工業(yè)廢渣復(fù)合固化鹽漬疏浚淤泥機(jī)理及強(qiáng)度研究

彭以舟，楊 潔，陳曉波

(1.浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 杭州 311112；2.浙江恒立交通工程有限公司,寧波 315192)

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工業(yè)廢渣復(fù)合固化鹽漬疏浚淤泥機(jī)理及強(qiáng)度研究

彭以舟1，楊 潔1，陳曉波2

(1.浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 杭州 311112；2.浙江恒立交通工程有限公司,寧波 315192)

針對(duì)鹽漬疏浚淤泥特點(diǎn)，開展磷石膏堿渣、廢橡膠粉復(fù)合固化鹽漬疏浚淤泥機(jī)理研究，配制復(fù)合固化劑。通過(guò)強(qiáng)度試驗(yàn)研究，驗(yàn)證復(fù)合固化鹽漬疏浚淤泥可用作輕質(zhì)土路基填料。解決了濱海地區(qū)道路建設(shè)填料需求，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)廢渣的“廢物利用”。

工業(yè)廢渣；復(fù)合固化；鹽漬疏浚淤泥；固化機(jī)理；路基填料

0 引 言

隨著海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，疏港公路、海涂圍墾、吹填造陸等建設(shè)任務(wù)日益繁重，建設(shè)任務(wù)的實(shí)施需要大量性能良好的填料。我國(guó)沿海地區(qū)河網(wǎng)密布，河網(wǎng)疏浚產(chǎn)生了大量鹽漬疏浚淤泥。鹽漬疏浚淤泥具有含水率高，流動(dòng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，給疏浚淤泥處置帶來(lái)較大困難，占用大量處置堆場(chǎng)；鹽漬疏浚淤泥還具有鹽脹性、溶陷性、腐蝕性和強(qiáng)烈的吸濕特性，給其工程利用帶來(lái)困難。工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生大量廢棄物，如電石渣、磷石膏、高爐渣和堿渣等，不僅占用大量空間，而且污染環(huán)境、破壞生態(tài)。工業(yè)廢渣固化高含水率疏浚淤泥研究較多[1-3]，但濱海鹽漬疏浚淤泥固化研究較少。為解決濱海地區(qū)道路建設(shè)中的土石方需求并實(shí)現(xiàn)工業(yè)廢渣的“廢物利用”，針對(duì)鹽漬疏浚淤泥特點(diǎn)，開展了磷石膏堿渣、廢橡膠粉復(fù)合固化鹽漬疏浚淤泥研究，驗(yàn)證了工業(yè)廢渣廢橡膠粉復(fù)合固化疏浚淤泥作為輕質(zhì)土路基填料是可行的。

1 復(fù)合固化機(jī)理分析

1.1 磷石膏堿渣化學(xué)固化

磷石膏、堿渣是高Ca2+基材料[4-5]。疏浚淤泥中黏粒含量較高，工程性質(zhì)趨同于膠結(jié)粉土。疏浚淤泥摻入磷石膏堿渣發(fā)生以下作用：

(1)陽(yáng)離子交換作用。磷石膏中的Ca2+與土顆粒表面的陽(yáng)離子(如：Na+，K+，H+)發(fā)生交換作用，使疏浚淤泥黏土顆粒表面雙電層中的擴(kuò)散層變薄，黏土顆粒相互作用減弱、吸引成團(tuán)。疏浚淤泥的分散性、坍塌性和親水性降低，塑性指數(shù)降低，因而易穩(wěn)定成型，形成早期強(qiáng)度，工程性質(zhì)提高。

(2)膠凝作用。離子交換作用后，疏浚淤泥中硅膠、鋁膠與磷石膏進(jìn)一步反應(yīng)，形成含水硅酸鈣、鋁酸鈣等水化產(chǎn)物。在水環(huán)境下發(fā)生硬化，凝膠在土顆粒外圍形成粘結(jié)力較強(qiáng)的網(wǎng)狀保護(hù)膜，促使固化淤泥的強(qiáng)度增長(zhǎng)并保持長(zhǎng)期穩(wěn)定。同時(shí)，保護(hù)膜還可隔離水分使固化淤泥獲得水穩(wěn)定性。

