超高含水率湖相淤泥固化試驗及填筑性能分析

2020-09-12 04:28:06王江營張貴金楊凱翔李晨玉簡回香

硅酸鹽通報 2020年8期

王江營，陽滔，張貴金,3,4，楊凱翔，李晨玉，王牧，簡回香

(1.長沙理工大學水利工程學院，長沙 410114；2.湖南建工集團有限公司，長沙 410004；3.水沙科學與水災害防治湖南省重點實驗室，長沙 410114；4.洞庭湖水環境治理與水生態修復湖南省重點實驗室，長沙 410114)

0 引言

改革開放以來我國采礦業、工業及畜牧業快速發展，早期由于缺少環保理念，各種工農業污染物與生活廢棄物無序排放，致使國內不少河流、湖泊曾被嚴重污染。通過水體更換來消除污染，不僅耗時費力且效果比較有限，只能達到“治標”的效果。究其原因，水體被污染后，重金屬及毒害物質會沉積到水底0.3～1.0 m深的淤泥內，只有將污染物富集的淤泥清除，方可實現“治本”。同時，清淤還能提高河流、湖泊的排洪、蓄洪能力[1]。然而，淤泥是一種高含水率的工程垃圾土，物理力學性能極差，并且富集各類有害物質，必須對其進行妥善處理，否則會造成二次污染[2]。

隨著社會經濟不斷發展，環保意識逐漸增強，國內外許多學者對淤泥資源化利用進行了研究[3]，其中，最常用的方式之一便是對淤泥進行固化處理后用于各類填方工程(路基、人工島、假山等)[4]。日本名古屋第三島和日本中部國際機場在建設過程中采用了大量經固化處理的疏浚淤泥作為填筑材料[5]。秦峰等[6]將預處理后的蘇州河疏浚污泥用于填埋場封場覆蓋，不僅能滿足防滲、強度等方面的要求，而且不會產生二次污染。汪洪星等[7]采用膨潤土對淤泥進行了一系列改性試驗研究，發現在淤泥中合理添加膨潤土可以改善其工程力學特性與抗凍融特性。詹博博等[8]針對大連灣各類海相淤泥開展了一系列試驗，詳細分析了孔隙溶液鹽分濃度對水泥固化土滲透特性的影響規律。田大作[9]采用水泥、偏鋁酸鈉等材料對洞庭湖溝渠內的淤泥進行了固化試驗，并對固化后的淤泥作為路基填筑材料進行了分析研究。李芳菲等[10]針對無錫太湖疏浚淤泥，摻入不同含量(100～200 kg/m3)的水泥制成標準試件，并在對試件進行干濕循環處理的基礎上對其開展了直剪試驗和單向固結試驗，研究了水泥摻量、干濕循環等因素對太湖疏浚淤泥工程力學特性的影響。

綜上所述，淤泥中沉積了大量侵入污染物，是水環境治理的關鍵因素之一。雖然目前已有許多專家對此展開研究并取得了一定成果，但仍存在一些不足之處：其一，不同地區淤泥的物質組成、物理力學特性、污染物等各不相同，必須因地制宜，結合具體情況尋求更為合理可行的處理方案；其二，當前市場上各類固化劑成本普遍較高，在很大程度上制約了許多水環境治理工程的開展；其三，已有研究成果多集中在淤泥的力學特性卻忽略了其物理特性，而許多淤泥難以直接用于填筑工程的主要原因便是受制于其超高含水率，處于流塑狀態，不具備任何填筑性能。

因此，本文擬結合云南省紅河州個舊市大屯海水庫清淤擴容與水生態修復工程，針對水庫超高含水率湖相淤泥，通過試驗研究探尋出一種適合當地情況，且具有一定經濟優勢的淤泥改性固化處理方法，使其可用于填筑工程，實現資源化利用，并為相關工程建設提供一定參考和技術支持。

1 工程背景

大屯海水庫為巖溶高原湖盆區低洼地積水而成的天然湖泊，設計總庫容為5 520萬立方米，年供水總量4 667萬立方米，具有多年調節性能。2006～2008年間大屯鎮片區遇特大暴雨，洪水將徑流范圍內的廠礦尾礦渣及化工原料沖入大屯海，導致重金屬污染非常嚴重，水庫總磷、總氮、高錳酸鉀指數(CODmn)、砷化物、氟化物五項指標的含量高于《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)Ⅲ類標準值，砷化物含量一直為劣Ⅴ類，大屯海水庫淤泥表面為深灰或者純黑色，散發有腥臭氣味，夾雜有一定動植物腐殖體，呈堿性，其化驗資料詳見表1。

