礦渣摻量對(duì)燒結(jié)淤泥性能的影響

李正昊 季曉檬 李 成

(江南大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，江蘇無錫 214122)

0 引言

我國幅員遼闊，河流眾多，近年來由于污染漸趨嚴(yán)重，河流的清淤成為河流治理中必不可少的內(nèi)容，我國每年展開大規(guī)模的疏浚和清淤工程，產(chǎn)生大量的疏浚淤泥［1，2］。如何合理利用這一數(shù)量龐大的資源，成為我們必須要面對(duì)和解決的問題。當(dāng)前疏浚泥的主要應(yīng)用技術(shù)有:固化填方技術(shù)、燒磚技術(shù)、燒制陶粒技術(shù)、制作水泥熟料技術(shù)、農(nóng)林應(yīng)用技術(shù)、制氫技術(shù)和生態(tài)濕地及棲息地建設(shè)應(yīng)用技術(shù)等［3］。但是清理出的淤泥一般呈流塑狀，幾乎沒有什么承載能力，不能直接利用。因此對(duì)疏浚淤泥的固化成為首先需要解決的問題。常用的固化方法有:物理脫水固結(jié)法、化學(xué)固化法以及高溫?zé)Y(jié)固化法。

之前研究較為成熟的是使用水泥作為固化材料的化學(xué)固化技術(shù)，而事實(shí)證明水泥的固化效果也確實(shí)很好。但是使用水泥固化同時(shí)又存在著很多的問題，比如成本高，材料水穩(wěn)定性差，特別是用水泥加固有機(jī)質(zhì)含量較高的淤泥時(shí)，其強(qiáng)度一般都比較低，這是因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)的存在阻礙了水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行［4］。而淤泥通過高溫?zé)Y(jié)法進(jìn)行固化轉(zhuǎn)化為土木工程材料時(shí)，其產(chǎn)品的附加值較高，是將淤泥資源化行之有效的辦法。因此與化學(xué)固化法相比，燒結(jié)固化法表現(xiàn)出更大的優(yōu)勢(shì)。燒結(jié)固化法是通過高溫處理，使疏浚淤泥脫水，有機(jī)成分分解，顆粒之間粘結(jié)，或無機(jī)物發(fā)生熔解，然后再通過冷卻，使得淤泥熔合成具有相當(dāng)強(qiáng)度的固體顆粒［5］。同時(shí)，由于工業(yè)廢渣，如粉煤灰、礦渣等在生產(chǎn)不同性能的水泥時(shí)就發(fā)揮了很大作用，因此很多研究也將工業(yè)廢渣引入，達(dá)到改善燒結(jié)固化效果的目的。本文涉及到的實(shí)驗(yàn)研究采用的方法是摻入工業(yè)廢渣條件下的燒結(jié)固化法。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

將礦渣磨成細(xì)粉作礦物細(xì)摻料直接用于混凝土生產(chǎn)，是可持續(xù)發(fā)展和降低混凝土生產(chǎn)成本的重要技術(shù)路線［6］。因此礦渣更多的是摻加到水泥中作為礦物摻合料使用，而礦渣的摻量對(duì)水泥石的強(qiáng)度也有著重大的影響，實(shí)驗(yàn)表明:礦渣占混合固化劑的質(zhì)量比在一定區(qū)間內(nèi)(40%～70%)對(duì)水泥土強(qiáng)度的增強(qiáng)效果顯著，而且低于10%時(shí)基本不會(huì)顯示出效果［7］。但是將礦渣摻加到淤泥中，固化加以利用的研究還不是很多。本文主要通過在太湖淤泥中摻加不同量的礦渣，燒結(jié)固化，研究其對(duì)淤泥固化效果的影響。

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

淤泥:淤泥取自無錫白旄淤泥堆場(chǎng)。將疏浚淤泥在烘箱中105℃條件下烘12 h，表面呈黃褐色。粉碎篩分，粒徑0.05 mm。經(jīng)XRF測(cè)定，淤泥樣品的相關(guān)化學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 淤泥樣品的化學(xué)組成 %

不難看出，在淤泥中SiO2含量最多，可以保證燒結(jié)制品足夠的強(qiáng)度;CaO含量很低，則坯體在焙燒過程中不易變形［8］。

礦渣:工業(yè)廢渣，白色。

溶液:1 mol/L的NaOH溶液。

試塊成品規(guī)格:φ100 mm ×50 mm，每塊質(zhì)量 m=0.64 kg，密度 ρ=1.63 g/cm3。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將烘干粉碎好的淤泥粉末與不同摻量的礦渣混合均勻，然后加入NaOH溶液攪拌，控制含水率在15%左右;然后將攪拌好的試樣裝入擊實(shí)儀中擊實(shí);擊實(shí)后干燥放置3 d;最后放入馬弗爐中，在1000℃下恒溫加熱2 h;最后取出試塊檢測(cè)分析。

流程可用圖1表示。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 礦渣摻量對(duì)燒結(jié)疏浚淤泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

2.1.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本次實(shí)驗(yàn)主要研究礦渣在低摻量和高摻量情況下，對(duì)燒結(jié)淤泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響。低摻量分為:0%，3%，5%，10%四組;高摻量則為:20%，40%，60%三組。最后分別統(tǒng)計(jì)兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，見圖 2，圖 3。

2.1.2 數(shù)據(jù)分析

分析實(shí)驗(yàn)得到圖表，可以得到結(jié)論:

