堿激發粉煤灰－爐渣協同水泥固化水庫清淤底泥試驗研究

關鍵詞：水庫清淤；底泥；固化；粉煤灰；爐渣；力學性能；浸出毒性中圖分類號：X705 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2025）07-0023-05DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2025.07.07

Experimental Study on Reservoir Dredged Sludge Solidified with Alkali Stimulated Fly Ash-Slag and Cement

DENG Jingwen，WUXu （SchoolofEnvironmentalScienceamp;Engineering，HuazhongUniversityofcienceandTechnology，Wuhan43O74，China）

Abstract：Flyash，slagandsodiumhydroxidewereutilized tocurereservoirdesiltingsubsoilwithasmallamountofcement insynergy，andtheectsofthedosageandproportionoflyash，slagandsoiumhdroxideonthemechanicalpoprties andleaching toxicityofreservoirdesilting subsoil were investigated，as wellas the microscopiccuring mechanism.The resultsshowed that the optimal dosages of fly ash，slag and calcium hydroxide were 7.5% ， 12.5% and 0.75% ，respectively， and the 28 d unconfined compressive strength of thecured soil under this ratio was 2.856 MPa，and the curing rate of the six pollutant elements，including Pb and As，was more than 90 % .The micro-morphological analysis showed that the curing agenthadahydrationreaction inthe specimen，which producedcalcium silicate hydrate（C-S-H），calciumaluminate hydrate （C-A-H），andcalciumalumina （AFt），which filledtheporesofthesoilbodyandenhancedtheinter-particle connection，andefectivelyimprovedthestrengthofthesoilbody.Atthesametime，these hydrationproductscured heavy metal ions through the pathways of adsorption，complexation，and substitution.

Keywords： reservoir dredging; sludge; curing; fly ash; slag; mechanical properties; leaching toxicity

我國河湖庫資源豐富，每年開展的清淤工程將會產生大量底泥，這些淤泥常被用作生態修復、土方回填和綠化種植等[1-3]，未經固化處理的淤泥力學性能差，含有的重金屬等污染物還有可能帶來生態風險[4。因此，清淤底泥固化及穩定化的研究具有重要意義，目前，眾多學者的研究主要聚焦于提高力學性能及降低浸出毒性。

劉振建等[5采用水泥－粉煤灰固化淤泥質軟土，明確固化劑配比對強度的影響，其中粉煤灰可顯著增加淤泥力學強度。武亞軍等利用堿渣和粉煤灰對水泥固化底泥強度展開研究，得到強度提升的最佳摻量，并發現堿渣或粉煤灰過量均會導致固化底泥強度降低。楊振甲等利用礦渣-粉煤灰地聚物固化淤泥，揭示其微觀固化機理。目前，利用工業固廢作為膠凝材料提高淤泥的力學性能，使其滿足一些工程場景下土體強度要求的相關研究已經較為充分，表明這些材料在固化處理中的突出優勢。

汪毅等[利用粉煤灰－水泥混合材料固化重金屬鉛，結果表明，粉煤灰-水泥可以作為重金屬Pb的固化材料，但必須采取措施加快粉煤灰的火山灰反應；TAYLOR指出堿性激發劑作用下，粉煤灰可發生火山灰反應，能有效增加膠凝物質的數量和密度；陳忠清等[研究利用爐渣－粉煤灰地聚物固化銅污染土，在酸性和中性條件下均能有效固化銅離子；陳濤等[1開展利用鋼渣、改性電解錳渣和赤泥固化鉛、砷污染土的固化劑研究，并探討強度形成及重金屬穩定機理；何哲祥等[2基于爐渣制備一種重金屬固化劑，降低土壤中有效鋅、鎘、鉛的含量，并說明固化機理。這些研究顯示工業固廢固化土壤中重金屬的應用潛力。

本文以一定量水泥為固化基材，利用爐渣、粉煤灰及堿激發劑一同作為固化劑，基于三因子三水平正交試驗對疏浚淤泥進行固化處理，研究疏浚淤泥固化后的力學性能，得到各摻加物質的最優配比，評價固化淤泥的浸出毒性，進一步探討固化機理與微觀結構的變化規律。

1試驗材料

淤泥取自云南省大屯海疏浚清淤工程底泥堆場，試驗所用土樣在施工現場已經過初步調理和壓濾脫水，以板狀或塊狀形式存在，強度較低且受力極易形變。土樣的基本物理性質如表1所示。