(3)碳酸化作用。磷石膏摻入疏浚淤泥后，還會(huì)與空氣中CO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成碳酸鈣(CaCO3)晶體。而碳酸鈣具有較高的強(qiáng)度和水穩(wěn)定性，對(duì)減小疏浚淤泥的觸變性和流變性起主要作用。此外，碳酸鈣的膠結(jié)作用使疏浚淤泥形成石灰類穩(wěn)定土，具有較高的后期強(qiáng)度。

1.2 廢橡膠粉物理改良

廢舊輪胎橡膠粉具有自重輕、高彈性、理化性質(zhì)穩(wěn)定等特性。比重瓶法測(cè)得橡膠顆粒密度為1.25g/cm3，約為土顆粒密度的1/2，因此，用廢橡膠粉替代部分原料土，可配制橡膠顆粒輕質(zhì)土，達(dá)到減輕路基自重的作用。

常溫條件下橡膠粉理化性質(zhì)穩(wěn)定，而且具有高彈性、高韌性和抗沖擊性等特點(diǎn)。通過(guò)路拌或廠拌處理，廢橡膠粉和固化淤泥的黏土基團(tuán)均勻混合，填充部分淤泥孔隙，使得塑性指數(shù)大幅降低，穩(wěn)定性提高。

從微觀上講，廢橡膠粉比表面積大，與基團(tuán)接觸面積大，接觸面上摩阻力增加，抗剪強(qiáng)度提高；廢橡膠粉中所含約3%的纖維具有較大的表面粗糙度，增大了膠粉與基團(tuán)的界面摩擦效應(yīng)。鹽漬土基團(tuán)發(fā)生鹽脹、溶陷和吸濕反應(yīng)時(shí)，纖維與基團(tuán)界面產(chǎn)生摩阻力，消耗部分脹縮內(nèi)力，有效減小鹽漬土的脹縮勢(shì)能，從而有效約束鹽漬土基團(tuán)脹縮作用。另一方面，摻入廢橡膠粉亦可以改善抗氯離子滲透性能，減小廢橡膠粉的粒徑，加大廢橡膠粉摻量可更明顯降低氯離子滲透性[6]。

2 復(fù)合固化劑配制

2.1 試驗(yàn)材料

(1)疏浚脫水淤泥

代表性土樣取自杭州灣新區(qū)疏浚淤泥吹填堆場(chǎng)，吹填淤泥天然含水率達(dá)100%以上，采用快速泥水分離裝置分離水份后含水率為40%～55%，呈黑臭狀，質(zhì)地細(xì)膩均勻。對(duì)土樣進(jìn)行土工試驗(yàn)[7]，表1是杭州灣新區(qū)疏浚淤泥的液限、塑限、相對(duì)密度等物理特性。

表1 杭州灣新區(qū)疏浚淤泥的物理特性

由表1參數(shù)可知，疏浚淤泥不能直接作為路基填料[8]，須經(jīng)技術(shù)處理。

(2)工業(yè)廢渣

磷石膏是磷肥生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的工業(yè)廢渣，目前國(guó)內(nèi)堆存的磷石膏渣已超過(guò)1.2億噸，并且每年仍要產(chǎn)生5000多萬(wàn)噸。磷石膏的堆放會(huì)引起土壤、水系、大氣的嚴(yán)重污染，但磷石膏中CaSO4·2H2O含量高達(dá)90%，是一種可利用資源。本試驗(yàn)磷石膏取自安徽某磷肥廠，天然含水率27%左右，5mm篩余量小于1%，表2是磷石膏的主要化學(xué)成份。

表2 磷石膏的主要化學(xué)成份(%)

目前,我國(guó)氨堿法生產(chǎn)純堿約300多萬(wàn)噸, 占世界產(chǎn)量的10%。每年產(chǎn)生廢液3000多萬(wàn)立方, 堿渣近300萬(wàn)噸 。本試驗(yàn)堿渣取自江西某堿業(yè)有限公司，粒徑小于3.14μm大于80%,粒徑較細(xì),比表面積大,具有膠體性質(zhì)。表3是堿渣主要化學(xué)成分。

表3 堿渣主要化學(xué)成分(%)

