河湖疏浚底泥的固化處置技術(shù)研究進(jìn)展

彭旭更，胡保安

（1.中交天航南方交通建設(shè)有限公司，深圳518040；2.中交天津港航勘察設(shè)計研究院有限公司，天津300450）

河湖疏浚底泥是一種高含水率的工程垃圾土，其顆粒細(xì)小，有機(jī)質(zhì)含量高，處于流動狀態(tài)，幾乎沒有強(qiáng)度，不能直接為工程所用［1］。固化技術(shù)源于20世紀(jì)50年代被用于處理放射性固體廢棄物，并在近年來被廣泛的應(yīng)用于污染土的處理處置。面向河湖環(huán)保疏浚工程產(chǎn)生的大量底泥，固化處理可以將其轉(zhuǎn)化為工程性質(zhì)良好的工程用土，是實現(xiàn)其有益利用的一個重要方向［2］。

1 河湖疏浚底泥固化機(jī)理研究現(xiàn)狀

目前，通過在底泥中加入水泥類固化材料或石灰類固化材料，進(jìn)行混合攪拌，是一種相對成熟的固化工藝。黃新［3］、李俊才［4］、李文斌［5］、王星華［6］、荀勇［7］、Hirokazu［8］、Yin［9］、Masaharu［10］、Diamond［11］、張春雷［12］等分別利用掃描電鏡、X-射線衍射以及水分轉(zhuǎn)化的角度成分分析對固化機(jī)理進(jìn)行了研究。根據(jù)原理側(cè)重點的不同，主要有3種機(jī)理，即基于固化劑與底泥的物化反應(yīng)機(jī)理、水分轉(zhuǎn)化模型機(jī)理和骨架構(gòu)建模型機(jī)理。

1.1 基于物化反應(yīng)機(jī)理的研究

疏浚底泥呈流動態(tài)幾乎沒有強(qiáng)度，固化后其強(qiáng)度主要來源于水化產(chǎn)物的作用。泥漿體的水分有不同的存在形式，其中強(qiáng)結(jié)晶水以O(shè)H-狀態(tài)存在，并占有晶格上的固定位置，脫水過程將使晶格遭受破壞，結(jié)合力極強(qiáng)。該機(jī)理下的固化過程是固化類材料與水反應(yīng)形成水化產(chǎn)物從而起到加固的作用，其中主要會發(fā)生以下3種反應(yīng)。

（1）水化反應(yīng)。當(dāng)水泥類材料接觸到水分時，發(fā)生水化反應(yīng)生成各種水化產(chǎn)物，當(dāng)有石膏存在時還會生成鈣礬石結(jié)晶物質(zhì)。如硅酸三鈣的水合反應(yīng)、鋁酸三鈣的水合反應(yīng)等。部分反應(yīng)如下

（2）離子交換反應(yīng)。石灰加到底泥中時會與水發(fā)生水化反應(yīng)生成Ca（OH）2可以吸收大量的水分并放熱。熟石灰中的Ca2+會與粘土礦物上結(jié)合的Na+、K+離子進(jìn)行交換吸附（圖1）。置換出低價的Na+或K+，可以減少電荷吸附水膜的厚度，使土顆粒變得密實。

（3）碳酸化反應(yīng)。水化產(chǎn)物中游離的氫氧化鈣能吸收水和空氣中的二氧化碳，發(fā)生碳酸化作用，生成不溶于水的碳酸鈣，這種反應(yīng)也能使固化土增加強(qiáng)度。

1.2 基于水分轉(zhuǎn)化模型機(jī)理的研究

對底泥固化過程中的水分轉(zhuǎn)化原理進(jìn)行分析（圖2）。底泥在沒有加入固化材料時，底泥中的水分可以分為三部分：礦物水、結(jié)合水和自由水。當(dāng)加入固化材料發(fā)生水化反應(yīng)后，假定土顆粒本身含有的礦物水量和結(jié)合水量不發(fā)生變化，那么在加入固化材料并發(fā)生水化反應(yīng)后，發(fā)生變化的只是土孔隙中的自由水的量，這部分自由水一部分由于固化材料釋放熱量而蒸發(fā)到空氣中，一部分轉(zhuǎn)化到水化產(chǎn)物中。

同時該機(jī)理還表明：（1）固化底泥的破壞模式由塑性向脆性轉(zhuǎn)化，固化底泥的脆性與結(jié)合水的量有關(guān)，由塑性向脆性的轉(zhuǎn)折點出現(xiàn)在水化產(chǎn)物中的結(jié)合水量增長率開始減小的點；（2）固化底泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、變形系數(shù)、屈服應(yīng)力和粘聚力都與水化產(chǎn)物中的礦物水量和結(jié)合水量有關(guān)系，隨二者的增加而增加。固化底泥的破壞應(yīng)變、變形系數(shù)、初始孔隙比都隨水化產(chǎn)物中的礦物水量和結(jié)合水量的增加呈遞減關(guān)系。