表1疏浚淤泥基本性質

試驗所用的粉煤灰取自云南省玉溪市，呈灰白色，為粉末狀。爐渣取自江西省南昌市，為黑褐色塊狀固體，試驗所用原料為破碎后過篩的顆粒狀爐渣，粒徑小于 2mm 。堿激發劑為顆粒狀氫氧化鈉（分析純），水泥強度等級為PO42.5。固化劑的化學成分如表2所示。

表2固化材料化學成分 單位：%

2試驗方法

2.1制備方法

將脫水后的底泥樣品置于 105°C 烘箱環境下不小于 24h ，烘干并碾碎后過篩（篩孔直徑為 2mm ）備用。按照試驗方案稱取處理后的底泥及固化材料，混合均勻，同時稱取相應質量的氫氧化鈉，將氫氧化鈉充分溶解于按照最佳含水率稱取的去離子水中。將試驗材料放入攪拌設備，加入氫氧化鈉溶液并拌和均勻，采用靜壓法制備圓柱體固化土試樣，使用直徑為 50mm 、高 50mm 的鋼制模具，每組有3個平行試樣。脫模后，置于標準養護箱中養護，養護溫度為（ 20±1 ） C ，養護相對濕度為（ 95±2 ） % 。

2.2試驗設計

試驗研究添加一定量水泥時，粉煤灰、爐渣與氫氧化鈉配比對固化效果的影響，設計三因素三水平正交試驗，以確定最佳的配比組合，如表3、表4所示。經過水泥單摻固化預試驗，綜合考慮成本和強度提升率，擬添加 10% 的水泥。陳枝東等[13]的研究表明，水泥摻量為 10% 時，固化土表現出更低的滲透系數，對重金屬的固化效果更好，因此確定水泥添加量為 10% 。

表3正交試驗因素與水平 單位：%

表4正交試驗設計

2.3測試方法

參照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTGE51—2009），加載速率為 1mm/min 時，開展無側限抗壓強度（Unconfined Compressive Strength，UCS）試驗，記錄最大破壞荷載，當試樣明顯破壞后停止加載。

參照《固體廢物浸出毒性浸出方法翻轉法》（GB5086.1一1997），使用翻轉振蕩儀進行浸出毒性測試。稱取待測樣品于 105^°C 下烘干至恒重，計算含水率，然后取干基重 70.0g 的樣品放人容積2L的聚乙烯瓶中，并以固液比 1：10 計算所需去離子水的體積，加入浸提劑，隨后蓋緊瓶蓋并固定于翻轉振蕩儀中，轉速為（ 30±2 ） r/min ，于室溫下翻轉浸取 18h ，取出后靜置 30min ，經過 0.45μm 濾膜得到浸出液，搖勻后加入硝酸消解，供后續測定。

X射線衍射（X-RayDiffraction，XRD）試驗利用島津XRD-7000型X射線衍射儀，掃描范圍為5°～ 70° ，掃描電壓為 40kV ，電流為 30mA 。試驗采用JSM-IT200型鎢燈絲掃描電子顯微鏡（ScanningElectronMicroscope，SEM），測試前將固化土置于烘箱中 24h 烘干處理。

3試驗結果與分析

3.1力學性能

正交試驗結果如表5所示，極差分析如表6所示，方差分析如表7所示。數據顯示，各因素對固化土28d無側限抗壓強度的影響順序為 Bgt;Agt;C ，最優組合為 A₂B₂C₂ ；爐渣摻量對固化土28d無側限抗壓強度的影響程度最大，當爐渣摻量增加時，其中的氧化鐵等可促進水化鐵酸鈣、水化鐵鋁酸鈣等的生成，并起到填充孔隙的作用，其最佳摻量為 12.5% 。當爐渣摻量繼續增加時，固化土中過多的粗顆粒破壞結構的整體性，導致結構強度降低。粉煤灰摻量對固化土28d 無側限抗壓強度的影響程度其次，最佳粉煤灰摻量為 7.5% ，此時混勻后的固化土內部將迅速生成水化硅酸鈣（C-S-H）、水化鋁酸鈣（C-A-H）等早期水化產物，提高其早期強度，一段時間后，粉煤灰中的 SiO₂ 與 Al₂O₃ 將二次水化，生成更多膠凝物質，提高土體強度[14]。當粉煤灰添加過量時，過多的粉煤灰填充在固化底泥的孔隙中，阻礙膠凝物質的生成，使得最終固化土強度降低。粉煤灰與爐渣對強度的影響呈現顯著性，說明二者對強度的主效應存在，而氫氧化鈉的影響則不明顯，其對固化土 28d 無側限抗壓強度的影響最小，對比發現，3個因素的影響顯著性順序為 Bgt;Agt;C 。

