水泥-生石灰雙摻處理淤泥含水率變化規(guī)律

朱紅偉，江帥，張晴波，常防震，王健，劉功勛

（中交疏浚技術(shù)裝備國(guó)家工程研究中心有限公司，航道疏浚技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201208）

0 引言

采用化學(xué)固化劑如水泥和生石灰對(duì)高水率淤泥進(jìn)行處理的技術(shù)較為成熟[1-3]。固化處理使得淤泥、水、固化材料之間發(fā)生一系列的水解和水化反應(yīng)，在顆粒表面產(chǎn)生膠凝物質(zhì)，使顆粒具備一定的水穩(wěn)定性和強(qiáng)度穩(wěn)定性。不僅可以增大顆粒的粒徑，還可以通過固化材料的水化作用有效地降低淤泥的含水率[4-7]。因此本試驗(yàn)擬結(jié)合化學(xué)固化的方法對(duì)高含水率疏浚淤泥進(jìn)行處理，降低其含水率。固化試驗(yàn)主要是配合比試驗(yàn)，擬采用水泥和生石灰作為固化材料，主要研究固化劑處理土的含水率變化規(guī)律，為疏浚淤泥的工程應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)淤泥和試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)用淤泥土

試驗(yàn)淤泥取樣于浙江溫州項(xiàng)目堆場(chǎng)。顆分試驗(yàn)采用Mastersizer Micro激光衍射粒度儀進(jìn)行測(cè)定，粒徑曲線如圖1所示。液塑限采用100 g錐，錐角為30°的液、塑限聯(lián)合測(cè)定所得，有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀氧化法測(cè)定。表1給出了試驗(yàn)用淤泥的物理指標(biāo)。

1.2 試驗(yàn)方案

圖1 泥沙級(jí)配曲線Fig.1 Sedimentgrading curve

表1 試驗(yàn)用淤泥物理指標(biāo)Table1 Physicalparametersof dredged sediment

本研究中采用的摻灰比定義為固化劑質(zhì)量與總質(zhì)量之比，根據(jù)不同初始含水率、不同的摻灰比來確定原泥和固化劑質(zhì)量。采用人工和機(jī)械相結(jié)合的拌和方式，攪拌時(shí)間約10 min，攪拌均勻后的處理土樣采用塑料袋包裝，敞口存放在恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)至規(guī)定的齡期，養(yǎng)護(hù)溫度為（20±1）℃。摻灰比低于15%時(shí)，隨著摻灰比的增加而呈線性增大，實(shí)際工程中固化劑摻灰比不大于13%，因此本研究中摻灰比控制在13%以下[6]。

為比較固化效果，同時(shí)進(jìn)行了單摻水泥、單摻生石灰試驗(yàn)和雙摻水泥-生石灰試驗(yàn)。單摻試驗(yàn)中，通過加水調(diào)制獲得不同含水率的淤泥質(zhì)土，采用不同的摻灰比對(duì)淤泥進(jìn)行處理，得到淤泥處理土含水率隨摻灰比的變化規(guī)律。雙摻試驗(yàn)中，主要采用了保持摻灰比為10%不變的方法，采用不同的混合摻灰比對(duì)淤泥進(jìn)行處理，得到淤泥處理土含水率隨摻灰比的變化規(guī)律。試驗(yàn)工況如表2所示，每組工況取3個(gè)平行樣。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 單一固化劑淤泥處理土含水率的變化規(guī)律

圖2為采用單一固化劑在摻灰比為1%、4%、7%、10%和13%時(shí)，對(duì)初始含水率分別為60%、70%和80%的淤泥質(zhì)土進(jìn)行處理時(shí)含水率的變化。從圖2來看，淤泥的含水率隨著摻灰比的增加而呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。在同一含水率和摻灰比條件下，水泥對(duì)淤泥含水率的降低效果要好于生石灰。還可以看出，隨著含水率的提高，固化劑對(duì)含水率的降低效果略有不同。圖2（a）中，當(dāng)水泥的摻灰比小于4%時(shí)，水泥處理效果不如生石灰，而當(dāng)摻灰比增加到7%時(shí)，水泥的處理效果反超了生石灰，并且隨著摻灰比的增加，其處理效果一直優(yōu)于生石灰。從圖2（b）中的結(jié)果中可以看出，水泥的處理效果是明顯好于生石灰的。而在圖2（c）中顯示，當(dāng)初始含水率達(dá)到80%時(shí)，水泥和生石灰處理淤泥的效果大致一樣。從圖2中生石灰和水泥處理效果來看，說明生石灰的處理效果隨著初始含水率的增加而提高。