表1 大屯海水庫淤泥主要污染物含量Table 1 Main pollutants content of sludge in Datunhai /(mg/kg)

由表1可知，大屯海水庫已經喪失了農業、漁業等生產用水功能，為響應黨和國家號召，現對其進行清淤擴容和水生態修復，旨在清除水庫內重金屬沉積的淤泥，增大庫容，恢復其供水能力。經初步估算，需被清除的淤泥總量約800萬立方米，為妥善處置這些淤泥，擬在水庫附近修建閉合擋土墻，將淤泥回填于擋土墻范圍內，形成坡比為1∶10的人工島，服務于當地旅游開發。淤泥主要物理力學參數如表2所示，可知其處于流塑狀態，無側限抗壓強度為零，無法用于填筑。因此，需對淤泥進行改性固化處理，提高其力學性能,降低含水率，同時，固化方案應具有較好的經濟性和技術可行性。

表2 大屯海淤泥物理力學特性Table 2 Physical and mechanical properties of sludge in Datunhai

2 實驗

2.1 原料及方案

針對上述超高含水率湖相淤泥，結合紅河州當地情況，考慮經濟和環保因素，擬采用普通硅酸鹽水泥、生石灰、粉煤灰、減水劑作為固化材料，其基本性質見表3，基于正交試驗方法，探討其對淤泥力學性能和含水率的影響，以期尋求出一種科學合理的配比，使改性固化后的淤泥可用于人工島填筑。

表3 固化劑基本性質Table 3 Basic properties of curing agent

對于這4種固化劑，每種均考慮4種水平，具體如表4所示，各個摻量均為固化劑與淤泥的質量比[11]。

表4 固化劑摻量試驗水平Table 4 Test factors and levels of curing agent content /%

結合表4，可采用L16(44)正交表建立相應試驗方案，如表5所示，其中，每種方案下的試樣分別在3 d、7 d、14 d和28 d齡期下進行強度和含水率試驗。

表5 不同固化劑摻量下正交試驗方案Table 5 Orthogonal experiment scheme of different curing agent content /%

2.2 實驗過程

按照每一種試驗方案，首先，將固化劑與淤泥攪拌均勻后裝入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的模具內，在(20±1) ℃，濕度≥95%的標準養護箱中養護至規定齡期[12]；然后，采用萬能試驗機按5 mm/min的加載速率對試樣進行無側限抗壓強度測試；最后，從每個破壞試樣的中心部位取50～80 g土體在65～70 ℃的烘箱中烘干48 h，測試其含水率。每種方案均制作6個試樣取其平均值作為試驗結果，當6個試驗結果中最大值或最小值與平均值之差大于20%時，則取中間4個結果的平均值作為試驗結果。圖1所示為部分試驗照片。

圖1 部分試樣照片Fig.1 Photos of some specimens

3 結果與討論

3.1 實驗結果

不同方案下淤泥試樣的試驗結果如表6所示，其中，f1～f4和w1～w4分別表示試樣在3 d、7 d、14 d和28 d齡期下的無側限抗壓強度與含水率。

表6 不同方案下試驗結果Table 6 Test results under different schemes

3.2 不同固化劑對淤泥無側限抗壓強度影響分析

根據表6中的試驗結果，可求得不同齡期淤泥試樣在不同固化劑下的無側限抗壓強度均值，以分析不同固化劑對淤泥固化后強度的影響趨勢，如圖2所示。

圖2 不同固化劑對淤泥無側限抗壓強度影響趨勢Fig.2 Impact trend of various curing agent on unconfined compressive strength of sludge

利用圖2中的強度均值，可進一步求得試樣在不同齡期時的強度極差，如表7所示。

表7 不同齡期試樣無側限抗壓強度極差Table 7 Range analysis of sample unconfined compressive strength in different ages

結合表7以及圖2，可知：

(1)淤泥無側限抗壓強度隨固化劑摻量和養護齡期增加而不斷提高，但不同固化劑的影響程度存在較大差別；3 d齡期時，影響主次順序為：水泥>生石灰>減水劑>粉煤灰，在7 d、14 d和28 d齡期時，影響主次順序為：水泥>減水劑>生石灰>粉煤灰。

