疏浚淤泥固化處理研究進展

王強，李操，葛單單，王瀟

（1.安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232000；2.安徽理工大學環境友好材料與職業健康研究院（蕪湖），安徽 蕪湖 241003；3.淮北淮海建設工程有限責任公司，安徽 淮北 235000）

0 引言

近年來，在全國開展的清淤疏浚工程產生大量高含水率疏浚淤泥[1-2]，據不完全統計，每年疏浚淤泥達數百億噸。淤泥有機質和污染物含量高、含水量高、液限高、壓縮性高、強度低及毒性強，往往不能滿足工程應用設計的要求[3]。淤泥堆場會占用土地資源，傳統的將淤泥傾倒填埋既不能滿足需求，還會嚴重污染環境[4]。固化技術處理成本低、效率高，符合可持續發展理念，成為國內外學者廣泛研究的處理方式[5-6]。固化處理包括物理脫水和化學處理，物理脫水一般是通過晾曬或機械脫水使淤泥水分脫離，化學處理則是向淤泥中加入固化材料，另加一些摻加劑[7]。固化材料與淤泥中的有機質及礦物質發生一系列物理化學反應改善淤泥物理力學性質[8-9]，固化淤泥可用于填海造陸、加固堤防和建筑材料等[10-11]。

本文主要綜述了采用固化技術處理疏浚淤泥對其物理特性和力學特性的影響，回顧了國內外淤泥固化處理研究現狀及取得的進展，最后總結了淤泥固化技術處理利用中存在的問題，提出今后淤泥固化技術研究發展方向。

1 淤泥土物理特性

疏浚淤泥質軟，細顆粒含量高，以黏土礦物為主，黏土礦物具有很大的表面積和吸附能力，與水分的結合力很強。固化處理可改變其物理特性，便于工程應用，固化處理對淤泥物理特性的影響研究如表1所示。

淤泥固化對其物理特性的影響 表1

綜合上述文獻可以看出：

①淤泥固化應著重考慮水和污染物的處理，采用物理脫水技術，污染物并未得到有效處理，化學固化處理可降低含水率，減小流動性，并可將污染物穩定化；

②不同固化劑對淤泥干密度影響不同，在工程應用時，應根據干密度變化規律選擇合適的固化材料；

③碳化處理和增長養護齡期可降低淤泥土滲透性和壓縮性。

2 淤泥土力學特性

良好的力學特性是淤泥土工程應用的基礎，影響淤泥土固結力學特性的主要因素有淤泥自身因素、固化劑種類和養護環境等。

2.1 含水率

疏浚淤泥含水量高，脫水困難，固化處理需解決這一問題。Abdoul等[20]研究發現固化土無側限抗壓強度隨礦渣摻量增加而增大，隨含水量增加而降低。王文軍等[21]研究表明，固化劑摻量相同時，初始含水率越高，固化土強度下降趨勢越明顯，例如固化劑摻量為4%時，含水率為60%的固化土強度分別是含水率為 90%、120%、150% 的 1.74、2.37、2.68倍。Liu等[22]試驗表明，隨著粉煤灰和礦渣含量的增加，固化污泥含水量先減少后增加，剪切強度先增大后減小。粉煤灰結構致密，吸水能力弱，含有的二氧化硅和氧化鋁與氫氧化鈣反應，生成水化硅酸鈣和水化鋁硅酸鈣凝膠，增強土骨架結構強度。

Horpibulsuk等[23]指出水泥固化淤泥強度和剛度隨含水率降低呈先增加后減小趨勢，含水率從17.6%增大到26.4%，峰值強度約從 0.6MPa 增長至1.6MPa。Liang 等[24]采用水泥和礦渣復合材料固化鋅污染淤泥，研究表明復合材料固化土能降低含水率，提高強度和穩定性，15%水泥與10%礦渣組合效果最好。王江營等[25]研究表明固化淤泥7d前含水率隨水泥、石灰和減水劑三者摻量增加下降速率加快，固化土強度增強。蔡紅等[26]采用MICP技術固化淤泥質土，含水率降低主要發生在初期，12h含水率從40%降至33.43%，7d降至33.29%，絕對降幅 6.71%，相對降幅達16.78%。吹填淤泥自然固結后，含水率顯著下降，預壓使土體內部結構致密，增強黏聚力[27]。

水分變化影響淤泥力學特性，研究含水率的影響有著重大的實際工程意義。采用固化技術處理淤泥，含水率下降，土體孔隙減少，固結愈加密實。然而當含水率較低時，抑制水化反應的進行，水化產物減少，引起淤泥土力學性能弱化。淤泥固化現場應用時，應考慮室內研究與現場應用的偏差，將含水率控制在一定范圍，進而提高淤泥利用率。

2.2 固化劑種類及摻量

水泥是一種常用的固化劑，然而水泥生產對環境不友好，粉煤灰、礦渣、鋼渣等工業廢料可替代水泥作固化劑。諸多學者研究了不同種類固化劑對固化淤泥力學特性的影響，研究成果見表2。

不同固化劑及摻量對固化淤泥力學特性的影響 表2

工業廢料作固化劑符合綠色發展模式，且可以縮短固化時間[40]，淤泥固化多采用復合型固化劑[41]，復合型固化劑在理化性質上彼此互補，固化效果好。現階段淤泥固化研究多集中在強度方面，對固化土長期變形特性、水穩性和耐久性等方面研究較少。

