑，磷石膏的摻灰比ac=15 %為強度轉折點.

2.2 固化疏浚淤泥無側限抗壓強度與養護齡期關系

圖4給出了單摻水泥、生石灰，工業廢料復合固化劑固化淤泥無側限抗壓強度與養護齡期的關系曲線.

從圖4中可以看出，固化疏浚淤泥的無側限抗壓強度發育隨著養護齡期的增加呈現增大的趨勢，且水泥摻灰比小于10 %、生石灰摻灰比15 %時，固化土的強度增幅較平緩，且與齡期大致呈線性關系；大于上述摻灰比時，強度增長呈現冪指數關系；對于復合固化劑固化淤泥，強度隨齡期增大而增大，但是本次試驗中可以看出它們的關系并無一致的規律，部分呈線性關系，部分呈冪指關系.

2.3 固化疏浚淤泥強度增長率與摻灰比關系

為了分析工業廢料的摻加及摻灰比增大導致的強度增長，引入固化土的無側限抗壓強度增長率Dqu，用以評估工業廢料的固化效果.無側限抗壓強度增長率的表達式如式(1).

Dqu=(qu2-qu1)/qu1×100 %

(1)

式(1)中：Dqu為無側限抗壓強度增長率；qu2為復合添加劑固化疏浚淤泥無側限抗壓強度，本文中為不同摻灰比工業廢料和2.5 %生石灰或水泥組成的復合固化劑；qu1為一定摻灰比 (本文為 2.5%)生石灰或水泥固化疏浚淤泥無側限抗壓強度.

圖4 固化疏浚淤泥無側限抗壓強度與養護齡期的關系Fig.4 Relationship of the UCS with the curing period

圖5給出了養護齡期28 d時，固化疏浚淤泥強度增長率與工業廢料摻灰比的關系，從圖中可以看出，生石灰基的復合固化劑固化疏浚淤泥的無側限抗壓強度增長率比水泥基的要大2至4倍；摻灰比越大，無側限抗壓強度增長率越大，它們之間呈直線關系，可以用Dqu=mac+n表示.圖5數據擬合出如下關系式：

圖5 齡期28d時固化疏浚淤泥無側限抗壓強度增長率與摻灰比關系Fig.5 Relationship of the increasing rate of UCS with the percent of stabilizers on the curing period of 28 d

2.5%水泥+ac磷石膏

Dqu=39.6ac-29.5R2=0.99

2.5%水泥+ac礦渣

Dqu=31.8ac-13.4R2=0.97

2.5%水泥+ac粉煤灰

Dqu=32.1ac-47.7R2=0.96

2.5%生石灰+ac磷石膏

Dqu=179.9ac-163.6R2=0.99

2.5%生石灰+ac礦渣

Dqu=158.5ac-215.3R2=0.97

2.5%生石灰+ac粉煤灰

Dqu=126.5ac-198.5R2=0.99

引用現有文獻中其他研究者得出的試驗結果，分析無側限抗壓強度增長率與摻灰比，也可以得出類似的關系式，如表2所示.結合本文試驗和前人資料，可以發現m,n的取值和疏浚淤泥的初始含水率、工業廢料種類有關.

表2 引用其他研究者發表的試驗數據Table 2 Data from the other researches

由本文試驗結果及前人成果可以看出,齡期28 d時,無側限抗壓強度增長率和工業廢料的摻灰比有良好的線性關系,因此可以在水泥或生石灰摻灰比一定時,根據工業廢料的摻灰比進行固化淤泥無側限抗壓強度的預測.

對于單摻水泥固化淤泥的強度與摻灰比的關系，前人已有很多研究成果.朱偉[11]給出了推求某個齡期和水泥量的固化土無側限抗壓強度公式：qu=0.77t0.58(ac-20)；M.Boutouil[12]擬合了無側限抗壓強度與水灰比的關系UCS28d=a[1/ (w/c) +b]；M.A.Sakr[13]的研究成果中擬合了石灰摻灰比與固化淤泥無側限抗壓強度的關系：qu=6.28+8.68ac+0.47t.從圖2可以看出，本文試驗中單摻水泥固化淤泥的強度與摻灰比關系和文獻[11]提出的預測公式最為接近，可以在此基礎上提出關于水泥基復合固化劑固化淤泥的無側限抗壓強度預測公式：

qu, 28d=qu1+qu2=qu1+ (Dququ1+qu1)=

(2+Dqu)qu1=k(ac1-a0)(2+mac2+n)=

k(ac1-a0) (mac2+n)

(2)

式(2)中：k為固化系數；a0為最低水泥摻灰比；ac1為水泥摻灰比；ac2為工業廢料摻灰比；m,n為工業廢料固化系數.在實際工程中，只要預先進行幾組單摻水泥或生石灰的試驗，確定出k和a0，而后再固定水泥或生石灰摻灰比ac1，變化幾組工業廢料摻灰比ac2，得出m和n，從而可以利用此公式預估達到理想的固化土強度所需的摻灰比組合.上式也可以用于石灰基復合固化劑固化淤泥強度的預測.