本試驗(yàn)粉煤灰取自杭州某火電廠濕排低硫高鈣粉煤灰，屬于Ⅱ級(jí)粉煤灰。

廢橡膠粉：選用20目廢舊輪胎橡膠粉(粒徑約0.83mm)，廢舊輪胎橡膠粉中約含3%以上的纖維。

2.2 固化劑配制

磷石膏、堿渣作為Ca2+基材料，粉煤灰為輔材，MgO為激發(fā)劑。首先將比表面積大于450m2/kg的堿渣與礦渣微粉、粉煤灰進(jìn)行混磨，然后再加入磷石膏及激發(fā)劑進(jìn)行機(jī)械混合，即得到磷石膏堿渣土壤固化劑。通過(guò)凝結(jié)時(shí)間、7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)確定Ca2+基材料：粉煤灰：激發(fā)劑質(zhì)量比，推薦Ca2+基材料∶粉煤灰∶激發(fā)劑=60∶30∶10的配比制成工業(yè)廢渣固化劑。

試驗(yàn)研究表明：與單一鈣基材料相比，復(fù)合固化劑具有凝結(jié)時(shí)間可調(diào)、強(qiáng)度高和黏結(jié)性好等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于處治濱海氯鹽漬軟基。

3 復(fù)合固化疏浚淤泥強(qiáng)度試驗(yàn)

3.1 室內(nèi)承載比CBR試驗(yàn)

(1)復(fù)合固化疏浚淤泥配合比

在配合比設(shè)計(jì)過(guò)程中，橡膠顆粒與脫水疏浚淤泥按體積比進(jìn)行配合(堆積體積)。而磷石膏堿渣固化劑與聯(lián)合固化疏浚淤泥(即橡膠顆粒與脫水疏浚淤泥)按質(zhì)量比進(jìn)行配合。

磷石膏堿渣固化劑用量=石膏堿渣固化劑質(zhì)量/(石膏堿渣固化劑質(zhì)量+聯(lián)合固化疏浚淤泥質(zhì)量)。聯(lián)合固化疏浚淤泥試驗(yàn)參照《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51-2009)執(zhí)行，相關(guān)的最大干密度和最佳含水率由重型擊實(shí)試驗(yàn)確定。

(2)最佳含水率和最大干密度測(cè)試。根據(jù)原材料密度以及輕質(zhì)材料設(shè)計(jì)要求，初選脫水疏浚淤泥與橡膠顆粒摻入比，范圍介于80∶20與60∶40之間；依據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)原則，推薦磷石膏堿渣固化劑摻量變化范圍4%～6%。依據(jù)不同配合比制作室內(nèi)測(cè)試試樣，進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)，用以測(cè)定不同配比條件下輕質(zhì)土的最佳含水率和最大干密度變化曲線。

(3) 室內(nèi)承載比CBR試驗(yàn)

在固化疏浚淤泥拌和過(guò)程中，淤泥、固化劑和橡膠顆粒應(yīng)該按照合理順序進(jìn)行投料攪拌。若橡膠顆粒先于固化劑添加，則攪拌過(guò)程中橡膠顆粒易被淤泥包裹起來(lái)，由于淤泥對(duì)橡膠顆粒與固化劑的隔離作用，造成三者間無(wú)法發(fā)生應(yīng)有的凝結(jié)硬化反應(yīng)，導(dǎo)致混合物內(nèi)部薄弱部位增多，強(qiáng)度有所降低。因此，原材料合理添加順序：脫水疏浚淤泥→石膏堿渣固化劑→廢棄輪胎橡膠顆粒。

首先，將稱好的脫水淤泥和石膏堿渣固化劑加入攪拌機(jī)，開動(dòng)攪拌機(jī)強(qiáng)制攪拌1min以上，至淤泥和固化劑混合均勻時(shí)停機(jī)。再次，將稱好的廢橡膠顆粒加入攪拌機(jī)，再次強(qiáng)制攪拌1min以上，直至廢橡膠顆粒等三者成為均勻的松散狀拌和物為止。按《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2007)進(jìn)行承載比CBR試驗(yàn)，脫水疏浚淤泥與橡膠顆粒摻入比80∶20，石膏堿渣固化劑摻量4%，壓實(shí)度96%，擊實(shí)次數(shù)98，室內(nèi)承載比CBR試驗(yàn)結(jié)果見表4。由表4可知，復(fù)合固化疏浚淤泥滿足公路路基施工技術(shù)規(guī)范CBR強(qiáng)度要求,可用于各級(jí)公路路基填土。

