礦渣和石灰固化疏浚淤泥效果的室內對比試驗

沈 宇，王瑞彩，陶桂蘭，吳 騰

(河海大學港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098)

我國每年進行大規模的水利工程建設、水運交通工程建設以及河流湖泊治理工程等，會產生大量的疏浚淤泥。這些疏浚淤泥具有含水率高、力學性能差等特點。目前我國疏浚淤泥主要采用拋泥處置法，該方法需要占用大量的土地，侵占寶貴的耕地，破壞當地的生態環境，同時拋泥區存在淤泥固化周期長、含水率高、力學強度低等問題[1]。為了縮短淤泥固化周期、降低淤泥的含水率、提高淤泥的力學強度，對淤泥采用固化處理是常用的有效手段。當前固化淤泥的研究主要是以水泥搭配粉煤灰[2]、石膏[3]、鋼渣[4-5]等材料混合固化。

童琦[6]將粉煤灰和礦粉混合，以水玻璃為激發劑固化疏浚淤泥，發現礦粉摻量越高，淤泥無側限抗壓強度越高；桂躍等[7]進行石灰的單摻試驗，對比發現摻入石灰后，淤泥的無側限抗壓強度呈線性增長；章定文等[8]發現石灰是有效堿性激發劑，可提供火山灰反應的堿性環境；楊愛武等[9]的研究表明石灰摻量不宜超過12%；劉立新等[10]認為水泥效果比石灰好，但是水泥成本過高；梁仕華等[11]發現礦渣搭配水泥比純水泥效果更好，說明礦渣也是一種優良的固化劑。

根據《城鎮污水處理廠污泥處置混合填埋用泥質》[12]，疏浚淤泥填埋須滿足固化后28 d 無側限抗壓強度達50 kPa，固化材料以低摻量摻入時，既能滿足填埋要求又可降低成本，同時也可減小添加固化材料后淤泥的堿性。礦渣和石灰作為常用的固化材料，來源廣泛、價格較低，本文對礦渣和石灰固化疏浚淤泥的效果進行對比研究，結合成本和環保性，確定礦渣和石灰的合適摻量，從而降低固化成本、達到更好的固化效果。

1 試驗設計

1.1 試驗材料

淤泥為南京市江心洲所取的長江疏浚淤泥，土質呈暗黑色，有淡臭味，初始pH 值為7.6，初始含水率為67.4%。根據《水運工程巖土勘察規范》[13]，含水率75.5%，分類為淤泥。所用的疏浚淤泥基本物理特性見表1，粒徑分布曲線如圖1 所示。

礦渣為S95 級礦渣粉，粒徑200 目，主要成分為SiO2、CaO、Al2O3、MgO；石灰為生石灰粉，粒徑200 目，主要成分為CaO。疏浚淤泥使用前手工去除植物根莖、塑料袋等雜物。

1.2 試樣制備及試驗流程

為了更好地比較礦渣和石灰對固化疏浚淤泥的效果，在試驗前對純淤泥試樣進行測試，測定其28 d 齡期的含水率、pH 值、內摩擦角、黏聚力、無側限抗壓強度，結果見表2。

試驗中對土樣進行無側限抗壓強度、快剪強度、含水率和pH 值測定。采用無側限壓力儀測試無側限抗壓強度，采用應變控制式直剪儀測試抗剪強度，采用烘箱測定含水率，用電子pH 計測定pH 值。

試驗前進行土樣制備，將一定量的固化劑和疏浚淤泥充分攪拌混合后裝入模具中制樣。無側限抗壓強度土樣模具為三瓣模，內徑39.1 mm、高80 mm?？旒粼囼炛茦幽＞邽榫勐纫蚁┕埽瑑葟?0 mm、高30 mm，有頂蓋和底蓋?？旒粼囼炗脙葟?1.8 mm 的環刀切取土樣，切下的余土用以測量含水率。制備好的土樣養護2～3 d 后拆模，用保鮮膜包裹置于密封塑料箱中養護。

