基于鈣鎂鹽的底泥高效脫水固化方案

袁立群，陳 儉，林 璇，武博然，趙風斌

（1.深圳市市政工程總公司，廣東深圳 518033；2.同濟大學環境科學與工程學院，上海 200092）

水泥系固化劑（水泥、石灰、石膏及其他鈣鎂鹽、鈣鎂氧化物）由于其低廉的價格、較強的黏結能力以及水化反應產生堿度對重金屬等無機污染物浸出毒性的降低作用而成為目前較為主流的剩余污泥、疏浚底泥固化劑。由白云石高溫煅燒制成的固化劑（M1）主要成分為CaO和MgO，其固化效果主要是由CaO的水化反應生成Ca（OH）2，產生大量熱促進水分揮發，實現底泥干化；由于Ca（OH）2巨大的比表面積而對底泥顆粒加以吸附，進而形成對于底泥顆粒的團粒化作用，增強底泥顆粒間相互摩擦力，提高底泥抗剪切強度[1]。其次，當Ca（OH）2團粒化作用完成后剩余游離Ca2+還會與底泥SiO2發生火山灰反應，生成3CaO·SiO2·3H2O，更加有效地實現了底泥固化穩定化[2]。因此本文選取M1固化劑與工程應用中最為常見的有機調理劑聚丙烯酰胺（PAM）進行復配，分析無機固化劑與有機調理劑復配時的底泥脫水固化效果，以無側限抗壓強度為衡量指標，同時兼顧固化底泥液限、塑性指數測定結果，建立底泥固化改性最優藥劑投加方案。

1 材料與方法

1.1 底泥采集

底泥采集于浙江省嘉興市某待疏浚河道，采樣點位河流交匯點及污染物排放口下游500～1 000m處，采樣深度為水固相界面以下0～60cm。采集的底泥樣品需避光保存于4℃冰箱中，其基本性質如表1所示。

表1 底泥基本性質

1.2 試驗方法

M1固化劑由白云石高溫煅燒制成，主要成分為CaO和MgO。由于本文試驗用疏浚底泥礦物組成中黏土礦物主要以高嶺石為主，底泥親水性較差，因此選擇有機調理劑聚丙烯酰胺（PAM）增強底泥顆粒對水分子的結合能力。將M1固化劑（投加量為底泥濕基質量的0.2%、0.6%和1%）與PAM（投加量為底泥濕基質量的0.1%、0.2%和0.3%）投加至含水率90%疏浚底泥，充分攪拌后于5 000r/min條件下離心10min，棄去上清液，收集脫水后底泥，自然風干3-5h后，裝入高70mm，截面直徑35mm的塑料管模中制得圓柱形待測試樣，24h后脫模，于室溫下繼續養護（養護時間為3d、8.5d和14d），然后測定試樣無側限抗壓強度和塑性指數。

1.3 主要分析方法

固化底泥試樣無側限抗壓強度、液限、塑限與塑性指數測定遵循《土工試驗規程》（SL 237—1999）[3]。

2 結果與分析

采用Design-Expert8.05軟件進行響應面試驗設計，M1投加量、PAM投加量、養護齡期三因子水平選取及試驗結果如表2所示。結果顯示，經M1固化劑與PAM調理劑處理后的底泥其無側線抗壓強度均≥50kPa，88%處理方式的塑性指數在15～20，可滿足《公路路基設計規范》（JTGD 30—2004）路基填充土相關技術指標要求[4]。

表2 響應面試驗三因子水平選取及試驗結果

由圖1（a）可知，M1固化劑主要成分為CaCO3、CaO、MgO，Mg（OH）2。CaCO3可實現底泥孔隙填充，CaO水化反應產物及 Ca（OH）2所具有的巨大比表面積使之具備較強的底泥顆粒團粒化作用，凝聚底泥顆粒的同時促進游離Ca2+與底泥顆粒表面吸附Na+、K+的離子交換作用，中和底泥顆粒表面電性，利于Ca2+與底泥中SiO2組分的火山灰反應，形成致密的微觀結構，強化底泥脫水固化效果。由圖1（b）可知，M1固化后底泥有大量5CaO·3SiO2·2H2O生成，這證實了Ca2+與SiO2組分的火山灰反應，其次固化后底泥MgSiO3、CaSiO4·1/2H2O組分的生成則交叉填充于底泥間隙，提高固化體內聚力，有利于抗壓強度的形成。而PAM的加入可增強底泥顆粒的親水性能，提高底泥塑性指數，其可能的機理是PAM長鏈分子中的-NH2可通過氫鍵作用吸附極性水分子，同時有機高分子通過分子間作用力吸附底泥顆粒，以上兩種作用綜合使底泥顆粒發生團聚，且團聚體與水分子的親和能力較分散于水中的細小底泥顆粒有所增強，進而提高底泥塑性指數。

圖1 X射線衍射圖譜

圖2顯示了養護齡期8.5d時M1固化劑和PAM投加量對固化底泥無側限抗壓強度的影響，無側限抗壓強度隨M1、PAM投加量增多而增大，固化劑投加量愈多，水化產物產生量愈大，愈有利于強度形成，PAM投加則有助于底泥凝聚，增強底泥顆粒間機械作用力，增加底泥抗剪切能力。

圖2 M1投加量和PAM投加量對固化底泥無側限抗壓強度影響的響應曲面

圖3顯示了PAM投加量0.2%時M1固化劑投加量和養護齡期對固化底泥無側限抗壓強度的影響，無側限抗壓強度隨M1投加量增多、養護齡期延長而增大，養護齡期延長有助于水化反應的充分進行，促進鈣礬石晶體的形成，對底泥顆粒產生包被抱箍作用，同時纖維狀晶體填充底泥顆粒間隙，有利于底泥力學強度的形成。

圖3 M1投加量和養護齡期對固化底泥無側限抗壓強度影響的響應曲面

圖4顯示了M1投加量0.6%時PAM投加量和養護齡期對固化底泥無側限抗壓強度的影響，無側限抗壓強度隨PAM投加量增多、養護齡期延長而增大，說明PAM底泥顆粒凝聚效應隨時間推移能夠保持較好的穩定性。

圖4 PAM投加量和養護齡期對固化底泥無側限抗壓強度影響的響應曲面

Design-Expert8.05軟件根據底泥無側限抗壓強度隨M1、PAM、養護齡期變化趨勢所預測的最佳工藝條件如表3所示，液限、塑性指數實際測定結果說明該工藝條件滿足路基回填對于固化底泥持水性能的相應要求。

表3 疏浚底泥固化改性最佳工藝條件

3 結論

本研究將M1固化劑與有機調理劑PAM進行復配，處理后的底泥無側限抗壓強度與塑性指數均可滿足路基回填土的相關性能要求；復配試劑最佳工藝條件為M1投加量1.0wt%，PAM投加量0.3wt%，養護齡期3d，無側限抗壓強度預測值238kPa。