一種新型土體固化劑用于河道淤泥固化的應用研究

張沈裔 張國防

1.寶鋼新型建材科技有限公司

2.同濟大學

1 前言

我國很多河道，尤其是城市中的河道污染嚴重。隨著我國生態(tài)文明建設推進，河道綜合治理日益受到重視。河道中產(chǎn)生的大量淤泥就地原位利用以及作為原材料制備建筑材料是最為常見的利用方式。但由于淤泥中含有大量水分、較多有機質(zhì)和重金屬離子，這兩種利用方式都需要將淤泥進行合適處理后方可使用。土體固化劑，是一種由多種無機或有機材料合成的用以固化各類土壤的新型節(jié)能環(huán)保工程材料，常用于各種土壤的固化處理[1]。已有研究[2-7]利用各種土體固化劑對不同類型土壤進行了固化處理，并取得了較好的效果。

鋼鐵工業(yè)會產(chǎn)生很多的工業(yè)固體廢棄物，很多無法得到合理的資源化利用，往往通過水泥廠協(xié)同處置的方式進行消納，特別是燒結(jié)煙氣脫硫灰（簡稱脫硫灰），它是鋼廠燒結(jié)工序采用鈣法半干法脫硫過程中產(chǎn)生的脫硫副產(chǎn)物，其工業(yè)化應用尚未找到合理的資源利用途徑，為了拓展工業(yè)固體廢棄物資源化利用領域，上海寶鋼新型建材科技有限公司與同濟大學等單位合作開發(fā)出應用于基礎土體和基坑圍護工程土體加固處理用的GS土體固化劑，并已在地基和基坑工程中得到廣泛應用。但淤泥與地下基礎土壤差別大，尤其是含有較多重金屬離子。為拓展GS土體固化劑的應用范圍，本文主要研究了兩個不同配方的GS土體固化劑對淤泥含水率、無側(cè)限抗壓強度和重金屬離子溶出量的影響程度，探討GS土體固化劑應用于河道淤泥固結(jié)處理的可行性，以期為GS土體固化劑在河道淤泥處理中的應用提供一定的技術參考。

2 試驗

2.1 原材料

（1）淤泥。試驗用淤泥為上海寶田新型建材有限公司提供的一種水處理淤泥，為黃褐色硬塑狀態(tài),含水率較高，約60%，重金屬含量也較高，測試結(jié)果如表1所示。

（2）GS土體固化劑。上海寶鋼新型建材科技有限公司研發(fā)生產(chǎn)的兩種GS土體固化劑GSA和GSB，主要是由各種工業(yè)廢棄物組成，并輔以少量添加劑而形成。

2.2 試驗方法

基于本論文研究目的，將兩種土體固化劑按照8%、10%、13%、16%和20%摻量摻入淤泥進行淤泥固結(jié)處理，研究土體固化劑對淤泥固化土性能的影響規(guī)律。

固化土的性能測試包括含水率、7d 和28d 無側(cè)限抗壓強度以及重金屬離子溶出率。含水率測試是通過烘箱烘干前后質(zhì)量變化來評價。無側(cè)限抗壓強度測試是參照JTG E51—2009《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》進行。重金屬離子浸出試驗參考國家標準GB 5085.3—2007《危險廢物鑒別標準 浸出毒性鑒別》方法，測定固化土浸泡后的浸出液中重金屬離子含量，從而評定土體固化劑對淤泥中的重金屬離子固化效果。

表1 土體固化劑固結(jié)淤泥后的固化土重金屬離子溶出量（單位：mg/kg）

3 結(jié)果與討論

3.1 淤泥固化土含水率

本節(jié)研究了土體固化劑摻量變化對淤泥固化后得到的固化土含水率隨時間的變化趨勢，借此來評級淤泥固化后可用于堆積的最短時間間隔。隨著土體固化劑GSA 和GSB 的摻量變化，固化土在養(yǎng)護1d、2d 和3d 后的含水率變化情況分別如圖1所示。