1.3 試驗方案

將礦渣和石灰分別按一定比例摻入淤泥中進行固化試驗，測試3、7、14、28 d 試樣的含水率、pH 值、內摩擦角、黏聚力、無側限抗壓強度，對比研究不同摻量對固化淤泥強度的影響，考慮成本和環保性，確定合適摻量。礦渣和石灰的摻量均為淤泥的干基質量比。試驗方案見表3。

表3 疏浚淤泥固化試驗方案

2 試驗結果分析

2.1 不同摻量對固化后淤泥含水率的影響

將礦渣和石灰以不同摻量摻入淤泥后，淤泥含水率變化規律見圖2。由圖2a)、b)可看出，摻入礦渣和石灰可降低疏浚淤泥的含水率，含水率隨齡期降低，說明礦渣和石灰摻入淤泥可以吸收淤泥中的水分，同時礦渣和石灰的活性成分發生水化反應消耗水分；摻量低于20%時，28 d 齡期土樣含水率均高于40%，表明礦渣和石灰吸收水分能力一般；由圖2c)可看出，同摻量下礦渣多消耗約1%的水分，表明礦渣中活性成分含量更高，水化反應消耗水分更多，吸收水分能力更強。

圖2 不同摻量礦渣和石灰固化淤泥后含水率

2.2 不同摻量對固化后淤泥pH 值的影響

將礦渣和石灰以不同摻量摻入淤泥后，淤泥pH 值變化規律如圖3 所示。由圖3a)、b)可看出礦渣摻量低于8%時，pH 值隨摻量增加而增大，大于12%時pH 值維持在11，而石灰摻量超過2%時28 d 齡期內pH 值大于12。摻入礦渣和石灰后，CaO 水化產生OH-，淤泥呈堿性，pH 值隨齡期增長有降低，說明活性成分發生水化反應消耗部分OH-。由圖3c)可看出，同摻量時摻入石灰在28 d齡期內都大于摻入礦渣后的淤泥pH 值。

圖3 不同摻量礦渣和石灰固化淤泥后pH 值

2.3 不同摻量對固化后淤泥強度的影響

不同摻量下礦渣和石灰固化后淤泥內摩擦角、黏聚力的變化規律見圖4、5。摻入礦渣后，淤泥的內摩擦角和黏聚力均隨齡期的增長而增大，且7 d內增長占比超過50%；摻量超過12%時，淤泥內摩擦角保持在21°，黏聚力維持在10 kPa。這是因為礦渣粉與疏浚淤泥顆粒的黏結性強，且7 d 內水化速率快，生成的水化產物多，顆粒黏結速率快；摻量超過12%時，水化產物量增多，但沒有足夠的淤泥顆粒黏結。石灰摻量超過4%時，淤泥28 d 齡期內摩擦角約為15°，超過6%時，降為14°；石灰摻量小于6%時，淤泥28 d 齡期黏聚力約為10 kPa，大于6%時，黏聚力維持在14 kPa；摻量越大，倒縮現象越明顯，內摩擦角和黏聚力下降越多。由圖4c)和圖5c)可看出，同摻量情況下，礦渣提升淤泥內摩擦角較石灰大3°～4°，且無倒縮現象，石灰提升淤泥黏聚力較礦渣大9～10 kPa，且石灰提升疏浚淤泥黏聚力效果均更優。

圖4 不同摻量礦渣和石灰固化后淤泥內摩擦角

圖5 不同摻量礦渣和石灰固化后淤泥黏聚力

根據《城鎮污水處理廠污泥處置混合填埋用泥質》，疏浚淤泥固化處理后無側限抗壓強度達到50 kPa可滿足填埋要求。不同摻量下礦渣和石灰固化后淤泥無側限抗壓強度變化規律見圖6。由圖6 a)、b)可以看出，摻入礦渣后，3 d 齡期淤泥無側限抗壓強度小于30 kPa；摻量低于12%時，7 d后強度增長占比超過60%，摻量超過12%時，7 d后強度增長占比僅40%，且28 d 無側限抗壓強度達到填埋要求；石灰摻量超過2%，3 d 淤泥強度增長占比超過60%，早強性好，14 d 時達到無側限抗壓強度峰值，摻量大于2%時，淤泥強度隨齡期增長出現倒縮。由圖6c)可看出，同摻量下，3 d齡期石灰提升淤泥強度效果好于礦渣，28 d齡期時4%石灰摻量的淤泥強度與8%礦渣摻量的淤泥強度接近；石灰固化疏浚淤泥會發生強度倒縮現象，礦渣則不會。