表4 室內(nèi)承載比CBR試驗(yàn)結(jié)果

3.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

慈溪市某道路工程設(shè)計(jì)要求固化輕質(zhì)土最大干密度ρdmax≤1.20g/cm3，7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度≥0.2MPa，28d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度≥0.3MPa。經(jīng)測(cè)定脫水疏浚淤泥與橡膠顆粒摻入比60∶40滿足該設(shè)計(jì)輕質(zhì)土要求，石膏堿渣固化劑摻量試驗(yàn)選用4%、5%和6%。

按照96%壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算不同固化劑摻量下聯(lián)合固化疏浚淤泥干密度；制作室內(nèi)測(cè)試試件，在20±2℃溫度下保濕養(yǎng)生6d并浸水24h后，測(cè)試7d和28d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。不同固化劑摻量固化疏浚淤泥無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值如表5所示。

表5 不同固化劑摻量固化疏浚淤泥無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值

由表5可知，石膏堿渣固化劑摻量4%即可滿足該道路工程設(shè)計(jì)要求。通過(guò)室內(nèi)配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)，確定現(xiàn)場(chǎng)石膏堿渣固化劑的最佳用量，施工劑量允許誤差+0.5%～+1.0%。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)磷石膏堿渣可對(duì)鹽漬疏浚淤泥進(jìn)行化學(xué)固化，廢橡膠粉可對(duì)鹽漬疏浚淤泥進(jìn)行物理改良，磷石膏堿渣、廢橡膠粉可實(shí)現(xiàn)鹽漬疏浚淤泥復(fù)合固化；

(2)復(fù)合固化疏浚淤泥滿足公路路基施工技術(shù)規(guī)范CBR強(qiáng)度要求,可用于各級(jí)公路路基填土；

(3)復(fù)合固化疏浚淤泥可滿足輕質(zhì)土路基要求；

(4)復(fù)合固化疏浚淤泥可解決濱海地區(qū)道路建設(shè)中的土石方需求，實(shí)現(xiàn)工業(yè)廢渣的“廢物利用”。

[1]桂躍，王其合，張慶.工業(yè)廢料固化高含水率疏浚淤泥強(qiáng)度特性分析[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，34(1):36-42.

[2]趙曉晴, 張永宏, 李明東,等.摻磷尾礦的海淤固化土路堤強(qiáng)度影響因素研究[J].公路, 2012, (11): 71-75.

[3]丁建文, 張帥, 洪振舜, 等. 水泥-磷石膏雙摻固化處理高含水率疏浚淤泥試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué), 2010, 31(9): 2817-2822.

[4]楊沛浩.磷石膏的綜合利用[J].中國(guó)資源綜合利用，2009，27(1):13-15.

[5]劉心中,姚德,董鳳芝，等.堿渣(白泥)綜合利用[J].化工礦物與加工,2001,30(3):1-4.

[6]郝建民.橡膠粉對(duì)再生混凝土圍護(hù)結(jié)構(gòu)氯離子滲透性的影響研究[J].混凝土，2015，(5):26-28.

[7]JTG E40-2007，公路土工試驗(yàn)規(guī)程[S].

[8]JTG D30-2015，公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Study on the Mechanism and Strength of Compound Stabilized Saline Dredged Sludge by Industrial Waste

PENG Yi-zhou1，YANG Jie1，CHEN Xiao-bo2

(1.Zhejiang Institute of Communications，Hangzhou 311112,China；2. Zhejiang Hengli Traffic Engineering Co. Ltd.，Ningbo 315192,China)

According to the characteristics of saline dredged sludge，study on the mechanism of compound stabilized saline dredged sludge by phosphogypsum residue or soda residue and waste rubber powder.preparate the compound stabilizing agent. The experiments prove it can be used as light subgrades filling，solve the requirement of subgrades construction in coastal area，and realize the waste utilization of industrial waste residue.

industrial waste；compound stabilized；saline dredged sludge；stabilized mechanism；ubgrades filling

2016-05-25

浙江省科技廳公益技術(shù)應(yīng)用研究項(xiàng)目(2014C33036)；浙江省教育廳資助項(xiàng)目(Y201329709)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51378472)

彭以舟(1968-)，男，安徽六安人，副教授，高級(jí)工程師，E-mail：qyypy@126.com。

U414.1

A

10.3969/j.issn.1671-234X.2016.03.006

1671-234X(2016)03-0025-04

浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，第17卷第3期，2016年9月

Journal of Zhejiang Institute of Communications

Vol.17 No.3,Sep.2016