表2 固化淤泥實(shí)驗(yàn)工況Table2 Condition of curing sludge test

2.2 單一固化劑淤泥處理土含水率降低率的變化規(guī)律

圖2 單一固化劑淤泥處理土含水率的變化規(guī)律Fig.2 Change rule of thewater contentof treated soils by single curing agent

圖3為采用單一固化劑在摻灰比為1%、4%、7%、10%和13%時(shí)，對(duì)實(shí)始含水率分別為60%、70%和80%的淤泥質(zhì)土進(jìn)行處理時(shí)含水率降低率的變化。定義含水率降低率為：

式中：DW為含水率降低率；W0為原泥含水率；WT為處理土含水率。

同樣地，可以從圖3總體來看，淤泥處理土的含水率降低率隨著摻灰比的增加也逐漸增加。淤泥的初始含水率對(duì)固化劑的處理效果的影響非常大。初始含水率為60%和70%時(shí)，水泥的處理效果好于生石灰，而當(dāng)含水率為80%時(shí)，生石灰的處理效果均好于水泥。圖3（a）和圖3（b） 的結(jié)果顯示，當(dāng)摻灰比大于7%時(shí)，水泥處理土的含水率降低率大致在25%以上。還可以看出，當(dāng)摻灰比為7%時(shí)，水泥處理土的含水率降低率基本保持不變，說明摻灰比7%是一個(gè)比較合適的值。另外，從圖3中可以看出，隨著淤泥初始含水率的增加，處理土的含水率降低率也隨之增加。總體上含水率降低率隨著摻灰比的增加線性增加，而圖3（c）顯示水泥直到含水率達(dá)到80%時(shí)，其處理土含水率降低率才隨著摻灰比的增加而成比例增加。

圖3 單一固化劑淤泥處理土含水率降低率的變化規(guī)律Fig.3 Change rule of thewater content decrease ratio of treated soilsby single curing agent

2.3 單一添加劑情況下齡期對(duì)水泥處理土含水率變化規(guī)律

2.3.1 摻灰比為2%和8%情況下齡期對(duì)水泥處理土含水率變化規(guī)律

圖4和圖5分別為采用摻灰比為2%和8%的水泥對(duì)初始含水率60%的疏浚淤泥進(jìn)行處理的含水率隨齡期的變化。由圖4中的結(jié)果顯示，水泥處理土的含水率均隨著齡期的增加而減小，含水率降低率均隨著齡期的增加而增大。前3 d的含水率降低較大，3 d齡期后含水率降低率的增速變緩。

由圖5中的結(jié)果可見，摻灰比為2%時(shí)，1 d、3 d和7 d齡期含水率降低率分別為1.2%、3.5%和7.2%，比摻灰比為8%時(shí)的含水率降低率低10%左右。隨著齡期的增加，雖然含水率降低速率變緩，但仍然處于較高的水平。盡管如此，從3 d齡期以后，處理土的含水率降低速率基本保持一定的增速，出于試驗(yàn)需要的時(shí)間成本分析，可以通過3 d齡期的處理效果推斷處理土含水率變化規(guī)律。

圖4 初始含水率為60%淤泥處理土的含水率隨齡期的變化Fig.4 Relationship between water contentand curing time for treated soilsw ith initialwater content of60%

圖5 初始含水率為60%淤泥處理土的含水率降低率隨齡期的變化Fig.5 Relationship between decreasing ratio ofwater contentand curing time for treated soilsw ith initialwater contentof 60%

2.3.2 不同摻灰比情況下齡期對(duì)水泥處理土含水率變化規(guī)律

在2.3.1節(jié)結(jié)果基礎(chǔ)上可以得知，擴(kuò)大了摻灰比的范圍，如圖6和圖7所示。采用摻灰比1%、4%、7%、10%和13%的水泥對(duì)初始含水率60%的疏浚淤泥進(jìn)行處理來研究含水率隨齡期和摻灰比的變化。