1.3 基于骨架構(gòu)建模型機(jī)理的研究

骨架構(gòu)建模型機(jī)理主要包括固化對底泥的骨架支撐效應(yīng)和填充效應(yīng)。其中，骨架支撐效應(yīng)是指固化材料中的硅酸鈣類、鋁酸鈣類和鐵鋁酸鈣類等與水發(fā)生如下水解和水化反應(yīng)，當(dāng)各種水化物生成后，有的自身繼續(xù)硬化，與周圍土顆粒相結(jié)合，形成骨架，有的則與周圍具有一定活性的粘土顆粒發(fā)生反應(yīng)，也參與形成一定量的骨架。固化對底泥的填充效應(yīng)主要由于混凝反應(yīng)產(chǎn)生，在水化反應(yīng)中，在產(chǎn)生膠體形成骨架的同時，隨著水化反應(yīng)的深入，溶液中析出大量的鈣離子，當(dāng)其數(shù)量超過離子交換需要量后，在堿性環(huán)境中，能使組成粘土礦物的二氧化硅及三氧化二鋁的一部分或大部分與鈣離子進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，逐漸生成不溶于水的結(jié)晶化合物，這些結(jié)晶產(chǎn)物的產(chǎn)生，對底泥間的大量孔隙產(chǎn)生填充作用。

2 固化底泥工藝影響要素及調(diào)整

2.1 固化劑的主要種類

傳統(tǒng)的固化材料包括水泥、石灰單獨使用或者在其中加入一些工業(yè)廢料如粉煤灰、高爐礦渣、鋼渣、堿渣、廢石膏，或者膨潤土、水玻璃、硅粉、木質(zhì)素磺酸鈣等材料而得到的復(fù)合型固化材料。常見固化材料的主要成分和來源（表1），從表1可以看出傳統(tǒng)固化材料的主要成分都是CaO，SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3，MgO，F(xiàn)eO等材料的混合物或者化合物。

表1 常用傳統(tǒng)固化劑的分類與來源Tab.1 Classification and source of commonly used solidifying agent

另一方面，科研人員開發(fā)了新型固化材料，它是指各種專用固化劑如液態(tài)、高分子、納米材料等。研究表明，新型固化材料固化效果一般優(yōu)于傳統(tǒng)固化材料，但是成本較高，只適用于處理量較小的特殊地基。對于大量疏浚泥的處理，有必要研究更加經(jīng)濟(jì)有效的固化材料。

2.2 有機(jī)質(zhì)含量對固化底泥的力學(xué)性質(zhì)的影響

（1）有機(jī)質(zhì)對土的性質(zhì)的影響。土的液、塑限隨著土中有機(jī)質(zhì)含量的增加會增大，只有當(dāng)土中的有機(jī)質(zhì)含量到達(dá)一定量時，土的液、塑限才會隨著有機(jī)質(zhì)含量的增加而增大。一些研究表明，對液、塑限有著顯著影響的最小有機(jī)質(zhì)含量為3%～4%。有研究認(rèn)為影響軟土性質(zhì)的有機(jī)質(zhì)除了腐殖酸之外，微生物也是土中的有機(jī)質(zhì)重要組成部分，并把它們總稱為蛋白質(zhì)，在此基礎(chǔ)上通過試驗得出隨著土中蛋白質(zhì)總量的增加，土的液、塑限會增大，壓縮性也會隨蛋白質(zhì)總量的增高而明顯增大而土的抗剪強(qiáng)度隨著蛋白質(zhì)的增加而迅速下降［13］。

（2）有機(jī)質(zhì)對固化不利效果的對策措施。土中的有機(jī)質(zhì)減緩了水化產(chǎn)物的生成，因而對加固土的強(qiáng)度造成了影響。對于有機(jī)質(zhì)土采用固化材料進(jìn)行加固，通過在固化材料中摻加適量的外摻劑能大大提高加固土的強(qiáng)度，而具體對于某地的土，在選用外摻劑時，不但要考慮有機(jī)質(zhì)對加固的影響，同時還要綜合考慮土的其他性質(zhì)，如含水率等對水泥加固的效果影響。

