洞庭湖北部垸內(nèi)溝渠淤泥固化土物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)研究

田 大 作

(湖南省水利水電科學(xué)研究院，長(zhǎng)沙 410007)

0 引 言

近年來，隨著對(duì)農(nóng)村以及城鎮(zhèn)交接地區(qū)環(huán)境保護(hù)意識(shí)增強(qiáng)和飲用水質(zhì)量改善要求的提高，人們開始有計(jì)劃的對(duì)區(qū)域內(nèi)溝渠進(jìn)行清淤處理。目前，我國(guó)渠道淤泥處理的主要方式為堆放填埋[1-3]和拋棄入海[4-6]兩種。但需要注意的是，現(xiàn)有處理方法尚會(huì)帶來一定的不良影響。首先，渠道淤泥數(shù)量大、具有一定污染性，堆放填埋會(huì)占用大面積土地，浪費(fèi)土地資源，運(yùn)輸成本等也相對(duì)較高[7,8]；其次，大量污染物富集在溝渠水底沉積形成的淤積泥沙中，具有較強(qiáng)污染性，拋入外海或填埋均會(huì)造成環(huán)境的二次污染[9]。因此，如何提出一種高效、簡(jiǎn)單又環(huán)保的淤泥處理措施已成為渠道疏浚工程普遍存在的難點(diǎn)之一，而考慮渠道疏浚工程項(xiàng)目的不斷增多，課題研究具有顯著的工程價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

目前，歐美國(guó)家提出了采用固化處理淤泥的方法，且將固化處理后的淤泥用于建筑工程中，如將處固化處理后的淤泥用于路基填筑、制作磚等[10]。因此，若將固化技術(shù)引進(jìn)渠道淤泥處理中，不僅有利于環(huán)境保護(hù)，同時(shí)可降低工程成本、提高工程效益，既可解決淤泥的處理問題，也有著良好的工程效益和積極的社會(huì)意義。

鑒于此，本文以洞庭湖北部垸內(nèi)溝渠淤泥為研究對(duì)象，采用水泥加偏鋁酸鈉對(duì)溝渠淤泥進(jìn)行固化試驗(yàn)，測(cè)定其不同齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，滲透系數(shù)等物理力學(xué)指標(biāo)，獲得淤泥固化土的最優(yōu)配比，并對(duì)其進(jìn)行電鏡掃描，獲得其微觀結(jié)構(gòu)。

1 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研與淤泥性能測(cè)試

1.1 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研與分析

為了深入了解洞庭湖北部垸內(nèi)溝渠情況，對(duì)垸內(nèi)溝渠進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，洞庭湖北部區(qū)垸內(nèi)溝渠存在溝渠淤塞、水質(zhì)惡化，岸坡雜亂等問題。

通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研分析，洞庭湖北部垸內(nèi)溝渠出現(xiàn)上述現(xiàn)狀的原因主要為：①垸內(nèi)溝渠由于上游農(nóng)田水土流失，溝渠局部被人為筑壩攔斷，水流流速小，溝渠兩岸雜草影響等原因，造成溝渠泥沙淤泥嚴(yán)重，溝渠過水能力減弱；②部分地區(qū)畜牧養(yǎng)殖業(yè)的廢物、廢水直接排放至溝渠 ，在高氣溫、低流速、無處理的情況下，溝渠水質(zhì)惡化嚴(yán)重，水環(huán)境亟需改善；③溝渠數(shù)量巨大，專業(yè)人員少、經(jīng)費(fèi)匱乏等客觀原因，導(dǎo)致溝渠長(zhǎng)期處于疏于管理甚至無人管理的狀態(tài)，日常維護(hù)基本缺失，導(dǎo)致溝渠環(huán)境日漸惡化。