(2)在試驗初始階段，試樣強度隨齡期而快速增長；當齡期達到14 d后，各組試樣的強度增長趨勢開始變緩，即硬化反應主要發生在14 d及以前階段。

(3)淤泥無側限抗壓強度隨水泥和減水劑摻入量增加而近似呈線性增長，其中，水泥是淤泥強度的最主要影響因素，當齡期較短時，減水劑對淤泥強度影響不明顯。

(4)隨著生石灰和粉煤灰摻入量不斷增加，淤泥無側限抗壓強度的增長趨勢會逐漸變緩，故對于強度而言，合理控制二者摻入量可優化工程成本。此外，當齡期較短時，生石灰對淤泥強度有比較顯著的影響，僅次于水泥。

3.3 不同固化劑對淤泥含水率影響分析

根據表6中的試驗結果，可求得不同齡期淤泥試樣在不同固化劑下的含水率均值，以分析不同固化劑對淤泥固化后含水率的影響趨勢，如圖3所示。

圖3 不同固化劑對淤泥含水率影響趨勢Fig.3 Impact trend of various curing agent on water content of sludge

利用圖3中的含水率均值，可進一步求得試樣在不同齡期時的含水率極差，如表8所示。

表8 不同齡期試樣含水率極差Table 8 Range analysis of sample water content in different ages

結合表8以及圖3，可知：

(1)淤泥含水率隨固化劑摻量和養護齡期增加而不斷降低，固化劑的影響主次順序為：生石灰>水泥>減水劑>粉煤灰。

(2)在試驗初始階段，試樣含水率隨齡期而快速降低；當齡期達到7 d后，各組試樣的含水率降低趨勢開始變緩，即固化劑吸水反應主要發生在7 d及以前階段。

(3)生石灰、水泥、減水劑對淤泥含水率的影響趨勢比較接近，即隨三者摻入量不斷增加，淤泥含水率下降速率越來越大，其中，生石灰的影響最為顯著。

(4)隨著粉煤灰摻入量不斷增加，淤泥含水率降低速率逐漸變緩，其影響程度最弱。

由于4種固化劑反應機理各不相同，故造成了上述結果。水泥水化反應生成了C-S-H等具有膠結作用的物質，是淤泥強度提高的主要原因，其反應需要一定時間；生石灰反應速度很快，生成的Ca(OH)2可提供堿性環境，且釋放較大熱量，這會進一步促進水泥C-S-H生成量，消耗水分，故早期階段生石灰即可大幅降低淤泥含水率，且對強度有較大影響；粉煤灰活性較低，早期只能發揮填充作用，隨齡期不斷增長其所包含的可溶性物質逐漸與Ca(OH)2反應生成具有一定強度的膠凝物質；減水劑可調節水泥顆粒反應面積，增加活性，促使水泥反應更加充分，從而達到提高淤泥強度、降低含水率的效果。

3.4 固化后淤泥填筑性能計算分析

淤泥用于填筑工程時，固化劑摻量越高，齡期越長，其效果越好，但建設成本亦隨之增加。因此，應在滿足填筑基本要求的前提下，合理控制固化劑摻入量和養護齡期，以降低成本?！冻擎偽鬯幚韽S污泥處置混合填埋用泥質》規定污泥用于混合填埋時其含水率應小于60%。設計計算表明，當大屯海淤泥填筑成坡比為1∶10的人工島時，其無側限抗壓強度不應低于220 kPa。

為驗證填筑方案的合理性與可行性，針對填筑方案建立了相應的數值模型，選用方案12中7 d時淤泥的物理力學參數，此時淤泥的壓縮模量3.45 MPa、泊松比0.25、體積模量1.92 MPa、剪切模量1.15 MPa，將其填筑于寬0.4 m、高6.5 m的鋼筋混凝土擋墻內，800萬立方米淤泥按1∶10坡比分20層填筑，每層高0.5 m，填筑完成后高約10 m。FLAC3D計算結果顯示，人工島最大沉降約12.8 cm，坡體最大位移約1 cm，擋土墻位移約6 cm，均在設計允許范圍內，如圖4所示?？芍?，方案12中7 d時的淤泥能夠滿足填筑工程要求，人工島處于整體穩定狀態，具備技術可行性；同時，該方案下每立方米淤泥所需固化劑含量并不高，具有較好的經濟性。