3 固化機理及成本分析

3.1 固化機理

水泥或石灰固化疏浚淤泥的作用可總結如下：a.物理吸水，干物質的加入，相當于降低了淤泥的含水率；b.化學反應轉化水，固化劑水化過程及生成水化產物過程中需要一定量的水；c.水化產物的作用，水化產物對淤泥土有膠結作用.但是淤泥初始含水率過高、摻灰比較小的時候，過多的水分導致水化產物在單位體積中的數量較少，土中孔隙多，難以形成較高的整體強度[14].

對于不同的種類的工業廢料，其參與淤泥固化發生的反應機理也是不同的.磷石膏復合固化劑的固化機理是在強堿性環境下，隨著齡期的增長，磷石膏中的硫酸鈣和淤泥中的活性氧化物發生復雜的化學反應，會生成鈣礬石，主要反應方程如下[15]：

3Ca (OH)2+Al2O3+3CaSO4+26H2O→

3Ca (OH)2·Al2O3·32H2O

鈣礬石含有32個結晶水，在結晶的形成過程中，固相體積膨脹將達到約120 %.磷石膏的摻入一方面消耗了淤泥中的水，起到減水作用；另一方面生成的結晶物填充了土中存在的空隙，增加了淤泥固化土的密實度，從而強度增大.但當磷石膏摻量超過一定值時，生成的鈣礬石過多，膨脹作用有可能使土體結構破壞，導致強度下降.從本文試驗結果可以看出，膨脹量過大分別出現在試樣養護齡期90 d、水泥基復合固化劑磷石膏的摻灰比大于10%、生石灰基復合固化劑磷石膏的摻灰比大于15 %，之后，這說明膨脹物質的生成和養護齡期及磷石膏的摻灰比有關.

礦渣及粉煤灰在固化反應中起作用的成分較為相似，均為固化劑中的活性SiO2和Al2O3在水泥或生石灰提供的堿性環境中發生水化反應，生成大量水化產物，水化硅酸鈣(CSH)與水化鋁酸鈣(CAH)，起到吸水和膠結土顆粒的作用[16-19].相比而言，礦渣中還含有較多的CaO成分，可以為水化反應提供更多的堿性環境，因此礦渣復合固化劑的效果要優于粉煤灰.

3.2 固化成本分析

高含水率疏浚淤泥的固化處理成本中，固化劑成本是重要組成部分.對于大規模的淤泥固化，質優價廉的固化劑可以節約相當可觀的成本.以本文為例，按目前市場價格，水泥約為600 元/t、生石灰200 元/t，粉煤灰、礦渣屬于成本極低的工業廢料，約50 元/t，而磷石膏其成本可以視為0元.從本文試驗結果來看，單摻15 %左右的水泥固化效果相當于“2.5 %水泥+20 %工業廢料”復合固化劑的效果，計算得出，“2.5 %水泥+20 %工業廢料”復合固化劑改良1 m3淤泥的成本僅十幾元左右，而要達到相同的改良效果，單摻水泥的成本在五六十元左右，由此可以看出工業廢料巨大的低成本優勢；此外，工業廢料的消納帶來的環境效益也是巨大的.但是值得注意的是，工業廢料復合固化劑的使用還要顧及其運輸成本，對于距離較遠的將會產生一定的運輸費用.

綜上所述，磷石膏、粉煤灰、礦渣等都屬于工業廢料，用于疏浚淤泥的固化是一種“以廢治廢”的做法.對于需要大規模處理疏浚淤泥的工程來說，考慮就地取材采用更多的含無機膠凝材料的工業廢料作為問題土的固化劑是值得提倡的做法.

4 結 語

工業廢料作為固化劑處理疏浚淤泥，是一種“以廢治廢”的方法，有望實現工業廢料的大量消納及淤泥固化處理成本的節約.本文通過室內試驗，分析了3種典型工業廢料的固化淤泥效果，得出以下結論：

a.3種工業廢料中，磷石膏復合固化劑的固化效果最為明顯，礦渣次之，粉煤灰最差.除磷石膏外，工業廢料復合固化劑固化疏浚淤泥的無側限抗壓強度與摻灰比呈線性關系，摻灰比越大，固化淤泥無側限強度越高.磷石膏復合固化劑固化土中的磷石膏摻灰比過大、養護齡期較長，可能產生大量膨脹物質導致固化土的結構破壞.

b.試樣養護齡期28 d時，固化疏浚淤泥的無側限抗壓強度增長率與工業廢料的摻灰比呈線性關系，摻灰比越大，強度增長率越大，且石灰基復合固化劑比水泥基固化劑固化土的強度增長率高.

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