圖6 不同摻量礦渣和石灰固化后淤泥無側限抗壓強度

礦渣的水化產物，如水化硅酸鈣凝膠和水化鋁酸鈣晶體等，有黏結疏浚淤泥顆粒的作用，增強土體的強度。石灰水化反應速率較快，在養護早期就生成大量的膠凝產物Ca(OH)2，Ca(OH)2的黏結性強，早期抗剪強度和無側限抗壓強度增長迅速，隨著Ca(OH)2進一步反應生成CaCO3，消耗大量水分，黏結結構發生破壞，發生干縮現象；摻量越多，水化產物越多，干縮越明顯。

2.4 無側限抗壓強度預測

不同摻量礦渣和石灰固化后淤泥28 d 無側限抗壓強度預測曲線如圖7 所示。為了預測不同摻量下28 d 齡期疏浚淤泥的無側限抗壓強度，考慮二次多項式模型，設置摻量為自變量，28 d 無側限抗壓強度為因變量，可得礦渣和石灰強度預測公式為:

圖7 不同摻量礦渣和石灰固化后淤泥28 d無側限抗壓強度預測曲線

式中:q礦、q石為礦渣、石灰固化后疏浚淤泥28 d無側限抗壓強度(kPa)；α為固化淤泥中礦渣摻量(%)；β為固化淤泥中石灰摻量(%)。

根據所得的預測公式，當礦渣摻量為8.1%時，28 d 固化淤泥的無側限抗壓強度可達到50 kPa；當石灰摻量為3.79%時，28 d 固化淤泥的無側限抗壓強度可達到50 kPa。對比可得28 d 時達到填埋要求，所需的石灰摻量僅為礦渣量的一半。目前市場上S95 級礦渣粉成本為450～500 元∕t，生石灰450～550 元∕t，欲達到填埋要求，固化每噸淤泥需要礦渣21.79～24.20 元或石灰10.19～12.46 元，價格方面石灰更占優勢，但是石灰處理后的淤泥為強堿性，對環境污染大。

3 結論

1)摻量低于20%時，礦渣和石灰降低疏浚淤泥含水率效果一般。同摻量下，礦渣比石灰消耗水分能力略強，可見礦渣對降低疏浚淤泥含水率有一定優勢。

2)當礦渣摻量超過12%或石灰摻量超過2%時，淤泥pH 值不隨摻量增加而增大，表明礦渣和石灰營造淤泥堿性環境有閾值。同摻量下，石灰提升淤泥pH 值的能力更強。

3)摻入礦渣后，淤泥在7 d 內抗剪指標增長占比超過50%。礦渣摻量大于12%或石灰摻量超過6%時，淤泥抗剪指標不再增長。同摻量下，石灰提升淤泥黏聚力效果好，但是提升內摩擦角效果較礦渣差。

4)礦渣摻量超過12%時，疏浚淤泥7 d 后無側限抗壓強度增長占比超過50%；石灰摻量超過2%即發生倒縮現象，14 d 齡期時無側限抗壓強度達到最大。同摻量時，石灰早強性比礦渣好，但是會發生強度倒縮現象。

5)根據經驗公式，28 d 時達到50 kPa 的填埋要求，所需的石灰摻量僅為礦渣量的一半，固化成本方面石灰占優，但是存在污染大的問題。礦渣和石灰的混合比例對疏浚泥固化效果的影響還需要做進一步研究，以達到固化的最佳效果。