低摻量(0%～10%)情況下，抗壓強(qiáng)度值都處于較高水平，最高可達(dá)14.3 MPa，最低也有13.1 MPa，且其值摻量在4%～5%之間時(shí)強(qiáng)度達(dá)到峰值。高摻量(20%～60%)情況下，抗壓強(qiáng)度值的變化也呈現(xiàn)拋物線趨勢(shì)，且礦渣摻量40%附近時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到極值。由此還可以看出，低摻量條件下的無側(cè)限強(qiáng)度整體高于高摻量的。這也說明，礦渣摻量并不是越高越好，而是存在一個(gè)合理的分布區(qū)間。

圖2 低礦渣摻量下燒結(jié)淤泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值

圖3 高礦渣摻量下燒結(jié)淤泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值

2.2 礦渣摻量對(duì)燒結(jié)疏浚淤泥的收縮率、燒失率的影響

礦渣作為摻料加入淤泥中，其影響必然是多方面的。除了上面討論到的對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響，我們還要研究對(duì)燒結(jié)淤泥其他性質(zhì)的影響。根據(jù)土木工程中對(duì)一般建筑材料，如建筑和裝飾用磚的性能要求，本實(shí)驗(yàn)選擇了收縮率和燒失率作為研究對(duì)象。

2.2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理，結(jié)果可用表2來表示，變化趨勢(shì)由圖4表示。

表2 礦渣摻量對(duì)燒結(jié)淤泥其他性質(zhì)的影響 %

圖4 不同礦渣摻量下燒結(jié)淤泥的收縮率及燒失率情況

2.2.2 數(shù)據(jù)分析

通過表2的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我們可以得出以下結(jié)論:

低摻量情況下，收縮率和燒失率都要比高摻量情況下的大了許多。收縮率隨礦渣摻量的增加基本呈現(xiàn)先降后升的趨勢(shì);燒失率隨礦渣摻量的增加所呈現(xiàn)的趨勢(shì)要更加復(fù)雜，可表述為先下降再上升最后再下降，最后趨于平緩。結(jié)合實(shí)驗(yàn)得到的試件情況還可以得出，摻量高時(shí)燒結(jié)淤泥穩(wěn)定性要更高一些，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后的試塊表面比摻量低時(shí)的更為平整，裂縫也更少。綜合考慮兩種因素的影響，可看出，摻量在5%附近時(shí)，兩種指標(biāo)的值都相對(duì)較小。

3 結(jié)論與展望

通過對(duì)摻礦渣疏浚淤泥燒結(jié)后的抗壓強(qiáng)度、收縮率及燒失率等指標(biāo)的研究，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

1)礦渣摻量對(duì)燒結(jié)疏浚淤泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響并不是簡(jiǎn)單的摻量越高，強(qiáng)度越大，而是低摻量的情況下抗壓強(qiáng)度更為理想。

2)礦渣摻量對(duì)燒結(jié)疏浚淤泥的收縮率、燒失率的影響為:低摻量情況下，收縮率和燒失率都要比高摻量情況下的要大。

3)綜合對(duì)比，可以初步給出本實(shí)驗(yàn)情況下的最佳礦渣摻量:礦渣摻量為5%，此時(shí)經(jīng)高溫?zé)Y(jié)固化后的淤泥各方面的性能都較理想。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)到13 MPa以上，用來制磚的話，已經(jīng)可以達(dá)到一般土木建筑材料的要求;收縮率為5%，小于8%的一般要求;燒失率小，表明此時(shí)的材料性能較為穩(wěn)定。

由于作者自身知識(shí)有限，對(duì)通過實(shí)驗(yàn)得出的各項(xiàng)結(jié)論還不能給出更具有說服力的機(jī)理闡述，因此這里只是將實(shí)驗(yàn)成果展示如上，并對(duì)數(shù)據(jù)加以初步分析。但是隨著更多的研究者加入到淤泥燒結(jié)再利用的研究中來，相信試驗(yàn)中涉及到的相關(guān)內(nèi)容都會(huì)得到解決，從而也會(huì)使燒結(jié)淤泥能夠得到更好的發(fā)展利用。

［1］陳 萍，張振營(yíng)，李小山，等.廢棄淤泥作為再生資源的固化技術(shù)與工程應(yīng)用研究［J］.浙江水利科技，2006(6)：1-3.

［2］朱 偉，張春雷，劉漢龍，等.疏浚泥處理再生資源技術(shù)的現(xiàn)狀［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2002(4)：39-41.

［3］尹 平，宮曉波.疏浚泥綜合利用現(xiàn)狀［J］.能源研究與管理，2011(4)：17-20.

［4］王曉東，蔣 建.淤泥處理技術(shù)研究綜述［J］.科技資訊，2009(10)：154-155.

［5］趙慶祥.污泥資源化技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

［6］萬惠文，陳學(xué)兵，王 君.礦渣成分及結(jié)構(gòu)對(duì)潛在活性的影響［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，31(4)：101-103.

［7］蘭 凱，黃漢盛，鄢泰寧.摻入礦渣的水泥土強(qiáng)度模型試驗(yàn)研究及其配方優(yōu)化［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2007，5(5)：115-119.

［8］袁永兵，陳洪齡，呂志剛，等.以干化太湖淤泥為原料燒結(jié)制磚的研究［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2011，34(5)：179-182.