城市河道淤泥固化技術(shù)試驗(yàn)研究

張志勇 嚴(yán)娟

摘要：為了實(shí)現(xiàn)內(nèi)陸城市河道疏浚淤泥的資源化利用，以武漢市黃孝河西段黑臭河道治理工程為研究對(duì)象，對(duì)淤泥在拌入一定量周邊土料的同時(shí)，加入一定比例的JCW軟土固化劑作為固化膠結(jié)材料進(jìn)行固化試驗(yàn)。探討了JCW軟土固化劑添加量、淤泥有機(jī)質(zhì)含量對(duì)固化效果的影響，以及其固化作用機(jī)理。試驗(yàn)結(jié)果表明：淤泥的有機(jī)質(zhì)含量對(duì)固化淤泥的強(qiáng)度影響較為明顯;JCW軟土固化劑固化淤泥的效果優(yōu)于水泥、石灰類固化劑;當(dāng)有機(jī)質(zhì)含量為8%，固化劑干摻量為10%時(shí)，固化土28 d無(wú)側(cè)限強(qiáng)度達(dá)到520 kPa以上。

關(guān) 鍵 詞：河道淤泥; JCW軟土固化劑; 有機(jī)質(zhì); 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度; 固化試驗(yàn); 黑臭河道

中圖法分類號(hào)： TV523

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.12.032

0 引 言

隨著中國(guó)環(huán)保產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，尤其是環(huán)境治理“重水輕泥”的理念逐步向“泥水并重”的理念轉(zhuǎn)變[1]，大量受污染的河湖相疏浚淤泥如處置不當(dāng)（如填埋、直接外棄拋海）將帶來(lái)嚴(yán)重的如占用土地、污染河流、影響海洋生態(tài)環(huán)境等問(wèn)題[2]。使用膠結(jié)固化的處理方法，將處理后的疏浚淤泥轉(zhuǎn)化為建設(shè)材料進(jìn)行利用，可以有效解決疏浚淤泥的出路問(wèn)題，還可緩解土地資源緊缺的矛盾[3]。此外，膠結(jié)固化處理方法能將淤泥中有毒有害物質(zhì)封固在晶體結(jié)構(gòu)中，防止其再次釋放到環(huán)境中，從而避免造成二次污染[4-6]。目前，用作淤泥膠結(jié)固化的工程材料，仍普遍以水泥、石灰、石膏等傳統(tǒng)的膠凝材料，或在此基礎(chǔ)上改進(jìn)的材料為主，仍然存在一些弊端[7]。JCW軟土固化劑[8]是一種環(huán)境友好型功能性材料，其水化形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)物能有效固結(jié)淤泥，在工程指標(biāo)性能、穩(wěn)定性、環(huán)境影響等方面均優(yōu)于水泥類和石灰類固化劑。

疏浚淤泥最好的處理方法是將其轉(zhuǎn)化為土工或建筑材料進(jìn)行再生利用[9-12]。因此，試驗(yàn)針對(duì)武漢市黃孝河西段整治工程產(chǎn)生的河道黑臭淤泥理化特征，采用固化方法，將淤泥改性成為具有一定承載力的固化土，從而實(shí)現(xiàn)疏浚淤泥的資源利用。

1 試驗(yàn)方法

1.1 原材料

（1） 河湖底泥。試驗(yàn)研究所用淤泥為河床底泥，其主要化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表1，淤泥土工試驗(yàn)指標(biāo)見(jiàn)表2。

從表1可以看出，該河湖底泥的燒失量達(dá)19.02%，屬高有機(jī)質(zhì)含量泥炭質(zhì)土;其主要化學(xué)成分為SiO2、Al2O3、CaO，含量分別高達(dá)56.06%，14.05%和3.80%;此外，含有一定量的Fe2O3、MgO、K2O、Na2O，以及微量的SO3和P2O5。由此判斷，該淤泥的主要礦物成分為硅酸鹽和硅鋁酸鹽。

由表2淤泥土工試驗(yàn)物理指標(biāo)可知，該河湖底泥液限高達(dá)55.87%，且塑性指數(shù)高達(dá)31.42，屬于高液限黏土;其中d90為53.56 μm，顯然屬于細(xì)粒土，由此可定義該淤泥為高含水高液限高有機(jī)質(zhì)泥炭土。

（2） 干土料。取自黃孝河道附近黃土，其有機(jī)質(zhì)含量為0.5%，并將其在60～70 ℃恒溫干燥箱內(nèi)烘干備用。

（3） JCW軟土固化劑。試驗(yàn)所用固化劑為JCW軟土固化劑，其為利用低品位工業(yè)廢渣為主要原材料制備的一種新型硅鋁基膠結(jié)材料，基本參數(shù)見(jiàn)表3。

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)首先測(cè)定排明水后淤泥的含水率，按照要求的配合比，用電子稱分別稱取淤泥、干土料、固化材料和水，將稱量的混合料充分?jǐn)嚢柚辆鶆颍s4 min），注意底部不能有聚集的固化材料;將攪拌均勻的混合料注入預(yù)先備好的模具（模具尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm）中進(jìn)行試件制作，將制好的試件放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。待試件養(yǎng)護(hù)到試驗(yàn)要求的齡期（7，14，28 d）后，進(jìn)行試件的抗壓強(qiáng)度測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 有機(jī)質(zhì)含量影響試驗(yàn)結(jié)果及分析