圖1 土體固化劑GSA和GSB固結(jié)淤泥后的固化土含水率變化情況

由圖1可知，隨著土體固化劑GSA和GSB摻量增大，淤泥固化后的固化土含水率均呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢。在土體固化劑摻量8%和10%情況下，固化土含水率基本不變，土體固化劑摻量13%以上時，固化土含水率的降幅逐漸增大。土體固化劑不同摻量情況下，隨著養(yǎng)護齡期延長，固化土的含水率顯著降低，且土體固化劑摻量越大，固化土含水率降幅越顯著。且肉眼觀察可知，無論土體固化劑摻量大小，固化土在養(yǎng)護1d～3d情況下均已硬化，產(chǎn)生一定的強度。這表明，土體固化劑GSA 和GSB均能顯著降低淤泥固化土的含水率，且在1d時即能達到很好的含水率降低作用，即可實現(xiàn)淤泥的堆積處理，土體固化劑的摻量以13%以上時為佳。

3.2 淤泥固化土無側(cè)限抗壓強度

本節(jié)研究利用土體固化劑GSA和GSB固化淤泥的無側(cè)限抗壓強度，根據(jù)上面研究的結(jié)果，無側(cè)限抗壓強度的GSA和GSB的摻量均采用16%。根據(jù)土體固化劑GSA和GSB淤泥固化的無側(cè)限抗壓強度檢測數(shù)據(jù)可得，GSA和GSB固化土的7d無側(cè)限抗壓強度均較高，分別達3.8MPa和4.7MPa，但二者存在較明顯差異；GSA 和GSB 固化土的28d 無側(cè)限抗壓強度分別高達6.4MPa 和6.3MPa，且差異很小。固化土的早期無側(cè)限抗壓強度變化趨勢與土體固化劑自身強度變化趨勢相同。這說明，土體固化劑的強度一定程度上影響到淤泥固化土的早期無側(cè)限抗壓強度，但對后期無側(cè)限抗壓強度的影響相對較??；且本文所用的兩個土體固化劑均能使得淤泥固化土具有較高的無側(cè)限抗壓強度。

3.3 淤泥固化土重金屬離子浸出率

淤泥的處理需滿足減量化、穩(wěn)定化、無害化、資源化的要求，因此固化土浸出液中重金屬含量是首要控制的關鍵指標之一。但由于淤泥的重金屬種類和濃度不同，固化土的使用目的不同，對固化土浸出液中重金屬含量要求不同。本文研究用淤泥處置后的主要利用途徑之一是原位利用，因此首先應能滿足國家標準GB 36600—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量標準建設用地土壤污染風險管控標準》關于重金屬離子含量和溶出量的規(guī)定要求。

土體固化劑GSA 和GSB 的摻量均為16%摻入淤泥，固結(jié)淤泥后的固化土重金屬離子溶出量，測試結(jié)果如表1所示。由表1可以看出，該淤泥中的重金屬含量雖較高，但均未超過國家標準GB 36600—2018 的規(guī)定值；利用土體固化劑GSA 和GSB 固化后的固化土進行重金屬溶出試驗，測試得到的重金屬溶出量更小，均顯著低于國家標準GB 36600—2018規(guī)定的限制要求，且兩個固化土的重金屬離子溶出量基本相當。這表明，該淤泥利用土體固化劑固化處理后，其重金屬離子溶出量遠低于國家標準GB 36600—2018 的限值要求；且雖然土體固化劑不同，但對淤泥固化后的重金屬離子溶出量的影響程度相當。

4 結(jié)論

（1）土體固化劑GSA 和GSB 均能顯著降低淤泥固化土的含水率，且在1d 時即能使得淤泥含水率大幅降低，產(chǎn)生一定的強度，可以堆放，且摻量以13%以上為佳。

（2）土體固化劑GSA 和GSB 均能使得淤泥具有較高的早期和后期無側(cè)限抗壓強度。

（3）土體固化劑GSA 和GSB 均對淤泥中的重金屬離子具有很好的固結(jié)駐留作用，使得固化土中的重金屬離子溶出量遠低于國家標準限值要求。

（4）基于上述性能研究，土體固化劑GSA和GSB應用于淤泥固化處理具有較好的效果；但河道淤泥原位利用，還需考慮固化土對水體和動植物生長的影響，因此GS土體固化劑應用于河道淤泥處置還需進行深入細致研究。