楊紹清等［14］在對幾種不同地點的有機(jī)質(zhì)含量較高的軟土制成的水泥土，分別加入石膏和SN-210A復(fù)合添加劑，得出在水泥摻加量15%的基礎(chǔ)上摻入水泥重量3%的石膏可以使水泥土強(qiáng)度提高1.5～2.2倍。在水泥摻加量為12%的基礎(chǔ)上摻入1.5%的SN-210A復(fù)合添加劑同樣可以使水泥土強(qiáng)度增加2～3倍。在水泥中摻加適當(dāng)比例的石膏、水玻璃、粉煤灰、PLC復(fù)合添加劑可以提高軟土的加固效果。有機(jī)質(zhì)含量對水泥水化產(chǎn)物量的影響存在一個影響的極限含量，對于水泥摻加量為100 kg/m3試樣，影響極限含量值為3.62%，對于水泥摻加量為200 kg/m3試樣，影響極限含量值為5.89%，在極限含量以內(nèi)，隨有機(jī)質(zhì)含量的增加水化產(chǎn)物量減少，超過極限含量后水化產(chǎn)物量隨有機(jī)質(zhì)含量增加保持穩(wěn)定，這與有機(jī)質(zhì)含量對固化底泥強(qiáng)度的影響規(guī)律是一致的。

2.3 固化材料摻加量對固化底泥力學(xué)性質(zhì)的影響

張春雷等研究了水泥摻加量對固化底泥強(qiáng)度的影響［12］，研究結(jié)果表明水泥摻加量存在一個最低值，當(dāng)水泥摻加量小于這個最低摻加量時，水泥對于底泥就沒有固化效果，并通過對固化底泥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻加量的關(guān)系曲線進(jìn)行擬合，得到以下關(guān)系式

式中：qu為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，kPa；k為固化底泥的固化系數(shù)，kPa/（kg/m3）；aw為水泥摻加量，kg/m3；ap為水泥最小摻加量，kg/m3。

2.4 土的含水量對固化底泥的力學(xué)性質(zhì)的影響

周承剛等［15］通過試驗研究了土中含水量對固化底泥力學(xué)性質(zhì)的影響，研究表明隨土中含水量的增加，固化底泥強(qiáng)度會呈下降趨勢?！兜鼗幚硎謨浴罚?6］中給出：土樣含水率每降低10%，水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高10%～30%。湯怡新、朱偉等人通過大量的試驗，總結(jié)出水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與土樣含水率之間的關(guān)系式

式中：qu、k、aw、ap與式（4）意義相同；w 為土的含水率，%；Gs為土粒比重，無量綱。

2.5 養(yǎng)護(hù)齡期對土力學(xué)性質(zhì)的影響

水泥土的強(qiáng)度隨著齡期的增長而增大，相關(guān)試驗認(rèn)得出T在15～90 d區(qū)間時，水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗與齡期間存在如下關(guān)系式

式中：qu1為養(yǎng)護(hù)齡期為T1（d）的水泥土的抗壓強(qiáng)度；qu2為養(yǎng)護(hù)齡期為T2（d）的水泥土的抗壓強(qiáng)度。

2.6 粘粒含量對底泥固化效果的影響

在我國的內(nèi)河、湖泊環(huán)保疏浚工程中，疏浚吹填的多為含有大量有機(jī)質(zhì)的粘性土，粘粒含量對底泥固化效果的影響主要有以下幾點：

（1）對于某個水泥摻入量，存在一個適宜粘粒含量C，即當(dāng)粘粒含量高于或低于C時，固化底泥都不能達(dá)到最大的強(qiáng)度。但是在水泥摻入量比較低時，固化底泥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著粘粒含量的增加而增加，說明此時粘粒含量的增加對固化效果是有利的，但此時水泥摻入量和固化底泥的強(qiáng)度都已經(jīng)低于工程實用的范圍。因此在工程應(yīng)用范圍內(nèi)存在一個適宜的粘粒含量C，粘粒含量為C的固化底泥具有最大的無側(cè)限強(qiáng)度和最小的破壞應(yīng)變。齡期對C沒有影響，C隨著水泥摻入量的增加而增加，其關(guān)系可視為直線相關(guān)。

（2）固化底泥的凝聚力隨著粘粒含量的增加呈先增加后減小，最大的固化底泥對應(yīng)的粘粒含量與相同水泥摻入量下的C一致，這反映了固化底泥顆粒之間的膠結(jié)作用，表明當(dāng)出現(xiàn)最優(yōu)膠結(jié)作用時也存在著適宜的粘粒含量，這一值與取得最大無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的值一致。而內(nèi)摩擦角則隨粘粒含量的增加一直呈遞減的趨勢，這說明隨著粘粒含量的增加，固化底泥中團(tuán)粒體的粒徑變小，固化底泥的咬合、摩擦作用也有所減小。