鑒于原狀淤泥的有機(jī)質(zhì)含量過(guò)高的情況，使用添加干土料調(diào)配不同有機(jī)質(zhì)含量的混合料（其中干土料的添加量分別為淤泥干物料質(zhì)量的0～20%），配制完成的混合料漿液的有機(jī)質(zhì)含量分別為18.9%，17.5%，13.2%，11.5%，10.5%，9.5%，8.3%，7.7%，7.8%，6.7%，固化劑摻量為干物料總量的10%，含水率為淤泥的初始含水率85.9%。隨后在不同養(yǎng)護(hù)齡期下取樣測(cè)定固化土有機(jī)質(zhì)含量及其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。圖1為固化土在不同養(yǎng)護(hù)齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度受有機(jī)質(zhì)含量的影響對(duì)比圖。從圖1中可以看出，隨著有機(jī)質(zhì)含量的增加，固化土抗壓強(qiáng)度呈逐步降低趨勢(shì)，且當(dāng)有機(jī)質(zhì)含量超過(guò)10%時(shí)，抗壓強(qiáng)度急劇下降;當(dāng)有機(jī)質(zhì)含量增至19.7%時(shí)（即保持原有的有機(jī)質(zhì)含量不變），強(qiáng)度幾乎降為有機(jī)質(zhì)含量最低組的20%。這是因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)具有較強(qiáng)的吸附能力，當(dāng)有機(jī)質(zhì)含量達(dá)到10%時(shí)，淤泥顆粒表面的有機(jī)質(zhì)吸附量達(dá)到飽和，嚴(yán)重阻礙固化劑與淤泥顆垃的有效接觸，從而大幅度降低固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。由此可見(jiàn)，有機(jī)質(zhì)含量對(duì)淤泥改性固化效果的影響顯著。

根據(jù)養(yǎng)護(hù)齡期28 d的試驗(yàn)結(jié)果，繪制有機(jī)質(zhì)含量對(duì)固化土28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響的變化趨勢(shì)，如圖2所示。從圖2中可以看出，有機(jī)質(zhì)對(duì)固化淤泥28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響呈現(xiàn)二次函數(shù)變化趨勢(shì)，擬合公式為Y=2.327 3x2-94.889x+1 130.72。由公式可以推導(dǎo)出，當(dāng)有機(jī)質(zhì)含量為8%時(shí)，養(yǎng)護(hù)28 d的固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度將達(dá)到520 kPa，符合作為回填碾壓土標(biāo)準(zhǔn)，可作為回填土資源化利用。

2.2 固化劑摻量影響試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)2.1節(jié)的試驗(yàn)方法和結(jié)果，將淤泥有機(jī)質(zhì)含量調(diào)整為8%，含水率調(diào)整為淤泥的初始含水率85.9%，添加不同摻量的固化劑（摻量為淤泥干重比例的2%～13%逐步增加），進(jìn)行固化劑摻量單因素試驗(yàn)，具體試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出，隨著固化劑摻量的增加，固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)逐步增加趨勢(shì);且當(dāng)摻量小于4%時(shí)，固化土幾乎無(wú)強(qiáng)度，這是因?yàn)楣袒瘎搅窟^(guò)低，在高含水狀態(tài)下，顆粒間溶液中的離子濃度不足以析出能形成有效接觸的晶簇或膠凝體，從而不能形成完整的固結(jié)體，導(dǎo)致強(qiáng)度不足。

將養(yǎng)護(hù)齡期28 d的試驗(yàn)結(jié)果繪制固化劑摻量對(duì)固化土28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響的變化曲線，如圖3所示。從圖中可以得出固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈二次函數(shù)變化趨勢(shì)，擬合公示為Y=31 161x2+1 882.6x+30.77。由公式可以推導(dǎo)出，當(dāng)固化劑摻量為10%時(shí)，養(yǎng)護(hù)28 d的固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度將達(dá)到530 kPa，基本和2.1節(jié)的擬合數(shù)據(jù)吻合，且符合作為回填碾壓土的標(biāo)準(zhǔn)，可作為回填土資源化利用。

2.3 固化劑種類影響試驗(yàn)效果及分析

根據(jù)2.1節(jié)和2.2節(jié)的試驗(yàn)結(jié)論，將有機(jī)質(zhì)含量調(diào)整為8%，固化劑干摻量為10%。制備固化土試樣，其中分別使用P·O32.5、P·O42.5、石灰和JCW軟土固化劑做為固化劑，進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。如圖4所示，其中JCW軟土固化劑的固化效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)固化材料（其固化土28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值為P·O32.5水泥固化土的1.9倍、P·O42.5水泥固化土的1.5倍、石灰固化土的2.5倍），且石灰的固化效果最低，基本為石灰水化吸水產(chǎn)生的脫水固結(jié)效果。這是因?yàn)槭覟闅庥残阅z凝材料，在水化時(shí)吸收自身重量35%的水分，生成的Ca（OH）2在高含水狀態(tài)處于非飽和離子狀態(tài)，離子濃度過(guò)低而未能激發(fā)黏土顆?；钚裕揖w析出量較少，因此，固結(jié)效果最差。水泥自身的水化反應(yīng)生成水化硅酸鈣凝膠充填淤泥顆?？障叮虼?，能形成一定的固結(jié)強(qiáng)度。JCW軟土固化劑則能激發(fā)淤泥顆粒表面部分活性，使其參與反應(yīng)，從而在淤泥顆粒表面析出圓體晶體，增大顆粒間的有效接觸，獲得較高的固結(jié)強(qiáng)度。