從圖6和圖7的結(jié)果可以看出，摻灰比在3%以下時(shí)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)含水率的降低率沒有明顯的影響，而在摻灰比為7%時(shí)，處理土養(yǎng)護(hù)3 d明顯比養(yǎng)護(hù)1 d的處理效果要好得多，此時(shí)養(yǎng)護(hù)1 d和3 d的含水率降低率分別為11%和27%，大致3倍左右。摻灰比在3%以上時(shí)，隨著摻灰比的增加，處理土的含水率降低率緩慢增加，遠(yuǎn)沒有7%時(shí)含水率的降低率的變化大。因此可以推斷，一般水泥處理土，含水率一定時(shí)，摻灰比為7%和養(yǎng)護(hù)3 d時(shí)可以達(dá)到時(shí)間和經(jīng)濟(jì)兼顧的處理效果。

2.4 混合固化劑淤泥處理土含水率變化規(guī)律

圖8和圖9中顯示了初始含水率為80%的淤泥質(zhì)土，保持摻灰比10%時(shí)，采用多組不同混合摻灰比的處理土含水率變化規(guī)律。

圖6 初始含水率為60%淤泥處理土1 d和3 d齡期的含水率隨摻灰比的變化Fig.6 Relationship between water contentand lime ratio for treated soilsw ith initialwater contentof 60%in curing time of1 d and 3 d

圖7 初始含水率為60%淤泥處理土1 d和3 d齡期的含水率降低率隨摻灰比的變化Fig.7 Relationship between decreasing ratio ofwater contentand lime ratio for treated soilsw ith initial water contentof60%in curing timeof1 d and 3 d

圖8 雙摻固化劑時(shí)淤泥處理土的含水率隨生石灰摻灰比的變化Fig.8 Relationship between thewater contentof treated soilsand the lime ratio ofquick limeby double curing agent

圖9 雙摻固化劑時(shí)淤泥處理土的含水率降低率隨生石灰摻灰比的變化Fig.9 Relationship between thewater contentdecrease ratio of treated soilsand the lime ratio of quick limeby double curing agent

由圖8和圖9中的結(jié)果可知，水泥和生石灰摻灰比保持為10%時(shí)，隨著生石灰摻灰比的變化，淤泥處理土的含水率呈現(xiàn)波形的變化規(guī)律。從圖8中可以看出，在生石灰的摻灰比由1%增加到9%的過程中，處理土的含水率降低率先增加后減小至最低，此時(shí)生石灰摻灰比為5%，當(dāng)生石灰摻灰比繼續(xù)增加時(shí)，含水率又逐漸增加達(dá)到最大值。圖8和圖9中的結(jié)果顯示，隨著生石灰摻灰比的增加，含水率降低率與含水率變化基本相反，而在生石灰摻灰比最大亦即水泥摻灰比降至1%時(shí)，含水率降至最低，而含水率降低率也增至最大。圖8和圖9還顯示出3個(gè)最大值出現(xiàn)在水泥和生石灰摻灰比為9∶1，5∶5和1∶9的時(shí)候，這說明摻灰比或?yàn)樽畲螅驗(yàn)檎壑腥≈怠５窃趽交冶茸畲髸r(shí)，處理土的含水率變化為突變，不利于形成規(guī)律性結(jié)果，因此水泥和生石灰摻灰比比值為1時(shí)，此時(shí)處理土處理的效果最好。

3 結(jié)語

淤泥的含水率隨著固化劑摻灰比的增加而呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。在同一含水率和摻灰比條件下，水泥對(duì)淤泥含水率的降低效果要好于生石灰。生石灰的處理效果隨著初始含水率的增加越來越好，其處理效果逐漸接近于水泥。

水泥處理土的含水率均隨著齡期的增加而減小，含水率降低率均隨著齡期的增加而增大。當(dāng)摻灰比在3%以下時(shí)，齡期對(duì)含水率的變化影響不大。當(dāng)摻灰比在3%以上時(shí)，齡期對(duì)含水率降低率的影響加大。3 d齡期時(shí)，隨著摻灰比的增加，處理土的含水率降低率緩慢增加，摻灰比為7%時(shí)含水率降低率最大。

混合摻灰時(shí)，隨著生石灰摻灰比的變化，淤泥處理土的含水率呈現(xiàn)波形的變化規(guī)律。水泥和生石灰摻灰比比值為1時(shí)達(dá)到最佳處理效果。

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