隨著洞庭湖治理的不斷深入，出于保護(hù)環(huán)境和改善水質(zhì)條件的目的，必須對(duì)這些溝渠進(jìn)行清淤處理。但需要注意的是，大量污染物富集在溝渠水底沉積形成的淤積泥沙中，具有較強(qiáng)污染性，故不能直接采用還田方法以免對(duì)農(nóng)作物生產(chǎn)產(chǎn)生安全隱患，且可能造成溝渠水體環(huán)境的二次污染；而將清出的淤泥運(yùn)出處理，不僅增加運(yùn)輸成本，而且確保棄土區(qū)及對(duì)棄土區(qū)的環(huán)境影響也是必須要面對(duì)的問題。因此，若能將清出的淤泥進(jìn)行固化處理，不僅有利于環(huán)境保護(hù)，同時(shí)可降低工程成本、提高工程效益。

1.2 淤泥性能測(cè)試

通過對(duì)洞庭湖北部垸內(nèi)溝渠淤泥進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取樣，對(duì)淤泥進(jìn)行密度、含水率、界限含水率、孔隙比、飽和度、級(jí)配特征等物理特性測(cè)試，并對(duì)淤泥進(jìn)行礦物成分分析。

(1) 含水率。含水率對(duì)淤泥性能有顯著影響，參考《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123-1999)測(cè)得淤泥的含水率，測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 淤泥含水率

(2) 密度。淤泥濕密度和干密度采用環(huán)刀法進(jìn)行了測(cè)定，測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 淤泥濕密度和干密度 g/cm3

(3) 孔隙比及飽和度。淤泥孔隙比的大小能反映淤泥的松、密程度，淤泥的孔隙比越大，淤泥越疏松，反之則淤泥越密。而淤泥的飽和度能反映淤泥的濕潤(rùn)程度。故根據(jù)獲得的含水率、密度與比重等結(jié)果，根據(jù)式(1)、(2)可計(jì)算獲得孔隙比與飽和度見表4。

e=ρwGs(1+ω0)/ρ0-1

(1)

Sr=ω0/[ρw(1+ω0)/ρ0-1/Gs]

(2)

(4)顆粒級(jí)配。考慮到淤泥顆粒大小較小，故僅采用密度計(jì)法測(cè)定0.075 mm以下的土顆粒級(jí)配，測(cè)得的粒徑組成見表4。

表4 淤泥粒徑組成

顆粒級(jí)配分析可知，淤泥粒徑分布范圍較為廣泛，顆粒級(jí)配良好。其中，粒徑小于0.075 mm占比100%，粒徑小于0.005 mm的占比20.74%，淤泥試樣中粉粒、黏粒含量高。

(5) 有機(jī)質(zhì)含量和化學(xué)組成。淤泥有機(jī)質(zhì)含量和化學(xué)組成對(duì)其固化效果存在一定影響，經(jīng)檢測(cè)試驗(yàn)所選淤泥有機(jī)質(zhì)含量達(dá)到了7.26%，淤泥的化學(xué)組成為二氧化硅60%、三氧化鋁17%、三氧化二鐵10%、氧化鈣10%、氧化鎂2%、硫化物1%。

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，洞庭湖北部垸內(nèi)溝渠淤泥主要化學(xué)成分為二氧化硅和三氧化鋁，含水量超過75%，有機(jī)質(zhì)含量大于5%，粒徑小于0.075mm占比100%，粉粒、黏粒含量高。

2 試樣制備及試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)材料

(1)淤泥。取自洞庭湖北部安鄉(xiāng)縣垸內(nèi)溝渠內(nèi)淤泥，并將雜物等去除。

(2)水泥。水泥為普通硅酸鹽水泥R42.5，細(xì)度通過80 μm方孔篩的篩余量不大于5%，性能滿足GBl75-2007標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)要求。

(3)固化劑。根據(jù)淤泥的物理特性、有機(jī)質(zhì)含量和化學(xué)組成，選取偏鋁酸鈉作為固化劑，購(gòu)自天津某化工廠。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用正交試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，為了便于制樣，先將淤泥加水制成泥漿，測(cè)得相應(yīng)比重后再與水泥與固化劑進(jìn)行混合。本試驗(yàn)采用比重為1.0、1.2、1.4、1.6的泥漿8 L；水泥0.43、0.64、0.87、1.07 kg；偏鋁酸鈉0.43、0.64、0.87、1.07 g進(jìn)行三因素四水平正交試驗(yàn)。

