河道清淤底泥固化材料正交試驗研究

侯 永 成

(山西六建集團有限公司第四分公司，山西 太原 030021)

?

河道清淤底泥固化材料正交試驗研究

侯 永 成

(山西六建集團有限公司第四分公司，山西 太原 030021)

介紹了河道底泥常用的固化方法，通過無側限抗壓強度的正交試驗，研究了水泥、粉煤灰、生石灰、沸石對固化底泥強度的影響規律，試驗結果表明，摻入水泥、粉煤灰、生石灰、沸石后，固化底泥的強度得到明顯改善，在四種固化劑中，水泥對固化土抗壓強度的影響處于主導地位，粉煤灰次之，生石灰和沸石最小。

河道底泥，固化材料，正交試驗，抗壓強度

1 概述

隨著經濟和社會的不斷發展，人們每年需要的用水量和廢水排放量也逐年增加，在這樣貌似“正常”發展的過程中，出現了一些“不正常”但又可稱為“正常”的現象，如廢水不斷排放至河流中后，河流中的淤泥逐年增多，河流底泥的不斷積累可對河流造成不同程度的二次污染。

通常對河道底泥的處理方式有以下幾種：

1)制磚。目前制作燒結磚的原材料大多數還是使用粘土進行燒制，采用粘土進行燒制不僅破壞耕地而且造成嚴重的生態環境破壞。采用河道底泥進行制磚，僅需對底泥進行篩分、晾至一定濕度后可入模進行燒制。底泥內含有大量有機物和磷化物，這些物質燒制時也可產生一定能量，燒制時可節省一部分煤炭，達到節能、廢棄物資源再生利用的效果。

2)制陶粒。采用河道底泥燒制陶粒的主要燒制步驟為：先將底泥從河道里挖出，將底泥運送至干燥場進行自然干燥，干燥完成后將底泥破碎篩分后加入一定量的外摻料，將兩者攪拌均勻后加入一定量的水繼續攪拌，攪拌后篩選球狀物入窯預熱，之后再進行焙燒、冷卻、篩分，最終制得陶粒成品。目前，同濟大學對河道底泥制作成陶粒的研究較多，得到的試驗結果較好。由于河道底泥中同樣也含有一定量的重金屬，同濟大學的相關研究人員對含有重金屬含量的底泥制作成的陶粒成品中進行入水浸出試驗后發現重金屬溶出量較少，同樣對對照組試驗進行入水浸泡試驗，發現入水一周左右并未有重金屬離子析出，因此可得采用河道底泥制作陶粒，并不會對環境造成二次破壞。

3)農用。河道底泥內含有大量的有機物質和無機物，將其當作人工化肥應用到農田中時可節省工業化肥的使用量，從而降低由于制作工業化肥而造成的環境污染。但河道底泥中還含有較多的細菌、重金屬等有害物質，因此在應用時不可將其直接應用至農田中，而應對其進行進一步的加藥殺菌、混凝去除有害物質、脫水后再拌入一定量的家畜和家禽的糞便，制作成一種新型的有機化肥，最后經衛生防疫站檢測后再應用于農田中。若河道底泥中重金屬含量超標則不可將其應用于農田和菜地中，但可應用于綠化工程中的花卉和園林中，達到廢棄資源最大化利用和降低對人類健康的侵害。

4)掩埋。對河流底泥最常規的處理方式為將其挖出運送至廢棄物處理場直接掩埋處理，廢棄物處理場周圍的屏蔽系統可避免底泥的有害物質擴散出場外，避免場外生態環境被二次破壞。同樣，這種處理方式還會在將來成為我國處理河道底泥的主流方式。在對河道底泥進行處理時，要求底泥的無側限抗壓強度大于50 kPa，而直接從河道里開挖出的底泥含水量較高、抗壓強度低，在短時間內呈流動狀態，因此在填埋前應對其進行預固化或固化處理。對底泥進行固化處理是一種最為廉價和方便快捷的處理方法。

對河道底泥進行固化處理時采用的固化材料主要為水泥，由于河道底泥內含有大量的有機物和其他影響水泥水化反應的物質，導致在進行固化時不能達到理想固化效果，為達到理想效果水泥用量必須增加，從而導致固化成本增加。為解決降低水泥用量的問題，目前我國主流的處理方式是在固化材料中添加粉煤灰、高爐殘渣、生石灰、沸石和粘土等輔加劑的方式降低水泥用量，以達到較理想的淤泥固化效果。

本文以常規的固化材料為基準配合比，以生石灰、粉煤灰和沸石為輔加劑，采用正交試驗方法研究輔加劑對河道底泥抗壓強度的影響，分別研究這三種輔加劑在底泥固化過程中的作用，為以后固化處理河道底泥提供一定參考。

2 試驗材料和方法

2.1 試驗材料

表1 正交試驗方案

底泥原材料選自太原某河流河底0 mm～100 mm范圍內的沉積物，樣本采集點位于水流穩定、緩慢的位置，采樣后將樣本置于塑料密封袋內，將樣本帶至實驗室內后自然晾干，之后祛除其他雜質，研磨后采用100目的尼龍篩進行篩分，保存小于100目的底泥粉料待用。固化劑為P.O42.5普通硅酸鹽水泥，固化輔加劑采用生石灰、粉煤灰和沸石。

