河道淤泥固化技術研究

(新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

1 引 言

河道疏浚問題一直是我國河道整治的重要難題。為保證河道正常運行，國內近年來進行了大量的河道清淤工程，從而產生了大量的工程淤泥，而對于大面積的淤泥常采用修剪排泥堆場的方法，集中收集淤泥，使淤泥自然干化[1]。但這種方法由于底泥與周圍環(huán)境直接接觸，易造成二次污染，存在著較大弊端。生態(tài)治理理念旨在保護環(huán)境的前提下，最大程度治理污染，已是現(xiàn)如今治污清淤領域的必然發(fā)展趨勢[2]。淤泥固化技術近年來被廣泛應用于河道清淤疏浚工程中，常用的淤泥固化技術主要包括物理方法、熱處理方法和化學方法3大類[3-4]，前兩類由于其投資較大，導致應用受限。淤泥固化技術的主要原理是:通過在高孔隙率的淤泥中加入固化材料，使固化材料與淤泥之間發(fā)生化學反應，最終形成膠凝結構，使淤泥變?yōu)橥凉げ牧希_到資源再利用的目的[5]。但淤泥固化技術對不同河道淤泥類型，所要求的固化材料的用量不同，因此通過試驗研究河道最優(yōu)淤泥固化技術具有重要的現(xiàn)實意義。

2 試驗設計

該研究選取的淤泥物理指標及淤泥顆粒級配情況分別見表1和表2。在不同梯度水泥摻加量下設置不同石膏摻加量梯度，確定不同固化材料含量下對淤泥固化特性指標的影響，不同石膏摻加量以石膏摻入比來確定。所謂石膏摻入比指的是石膏摻加質量與水泥摻加質量的比值。試驗共設置3個不同梯度水泥摻入量，分別為每立方米淤泥摻加30kg、50kg和70kg，設置6個不同梯度的石膏摻入比，分別為0、10%、20%、30%、40%和50%，用不同石膏摻入比的淤泥制作試驗試塊，分別測定其養(yǎng)護7d和28d時的抗壓強度，研究不同石膏摻入比對淤泥固化形成機理，找出最優(yōu)石膏摻入比。

表1 淤泥基本物理性質參數(shù)

表2 淤泥顆粒組成

3 結果與分析

3.1 不同石膏摻入比對淤泥固化強度的影響

圖1為不同石膏摻入比和不同水泥摻入量下，淤泥7d和28d的固化強度對比。圖1顯示，高的石膏摻入比并未帶來高的淤泥固化強度，不同水泥摻入量下，淤泥固化強度均隨石膏摻入比的增大呈先增大后減小的趨勢。在石膏摻入比為30%時，3種水泥摻入量下的淤泥固化強度均達到最高值，7d固化強度分別提高了44.3%、49.7%和62.6%，28d固化強度分別提高了46.9%、47.5%和60.3%。同時，隨著水泥用量的提高，淤泥固化強度呈增加趨勢，水泥摻入量為70kg時，淤泥7d、28d固化強度在不同石膏摻入比下均達到最高值，因此水泥摻水量為70kg，石膏摻入比為30%時，淤泥強度達最高值。

圖1 不同石膏摻入比對淤泥固化強度的影響

3.2 不同石膏摻入比對淤泥固化增強系數(shù)的影響

圖2為不同石膏摻入比和不同水泥摻入量，對淤泥7d和28d固化增強系數(shù)的影響。圖2顯示，不同處理的淤泥固化增強系數(shù)對石膏摻入比的增加呈先增加后減少的趨勢。淤泥7d固化系數(shù)普遍低于28d固化系數(shù)，其中淤泥7d固化系數(shù)在石膏摻入比為10%時，水泥摻入量越低，其固化系數(shù)越高，隨著石膏摻入比的增加，水泥摻入量越大，淤泥固化系數(shù)越高；淤泥28d強度下，水泥摻入量為30kg和50kg的淤泥固化系數(shù)基本一致，而水泥摻入量為70kg的淤泥固化系數(shù)顯著提高，較其余處理淤泥固化系數(shù)最大提高了63.8%，提高明顯，因此水泥摻入量為70kg，對應石膏摻入比為30%時，淤泥7d和28d固化增強系數(shù)均最高。

圖2 不同石膏摻入比對淤泥固化增強系數(shù)的影響

3.3 淤泥固化機理分析

水泥固化淤泥的基本原理是通過水泥的水化作用，形成水化產物，與淤泥顆粒形成膠結結構，從而增加淤泥強度，具體反應公式如下：

水泥水化反應的主要產物為氫氧化鈣、水化硅酸鈣等，其水中的溶解度較高，與水發(fā)生反應后，使水泥顆粒重新與水接觸，進一步進行水化反應。水達到飽和后，不再溶解，反應物以膠體顆粒的形式析出，形成膠結結構，增加淤泥強度。

由于單純的僅靠水泥水化反應產生的水化硅酸鈣固化淤泥時，其填充淤泥顆粒之間孔隙的效率較低，而在反應中添加石膏之后，其余水泥發(fā)生反應形成鈣礬石，鈣礬石遇水膨脹，使固化淤泥的孔隙率減小，彌補了水化硅酸鈣的不足，進一步促進了淤泥固化。但由于鈣礬石的膨脹作用可增加淤泥強度，但無法增加其膠結性能，因此鈣礬石的功能具有兩重性，過量的施加石膏將降低最終淤泥固化強度。本研究發(fā)現(xiàn)：在石膏摻入比為30%時，淤泥固化強度最高；在石膏摻入比為40%和50%時淤泥固化強度反而降低，驗證了需提供最佳石膏摻入比的結論，因此為達到最優(yōu)淤泥固化強度，需保持水泥摻入量和石膏摻入比的合適比例；當水泥摻入量為70kg，石膏摻入比為30%時，淤泥的固化強度最高。

4 結 語

本文通過試驗研究的方法，分別設置30kg、50kg和70kg的水泥摻入量，分別對應0、10%、20%、30%、40%和50% 6種石膏摻入比，比較了不同處理對淤泥7d、28d固化強度與固化增強系數(shù)的影響，指出在水泥摻入量為70kg，石膏摻入比為30%時，淤泥7d、28d固化強度與固化增強系數(shù)最高，可作為淤泥固化的標準技術。但本研究水泥摻入量只設置了3種不同梯度的水泥用量，今后的研究應多設置幾組水泥摻入量的水平，得出最優(yōu)的水泥摻入量，為淤泥固化技術的構建提供基礎。

參考文獻

[1] 陶琛杰，顧曉惠，周健.淺析河湖生態(tài)清淤及淤泥固化技術的研究與運用[J].江蘇水利，2014(7)：42-44.

[2] 馬丹.生態(tài)治理技術在大凌河朝陽段的應用研究[J].水利規(guī)劃與設計，2017(5)：84-86,145.

[3] 唐曉武.超軟弱廢棄土的基本性質及其利用[C].第一屆全國環(huán)境巖土工程與土工合成材料技術研討會文集，杭州：浙江大學出版社，2002：81-87.

[4] 黃英豪，朱偉，董嬋，等.固化淤泥結構性力學特性的試驗研究[J].水利學報，2014，45(S2)：130-136.

[5] 丁建文，張帥，洪振舜，等.水泥—磷石膏雙摻固化處理高含水率疏浚淤泥試驗研究[J].巖土力學，2010，31(9)：2817-2822.