2.3 試樣制備

將水泥、偏鋁酸鈉與泥漿按一定配比在鐵桶中混合，利用機(jī)械進(jìn)行攪拌，并采用壓力試驗(yàn)機(jī)壓實(shí)，每組制作6個(gè)平行試樣，共96個(gè)試樣，具體過程如下。

(1) 按照試驗(yàn)配比稱量泥漿、水泥和固化劑；

(2) 將水泥、偏鋁酸鈉加入定量泥漿中，用攪拌機(jī)低速攪拌5 min 后得拌和料；

(3) 將拌和料倒入直徑50 mm高100 mm 圓柱體試模中，使00塊外露4 cm。在 1 h 內(nèi)用壓力試驗(yàn)機(jī)將000塊壓入試模，維持壓力5 min，試驗(yàn)設(shè)置壓力為 200 kN；

(4) 試樣24 h后進(jìn)行脫模，稱取的記錄各試件質(zhì)量，測(cè)量試件高度，質(zhì)量損失不能超過10 g，高度誤差為0.2～0.2 cm。舍去質(zhì)量及高度不合格試件，并立即用密封袋將試件密封，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度為20 ℃，濕度為 95%以上。

2.4 試驗(yàn)方法

參考《土壤固化劑應(yīng)用技術(shù)導(dǎo)則》對(duì)固化淤泥進(jìn)行性能測(cè)試。 試驗(yàn)測(cè)試固化土14d 齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，以每組6個(gè)試樣的平均值作為該組固化土強(qiáng)度值，舍去測(cè)試值與平均值相差超過10%的試樣。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本次試樣的淤泥固化土用于路基填筑，其固化效果評(píng)價(jià)主要為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，通過對(duì)泥漿、水泥摻量、偏鋁酸鈉摻量的正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行14 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的極差分析，見表5。

由極差分析結(jié)果可知，泥漿摻量、水泥摻量、偏鋁酸鈉摻量極差分別為0.17、0.795、0.05。故該試驗(yàn) 3個(gè)影響因素中水泥摻量對(duì)淤泥固化土的抗壓強(qiáng)度影響最大，其主次關(guān)系為水泥摻量>泥漿摻量>偏鋁酸鈉摻量。

因此，試驗(yàn)中應(yīng)該著重控制水泥摻量這個(gè)因素。此外，淤泥固化土試驗(yàn)抗壓強(qiáng)度正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果可以得出抗壓強(qiáng)度最優(yōu)配比為A4B4C1，即泥漿摻量為9.6 kg，水泥摻量為1.07 kg，偏鋁酸鈉摻量為0.43 g。

4 固化淤泥電鏡掃描分析

取最優(yōu)配比的固化淤泥4次干濕循環(huán)后試件進(jìn)行電鏡掃描試驗(yàn)，結(jié)果如圖1所示。

由圖1(a)、(b)可知，固化淤泥在干濕循環(huán)4次后形成許多蜂窩狀結(jié)構(gòu)物質(zhì)，它由偏鋁酸鈉中活性物質(zhì)聚合后形成，含有較多的疏水基團(tuán)，具有較小的表面張力而不吸水，具有大小不一的凹孔，只能通過潮氣而阻止液態(tài)水通過。由圖1(c)、(d)可知，水化反應(yīng)過程中生成了大量的桿狀結(jié)晶，長(zhǎng)徑比較大，直接連接兩個(gè)甚至多個(gè)淤泥顆粒，并相互疊加形成了三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

圖1(e)表明，水化反應(yīng)過程中也生成了比較多的棒狀結(jié)晶，與CSH凝膠及淤泥顆粒結(jié)合比較緊密。圖1(f)表明，水化

表5 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度側(cè)限正交試驗(yàn)分析

圖1 淤泥固化微觀分析結(jié)果(SEM)