（3）底泥中結(jié)合水的數(shù)量隨著粘粒含量增加呈線性增加關(guān)系。加入水泥后，底泥中結(jié)合水轉(zhuǎn)化量隨粘粒呈先增加后減小的變化趨勢，說明粘粒含量主要通過影響水泥的凝膠態(tài)水化產(chǎn)物的數(shù)量從而影響固化土的強(qiáng)度。同時，也在一定程度上證明了從水分轉(zhuǎn)化的角度進(jìn)行機(jī)理的研究是適合的。相關(guān)研究表明，由于粘粒含量的不同，固化底泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度相差可達(dá)4倍以上，在底泥固化處理的實際工程應(yīng)用中，可根據(jù)底泥中粘粒含量的多少，進(jìn)行合理的材料設(shè)計，達(dá)到最優(yōu)的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效果。

3 固化工藝的工程實踐與經(jīng)驗

將底泥固化處理后作為填土材料使用的研究在國外較多，如日本伏木富山港疏浚填海工程、新加坡“長基”國際機(jī)場第二跑道工程等。在我國現(xiàn)場應(yīng)用則剛剛起步，如朱偉等［17］在深圳鹽田港中港區(qū)三期工程進(jìn)行了現(xiàn)場試驗研究，均取得了良好的效果。在現(xiàn)場試驗中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場攪拌固化土的強(qiáng)度也是隨水泥摻加量的增加呈線性增長，但現(xiàn)場強(qiáng)度比實驗室試驗強(qiáng)度有10%～50%的折減。曾科林［18］等分別進(jìn)行了固化淤泥的現(xiàn)場水下和陸上澆筑試驗，分析比較了2種澆筑情況下固化淤泥的強(qiáng)度、變形以及填筑地基的承載力。試驗結(jié)果表明，水下澆筑時只要控制好固化淤泥中的水不離析，反而能促進(jìn)固化淤泥后期強(qiáng)度的增長。固化后的疏浚底泥強(qiáng)度及現(xiàn)場操作方式受多種因素決定，在工程實踐中總結(jié)如下經(jīng)驗：

（1）對于不同初始含水率、水泥添加量和養(yǎng)護(hù)齡期的固化底泥，其體積變化率總是隨底泥含水率逐漸減小而逐漸增大，亦即其體積隨著含水率的減小而減小，并最終趨于一個穩(wěn)定值，即初始含水量越大固化后的體積收縮也越大，給后續(xù)資源化利用帶來不便。

（2）初始含水率越高的固化底泥，其最終穩(wěn)定后的體積越小，即其最終的體積變形較大；而初始含水率對固化底泥的收縮比影響不明顯。

（3）對于水泥添加量較高的固化底泥，其體積變化率較小，從而導(dǎo)致其最終穩(wěn)定后的體積較大；其水泥添加量越高，收縮比越小，水泥添加量的增加能夠降低體積變化對含水率變化的敏感性。

（4）隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長，固化底泥的體積變化率逐漸減小，其收縮比也逐漸減少。

（5）水泥與底泥（軟土）的攪拌時間愈長，拌和程度愈高，則水泥土的強(qiáng)度愈高。試驗結(jié)果顯示，水泥與土的攪拌時間至少要3～5 min，如能達(dá)到10 min左右更理想。水泥拌和程度與原料土的軟硬狀態(tài)、水灰比以及機(jī)械攪拌的方式有關(guān)。

（6）疏浚底泥若呈堿性（即pH＞7），水泥土抗壓強(qiáng)度會增大；反之，對酸性土則水泥的固化效果會降低。對有機(jī)物含量較大的土壤，使用通常的水泥固化效果往往不佳。原料土的顆粒構(gòu)成也對水泥土的強(qiáng)度有明顯的影響，但情況比較復(fù)雜。實踐表明，水泥的種類與原料土種類之間存在著組合是否合適的問題。

（7）環(huán)境氣溫高，水泥土的早期強(qiáng)度增長快，但對長期強(qiáng)度的影響不大。水泥土的強(qiáng)度隨齡期的增長而增加，一般會延續(xù)至十幾年以上。

（8）在水下施工時，若因施工方法不當(dāng)而引起明顯的顆粒分散時，則水泥和土中的細(xì)粒會從水泥土中逸脫出來，浮在周圍的水體中，這種現(xiàn)象肯定會造成水泥土強(qiáng)度的大幅度下降。

4 結(jié)論

無論是港航工程疏浚還是生態(tài)清淤疏浚，河湖疏浚底泥的資源化問題已發(fā)展成為疏浚領(lǐng)域關(guān)注的熱點。面臨工程用土資源的匱乏，固化處置技術(shù)是一個非常重要的解決方向。研究固化過程機(jī)理，在傳統(tǒng)固化工藝的基礎(chǔ)上，開發(fā)新型的固化材料，同時創(chuàng)新適合我國工程實踐的河湖疏浚底泥固化工藝，不但能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境友好，而且對于資源節(jié)約具有非常重要的實際意義。

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