表5正交試驗結果

表6極差分析

表7方差分析

注：*表示差異顯著 （λlt;0.05 ）。

3.2 浸出毒性

采用小節3.1中力學性能較好的 A₂B₂C₂ 樣品用于測試浸出毒性，疏浚淤泥作為工程填土，具有潛在的環境風險，因此利用前對其進行環境污染風險評價。

參考《土壤環境質量農用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB15618—2018）和《危險廢物鑒別標準浸出毒性鑒別》（GB5085.3—2007），對淤泥中污染物進行檢測和污染風險判別。淤泥的 pH 值為7.19，因此風險篩選值采用 6.5

表8污染元素含量及篩選標準值

淤泥中重金屬類污染物浸出液濃度、固化率和標準限值如表9所示。大屯海淤泥樣品浸出液檢出的重金屬指標值均滿足《危險廢物鑒別標準浸出毒性鑒別》（GB5085.3—2007）的限值要求，對于相應污染物，水浸與酸浸固化率均超過 90% 。因此，該淤泥經固化后可以進行資源化處置，作為路基工程填土等使用。

表9污染元素浸出毒性及標準

4微觀特性與固化機理

4.1 XRD圖譜

養護 28d 后的原始淤泥與固化土XRD圖譜如圖1所示。未經處理的淤泥主要礦物成分包括石英、云母和伊利石等，固化土相較于原始淤泥，礦物成分衍射峰降低，成分減少，同時檢測到C-S-H、C-A-H的生成。在固化劑的作用下，淤泥礦物成分逐漸溶解，產生的 SiO₄^- 和 AlO_2^- 與體系的 Ca²⁺ 與 H₂O 發生水化反應，生成C-S-H、C-A-H等膠凝物質，填充土體間隙，提高固化土的力學強度，并固化重金屬離子[15]。此外，在衍射角為 16^° 時出現鈣礬石（AFt）衍射峰，說明固化土中生成少量AFt，這是由于固化劑與原始淤泥含有的 SO₄^2- 在堿性條件下與C-A-H反應，生成AFt晶體，進一步提高土體強度。

圖1原始淤泥與固化土XRD圖譜

4.2 SEM結果分析

原始淤泥的微觀形貌如圖2所示，固化土的微觀形貌如圖3所示。原始淤泥樣品顆粒間隙較大，顆粒大小不均勻，顯示出淤泥自然狀態下的一般形貌特征。淤泥固化后，固化土顆粒表面生成明顯的膠凝狀物質，顆粒之間被膠凝物質連接成更大的整體，從而提高土體的力學強度。同時，固化土孔隙中生成針棒狀或柱狀的鈣礬石，這些鈣礬石交錯填充在孔隙中，形成骨架結構，增強土體強度，同時能通過化學置換或吸附，抑制重金屬離子的浸出。

圖2原始淤泥

圖3固化土

5結論

為了提高疏浚底泥力學性能，降低其浸出毒性，本文利用粉煤灰、爐渣和氫氧化鈉協同水泥固化疏浚淤泥，采用三因素三水平正交試驗設計，優化以28d無側限抗壓強度為指標的配合比，研究最優配比下固化底泥的浸出毒性。研究表明，固化土力學性能的提升和對重金屬的固化效果主要取決于水化過程中生成的C-A-H、C-S-H等膠凝物質和形成的AFt骨架結構。力學性能的提升主要是由于固化生成的膠凝物質填充土顆粒間的孔隙，促進土顆粒的連接，并生成骨架結構起到支撐作用，使土體形成更緊密的結構，提高其抗壓強度。重金屬的固化則是由于水化產物通過吸附、絡合及置換等途徑限制重金屬的遷移和浸出。 28d 無側限抗壓強度正交試驗表明，以 10% 水泥作為固化基材，固化劑摻量為 20.75% ，粉煤灰、爐渣、氫氧化鈣的最佳配比為6：10：1 時，固化土強度較高，28d無側限抗壓強度為 2.856MPa ，滿足《公路路基設計規范》（JTGD30—2015）的要求（ （≥0.8MPa ），可以作為路基填土等工程材料使用。最佳固化劑配比下，固化土中重金屬污染元素的浸出量均符合相關規范要求，水浸和酸浸條件下Pb和As等6種污染元素的固化率均超過 90% ，環境污染風險低，疏浚底泥可以用于土方回填，實現資源化利用。

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