反應(yīng)過程中存在針狀結(jié)晶，但數(shù)量比較少。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，水化反應(yīng)中桿狀結(jié)晶長(zhǎng)徑比較大，且結(jié)晶數(shù)量及結(jié)構(gòu)性強(qiáng)于棒狀結(jié)晶，說明偏鋁酸鈉能極大地促進(jìn)水泥水化反應(yīng)進(jìn)行，其產(chǎn)物能顯著提高淤泥固化淤泥中顆粒間的結(jié)合力。

5 淤泥固化土填筑路基施工工序

對(duì)于洞庭湖北部溝渠淤泥，當(dāng)淤泥深度基本相同時(shí)，根據(jù)淤泥的濕密度1.56 g/cm3，按照質(zhì)量比泥漿摻量∶水泥∶偏鋁酸鈉=9.6∶1.07∶0.43，配置水泥偏鋁酸鈉混合液，采用粉體布料機(jī)在淤泥表面噴射，并采用特種淤泥拌和機(jī)直接在淤泥區(qū)拌和。經(jīng)拌和均勻后，采用自卸汽車快速運(yùn)送至工地，進(jìn)行攤鋪碾壓，避免運(yùn)輸時(shí)間過長(zhǎng)，發(fā)生攤鋪壓實(shí)困難；現(xiàn)場(chǎng)攤鋪可采用推土機(jī)、平地機(jī)等，按規(guī)定的厚度進(jìn)行施工，攤鋪厚度一般為30 cm，松鋪厚度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。施工過程中應(yīng)嚴(yán)格遵守施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備操作技術(shù)規(guī)范，杜絕設(shè)備帶病工作、各種機(jī)械的操作人員和機(jī)動(dòng)車輛駕駛?cè)藛T，必須經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)和考試合格后，方準(zhǔn)獨(dú)立操作。具體施工工藝流程如圖2所示。

圖2 淤泥固化土填筑路基施工流程圖

從經(jīng)濟(jì)性方面來講一般情況下，采用淤泥固化土填筑路基，1 m3的回填單價(jià)約為50元，比常規(guī)土方回填單價(jià)略高，但考慮到淤泥的處治費(fèi)用，實(shí)際成本更低，且淤泥再利用具有良好的社會(huì)和環(huán)境效益。

6 結(jié) 語

(1)通過一系列物理特性測(cè)試試驗(yàn)可知，洞庭湖北部垸內(nèi)溝渠淤泥具有較高的含水量和有機(jī)質(zhì)含量，淤泥粒徑分布范圍較為廣泛，粉粒、黏粒含量高，主要化學(xué)成分為二氧化硅和三氧化鋁。

(2)提出了采用水泥、偏鋁酸鈉來固化湖北部垸內(nèi)溝渠淤泥的處理方法，當(dāng)泥漿摻量為9.6 kg，水泥摻量為1.07 kg，偏鋁酸鈉摻量為0.43 g固化獲得的固化體強(qiáng)度最高。

(3)偏鋁酸鈉能有效促進(jìn)水泥水化生成大量的AFt結(jié)晶，并能修復(fù)AFt膨脹作用產(chǎn)生的微裂縫。結(jié)晶體長(zhǎng)徑比直接連接兩個(gè)甚至多個(gè)淤泥顆粒， 形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高加筋、骨架及填充作用，形成剛性約束，提高固化淤泥強(qiáng)度和抗?jié)B透性能。

(4)采用淤泥固化土填筑路基，1 m3路基的回填單價(jià)約為直接成本50元，比常規(guī)路基土方回填單價(jià)略高，但考慮到淤泥的外運(yùn)處治費(fèi)用，實(shí)際成本更低。

為就近利用洞庭湖北部垸內(nèi)溝渠淤泥，考慮將水泥、偏鋁酸鈉來固化淤泥的方法推廣至洞庭湖堤防工程，下階段擬對(duì)其滲透變形特性和耐久性開展進(jìn)一步研究。

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