2.2 試驗方法

按照設計配比，將水泥、粉煤灰、生石灰和沸石與底泥充分混合，控制含水量為78%，加入水充分攪拌均勻，將攪拌均勻的混合料分三層置入φ45×80 mm的桶形模具內，每層入模后將其置于振動臺上振動2 min后再澆筑第二層，澆筑完成后將試驗模具和試塊置于恒溫、恒濕(20 ℃±2 ℃、濕度>95%)的養護箱(室)內24 h后脫模，脫模后繼續在此環境中養護至指定齡期(7 d，14 d和28 d)，養護至指定齡期后分別對試塊進行無側限抗壓強度測試。

2.3 正交試驗設計

選用L16(44)正交表安排試驗，選擇水泥、粉煤灰、生石灰和沸石作為試驗變量，正交試驗具體配合比如表1所示。

3 計算結果及分析

采用不同輔助固化材料和不同摻量的固化材料的無側限抗壓強度計算結果如表2，表3所示。從表2的試驗結果可得：當其他參數相同時，無側限抗壓強度隨著齡期的增長而增長；當齡期相同時，1號～4號試驗組的無側限抗壓強度基本呈現遞增的趨勢，有同樣增長趨勢的試驗組還有5號～8號和9號～16號；隨著養護齡期的增長和輔助固化劑的增長，底泥無側限抗壓強度呈直線型增長，這說明隨著齡期的逐漸增長固化劑在底泥中的水化反應更完全，使得底泥的無側限抗壓強度更高，固化效果更完全，同理隨著固化劑摻量的增加，固化劑的作用同水泥基本相同，固化體積更大，使得無側限抗壓強度更高。

表3 結果分析表

從表3中可以看出，在所有齡期下，各因素的極差大小排序為A>B>D>C，從而可以確定，影響無側限抗壓強度的因素從大到小的排序分別為：水泥>粉煤灰>沸石>生石灰。

各因素的最佳摻入量取Ki最大的水平下的摻入量，因而在7 d的養護齡期內的最佳方案為B4A2C4D4，即為：粉煤灰16%，水泥12%，生石灰8%，沸石8%。

從養護齡期為14 d的試驗結果可以看出，各因素的最佳摻入量取Ki最大的水平下的摻入量，因而在14 d的養護周期內的最佳方案為A4B3C1D3，即為：水泥24%，粉煤灰12%，生石灰2%，沸石6%。

從養護齡期為28 d的試驗結果可以看出，最佳方案為A4B4C2D3，即為：水泥24%，粉煤灰16%，生石灰4%，沸石6%。

由以上分析可得，生石灰與沸石對固化土無側限抗壓強度增長的貢獻較小，水泥對固化土抗壓強度的貢獻最大，粉煤灰次之。但也有一個特例，固化劑中含有粉煤灰且養護齡期為7 d的固化土中對強度影響最為明顯的是粉煤灰，這說明水泥對固化土早期強度的貢獻較小。隨著養護齡期的增長，水泥對強度的影響明顯增加，增加水泥的摻入量可有效提高底泥固化土的強度。隨著齡期的增長，生石灰和沸石的作用逐漸減弱，因此在最佳配比中這兩種固化劑的最佳摻入量降低。

4 結語

1)摻入水泥、粉煤灰、生石灰、沸石固化材料后，底泥的強度得到明顯改善，同時粉煤灰、生石灰、沸石的添加不僅可提高底泥的強度，還可有效降低單獨添加水泥時的費用。

2)通過正交試驗確定了各固化劑的最佳配比方案。底泥固化塊隨養護齡期的增長而增大，水泥的用量對底泥的無側限抗壓強度的影響最大，粉煤灰的用量對其抗壓強度的影響次之，沸石和生石灰的用量對其抗壓強度的影響最小。

[1] 吳健波，劉振鴻，陳季華.剩余污泥處置的減量化發展方向[J].中國給水排水,2001,17(11):24-26.

[2] 趙麗君，張大群，陳寶柱.污泥處理與處置技術的進展[J].中國給水排水,2001,17(6):23-25.

[3] 朱 偉,林 城,李 磊,等.以膨潤土為輔助添加劑固化/穩定化污泥的試驗研究[J].環境科學,2007,28(5):1020-1025.

[4] 趙樂軍,張曉鋒,閆澍旺,等.添加生石灰/土、粉煤灰改善污泥填埋特性的研究[J].中國給水排水,2007,23(3):88-91.

[5] 金 艷,宋繁永,朱南文,等.不同固化劑對城市污水處理廠污泥固化效果的研究[J].環境污染與防治,2011,33(2):74-78.

Research of river dredging sediment curing materials orthogonal experiment

Hou Yongcheng

(TheFourthBranchofShanxi6thConstructionGroupCo.,Ltd,Taiyuan030021,China)

Introduced the common solidification method of river sediment, through the unconfined compressive strength of the orthogonal experiment, cement, fly ash, lime and zeolite was studied the influence law of the strength of solidified sediment. The test results show that the mixed with cement, fly ash, lime, zeolite, the strength of the solidified sediment are obviously improved. In the four types of curing agent, cement effect on compressive strength of solidified soil in a dominant position, the influence of fly ash, lime and zeolite is minimal.

river sediment, curing materials, the orthogonal experiment, compressive strength

2016-06-16

侯永成(1974- )，男，工程師

1009-6825(2017)04-0205-02

TU502

A