3 作用機(jī)理分析

淤泥固化效果的影響因素復(fù)雜多變，根據(jù)上述試驗(yàn)情況可知，主要因素為固化劑的參數(shù)（種類和摻量）和淤泥的組成（有機(jī)質(zhì)含量、含水率、黏土膠團(tuán)的結(jié)構(gòu)等），混合料漿為各組分水解形成的多組分離子溶液體系，因此，通過(guò)調(diào)控該混合體系離子濃度，激發(fā)多種因素協(xié)同作用將有效提升固結(jié)效果。

淤泥顆粒中的黏土成分首先水解，當(dāng)其片狀晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂時(shí)，會(huì)產(chǎn)生鋁、硅、氧離子的不飽和鍵（Si4+，Al3+的正電場(chǎng)和O2-的負(fù)電場(chǎng)），并在極性水分子作用下，可分別吸附H+和OH-，生成過(guò)渡表面化合物[11]。與此同時(shí)，JCW軟土固化劑開(kāi)始水化反應(yīng)，其原材料中含有豐富的玻璃態(tài)鈣鋁黃長(zhǎng)石、鎂黃長(zhǎng)石、鈣硅石等，其結(jié)構(gòu)組成主要為-Si-O-Al-序列，在混合體系中，序列發(fā)生斷裂解離形成二硅酸鈣Ca（H3SiO4）2硅氧單聚體、二硅氧體、正硅鋁酸鹽和鋁酸根離子[Al（OH）4]-等離子中間體，其中，正硅酸鹽由堿性硅氧體基團(tuán)（Si-OH）組成，可與鋁酸根離子縮聚形成二硅鋁體，再進(jìn)行縮合形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的礦物聚合物。正鋁硅酸鹽中的Al-OH和Si-ONa發(fā)生縮聚反應(yīng)，形成環(huán)狀二硅鋁結(jié)構(gòu)，并伴隨有NaOH釋放，可再次參與反應(yīng)。環(huán)狀二硅鋁結(jié)構(gòu)再縮聚形成四面體或六面體的水合方鉀石網(wǎng)絡(luò)物[12]。形成的三維網(wǎng)絡(luò)狀地聚合物，可與淤泥細(xì)顆粒表面的過(guò)渡表面化合物發(fā)生鍵合，從而實(shí)現(xiàn)淤泥表面的改性，增加淤泥細(xì)顆粒間的有效接觸面積，增強(qiáng)固結(jié)效果。

4 結(jié) 論

（1） 有機(jī)質(zhì)含量對(duì)淤泥改性固化效果的影響顯著，有機(jī)質(zhì)含量超過(guò)10%，將嚴(yán)重影響淤泥固化效果，且當(dāng)有機(jī)質(zhì)含量增至19.7%時(shí)，強(qiáng)度幾乎降為有機(jī)質(zhì)含量最低組的20%。

（2） JCW軟土固化劑的固化效果優(yōu)于水泥、石灰，且當(dāng)淤泥有機(jī)質(zhì)含量為8%，JCW軟土固化劑的摻量為10%時(shí)，固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均大于520 kPa，可用作工程回填土料使用。

（3） JCW軟土固化劑能激發(fā)淤泥顆粒的過(guò)渡表面化合物，使其參與反應(yīng)，從而在淤泥顆粒表面析出固體晶體，增大顆粒間的有效接觸，獲得較高的固結(jié)強(qiáng)度。

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（編輯：鄭 毅）

Experimental study on dredged material solidification technology for urban rivers

ZHANG Zhiyong，YAN Juan

（Center of River & Lake Protection and Safety of Construction and Operation，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China）

Abstract：

In order to realize the resource utilization of dredged material generated in sediment cleaning engineering of inland urban rivers，based on the Huangxiao River harnessing project in Wuhan city，we mixed a certain amount of surrounding soil and a certain proportion of JCW curing agent into the dredged material to carry out solidification experiment.We discussed the influence of dosage of JCW cementing agent and organic matter on curing effect and the solidification mechanism.The result showed that the organic matter content had a significant effect on the solidification strength，and the JCW cementing agent had a better effect for the mud compared with cement and lime curing agent.The unconfined strength of solidified mixture reached 520 kPa after 28 days when the organic matter content and JCW curing agent content were 8% and 10%，respectively.

Key words：

dredged material;JCW curing agent for clay;organic matter;unconfined compressive strength;solidification test;black-odor rivers