基于北部灣海域疏浚淤泥的塊體制備研究

覃昌佩 蔣乙平 何奇

摘 要：以北部灣海域淤泥為主要原料制備塊體替代普通混凝土，當淤泥：水泥：礦粉：石膏=70：20：18：2時，在15MPa成型壓力下，基于半干法壓制成型的淤泥塊體28d、90d抗壓強度分別為23.5MPa和27.3MPa，后期強度不倒縮。與普通C20混凝土相比，淤泥塊體成本降低37.5%。該材料可以替代普通混凝土制備護面磚、護面塊體等應用于航道整治或道路工程，為港口、航道整治疏浚淤泥的資源化利用提供有效途徑。

關鍵詞：北部灣;疏浚淤泥;水泥基材料;資源化利用

隨著國家對自然資源的保護嚴格要求，傳統開山采石方式受到限制。而港口建設、航道整治工程等工程帶來大量疏浚砂土，疏浚砂土的建材資源化利用，可以減輕對環境的影響，間接地節省土地，降低工程造價。大量利用廢棄疏浚砂土、有效緩解天然砂石材料短缺和枯竭問題，對推動綠色水運、促進生態保護將起到積極作用[1]。廣西鐵山港在港池開挖過程中產生大量的疏浚淤泥，將產生過億方的淤泥，對于如此大量的疏浚淤泥，若僅將其作為廢物進行外拋處理，不僅占用大量土地，還會導致周圍環境及水資源的二次污染，造成土資源的巨大浪費[2]。由此，亟待對鐵山港在港池開挖過程中產生的大量廢棄疏浚泥進行經濟有效的處置與利用。

進行疏浚淤泥建材化循環再生利用技術的研究及應用，以港口建設過程產生的海域疏浚淤泥為主要原材料制備具有自重輕、抗裂性強、低收縮的水泥基材料替代普通混凝土就近應用于港口航道或市政等工程，可以為港口建設或航道整治廢棄物的資源化利用提供有效的途徑，具有顯著的社會和經濟效益。

1試驗原材料及方法

礦粉為S95級礦粉，比重比為2.83g/cm3，比表面積為385m2/kg;粉煤灰二級粉煤灰;水泥為P.O42.5普通硅酸鹽水泥;淤泥PH值大于7，呈堿性。顆粒小于0.075mm的占94.0%，0.25～0.075mm為6.0%。淤泥外觀形貌如圖1所示。

將一定質量的疏浚淤泥、礦粉或粉煤灰、水泥添加到砂漿攪拌機的料桶內，將干料用JJ-5水泥膠砂攪拌機攪拌2分鐘，干料攪拌均勻后再加一定量的水再攪拌2分鐘;將攪拌后的物料稱重，加入到模具中，然后在SHT4305型微機控制電液伺服萬能試驗機型上以規定的壓力壓制成試件，壓制制度為600N/S速率加壓至15MPa恒壓兩分鐘;試件采用定期灑水養護。試件抗壓、劈裂抗拉驗按照SL 352-2006《水工混凝土試驗規程》進行，采用100×100×100mm試模養護7、28、90d后在SHT4305萬能試驗機上進行抗壓和劈裂抗拉試驗。

2試驗結果及分析

2.1疏浚淤泥塊體力學性能

疏浚淤泥塊體配合比及性能見表1：

從表1可知，淤泥含量固定時，早期淤泥塊體的抗壓強度和劈裂抗拉強度隨著水泥含量的增加而減少，其中S7的7d抗壓強度和劈裂抗拉強度達到了最大，分別為18.6MPa、2.96MPa。而90d后期強度隨著礦粉摻量增加，塊體強度增加，礦粉摻量為18%的S9試樣較之礦粉摻量為0%的S7試樣，90d抗壓強度提高19.2%，礦粉替代以及適量石膏的摻加可以有效改善淤泥試件干縮問題，從而獲得持續增長的長期強度。這是因為礦粉本身具有很強的活性成分包括 SiO2、Al2O3等，可與水泥的水化產物氫氧化鈣發生反應，生成水化硅酸鈣等凝膠從而對強度起到增強作用。王立久[3]等通過研究發現混凝土中礦粉的加入，不僅可以起到增強骨料與水泥漿界面過渡區的作用，還能使混凝土更加密實孔隙更少。其原因為礦粉可與水泥的水化產物氫氧化鈣發生反應，并生成C-S-H凝膠，氫氧化鈣的消耗使得界面過渡區得以增強，C-S-H凝膠可以填補混凝土中的孔隙，優化了孔級配。得出結論：礦粉在混凝土中具有填充效應、火山灰效應和微集料效應。同樣潘躍鵬[4]等人也發現活性礦粉可與水泥的水化產物氫氧化鈣發生反應，產生C-S-H和鈣礬石。氫氧化鈣的減少致使C-S-H等水化產物中孔的尺寸減小，進而使得試件更加密實從而提高其強度。此外，礦粉的活性可被水泥中的C3A激活，使得水泥水化加快，生成碳鋁酸鈣晶使其早期強度提高。

2.2 經濟分析

從表2可知，與普通C20混凝土相比，淤泥材料成本降低34.8%，可大量應用廢棄疏浚土，減少土地占用的同時有效緩解天然砂石材料的短缺，不僅降低了工程造價，并且廢物利用避免了其對環境的二次污染，是航道整治等工程降低對環境影響的有效措施，具有巨大的社會與經濟效益。

3結論

通過以上研究可以得到以下結論：

（1）研究首次以北部灣海域淤泥制備塊體，當淤泥：水泥：礦粉：石膏=70：20：18：2時，在15MPa成型壓力下，塊體28d、90d抗壓強度分別為23.5MPa和27.3MPa，長期性能穩定，該材料有望替代普通混凝土制備護面磚、護面塊體等應用于航道整治或道路工程，為港口、航道整治疏浚淤泥的資源化利用提供了一條有效途徑。

（2）與普通C20混凝土相比，淤泥材料成本降低34.8%，可大量應用廢棄疏浚土的同時實現大量工業廢渣礦粉等的廢物利用。以港口、航道工程疏浚淤泥為主要原材料制備塊體替代普通混凝土，不僅符合國家節能減排政策，而且經濟優勢顯著。

參考文獻：

[1] 李明東，夏霆，劉洋洋，等.海港疏浚含鹽淤泥燒結陶粒試驗研究[J].重慶交通大學學報，2016，35（6）：81-85.

[2] Andrea Mezencevova， Nortey N. Yeboah， Susan E. Burns， et al. Utilization of Savannah Harbor river sediment as the primary raw material in production of fired brick[J]. Journal of Environmental Management， 2012（113）：128-136.

[3]王立久，董晶亮，谷鑫.不同礦物摻合料對混凝土早期強度和工作性能影響的研究[J].混凝土，2013（04）：1-3.

[4]潘躍鵬，陶桂蘭.礦粉摻量對廢棄超細砂制備砂混凝土密度及強度影響研究[J].硅酸鹽通報，2018，37（03）：849-855.