在固化材料中摻加外加劑可改善淤泥漿力學特性。章榮軍等[42]基于水泥固化法，提出絮凝-固化聯合法（FSCM），淤泥漿抗剪強度隨絮凝劑量增加呈先增大后下降的趨勢（見圖1），淤泥漿抗剪強度比不摻緩凝劑時的強度高35%以上。鄭耀林等[43]研究發現，與純水泥相比，FSCM固化淤泥抗剪強度可達到純水泥的5倍及以上，達到48kPa。王東星等[44]研究表明堿激發粉煤灰可顯著提高固化淤泥土抗壓強度，NaOH激發效果好，Na2CO3激發較弱。以上研究表明，外加劑與主固化劑共同作用改善固結體力學特性。

圖1 緩凝劑劑量對FSCM處理淤泥漿性質的影響規律[42]

2.3 有機質

淤泥中有機質以腐殖質類居多，朱偉等[45]研究了有機質腐殖酸對水泥固化淤泥的影響，他指出淤泥強度隨有機質含量增加而降低（見圖2），腐殖酸的影響存在極限含量值3.62%。朱劍鋒等[46]研究發現硫氧鎂水泥固化淤泥強度隨腐殖酸和含水率增加而不斷減小，隨水泥增多而逐漸增強（見圖3）。

圖2 有機質含量與強度的關系[45]

圖3 不同初始含水率下鎂質水泥摻量對qu的影響[46]

高有機質含量使土體酸性增強，腐殖酸成分富里酸的酚羥基（-OH）、羧基（-COOH）等基團與固化劑中的Ca2+反應，Ca2+濃度的下降阻礙固化劑水化反應的進行，水化凝膠減少。同時腐殖酸侵蝕土骨架結構，孔隙致密性降低甚至擴展，宏觀表現為力學性能弱化。

2.4 黏粒含量

淤泥黏粒含量高，顆粒粒徑細，比表面積大，對淤泥力學特性有較大影響。鮑樹峰等[47]采用真空預壓聯合化學處理加固淤泥，研究表明黏粒與加固劑之間發生強烈的團聚反應，淤泥黏粒含量降低，孔隙比降幅明顯，無側限抗壓強度也最大（66.7 kPa）。李濤等[48]試驗發現淤泥土抗壓強度隨黏粒含量增加而下降，高黏粒含量試樣的抗壓強度曲線表現為強度低、持續硬化的穩定式發展特征；低黏粒含量試樣表現為強度高，破壞迅速的崩塌式發展特征，并且低黏粒含量試樣內部顆粒間的摩擦強度大于高黏粒含量試樣的對應值。

黏粒含量在一定范圍內有利于淤泥固化，黏粒含量高反而不利于固化處理，對于高黏粒含量對固化淤泥力學特性的影響還需進一步探究。

2.5 養護齡期與環境

固化劑發生化學反應需要適宜的養護時間和環境要求。饒春義等[49]研究了鎂質水泥固化淤泥壓縮試驗，他指出隨著齡期增長，淤泥結構屈服應力增大，破損指數減小。談云志等[50]設計水泥量12%，發現不同石灰摻量淤泥土強度隨養護時間的增長呈先增大后減小的趨勢，石灰摻量從0%增加到10%，淤泥土120d齡期時的抗壓強度約從0.2MPa增大至1.9MPa（見圖4）。Pu等[51]以石灰、石灰和水泥混合料固化淤泥，結果表明壓縮系數隨養護時間的增長呈先減小后增大趨勢，固化土內摩擦角、黏聚力和脆性指數均相應增大。

圖4 UCS 隨養護時間的變化規律[50]

鄭少輝等[52]試驗研究發現養護壓力擠壓土顆粒骨架結構，當養護壓力從0增加到80kPa，固化淤泥抗壓強度從68kPa增長至361kPa。章榮軍等[53]研究了養護溫度對水泥固化淤泥（CSM）的影響，結果表明較高的養護溫度對CSM前期和后期強度增長作用同樣顯著。

通過上述文獻回顧，可得出以下幾點認識：

①固化淤泥強度隨齡期增長而增強，較長齡期促使固化材料化學反應充分，凝膠產物填充孔隙，顆粒密實，土顆粒膠結作用增強；

②一定的養護壓力有利于淤泥改良土強度提高，然而在持續高壓養護下，試樣內部有可能發生破壞，具體影響還需進一步研究；

③在固化大體量淤泥時，淤泥內部溫度高于標準試驗溫度，實際處理應考慮標準養護與工程應用時的溫差對固化的影響，具體技術方法研究較少。

3 結語

采用固化技術處理疏浚淤泥取得一定進展，固化處理改善了淤泥物理特性和力學特性，現階段淤泥固化處理還存在一些問題；

①工業廢料可替代水泥用于淤泥固化處理，目前應加強對工業廢料和水泥固化效果的定量對比研究和新型固化劑的研究；加強復雜外部環境下（干濕-凍融循環、酸雨侵蝕、微生物作用等），淤泥固化效果的研究；

②采用固化技術應著重思考如何降低污染物含量或改變其存在形態，將污染物固化穩定化，同時應進一步研究固化淤泥污染物溶出、轉移規律；

③加強對水與土顆粒的關系和水的賦存形態的研究，將物理脫水和化學處理相結合，物理脫水可減小淤泥體積，從而減少固化劑用量；

④目前采用固化技術處理淤泥存在堆場占地與土地資源之間的矛盾，存在室內試驗和室外應用的偏差，淤泥處理應因地制宜，以期實現淤泥高質、綠色、規模化應用。