礦渣和石灰固化疏浚淤泥效果的室內(nèi)對(duì)比試驗(yàn)

沈 宇，王瑞彩，陶桂蘭，吳 騰

(河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098)

我國(guó)每年進(jìn)行大規(guī)模的水利工程建設(shè)、水運(yùn)交通工程建設(shè)以及河流湖泊治理工程等，會(huì)產(chǎn)生大量的疏浚淤泥。這些疏浚淤泥具有含水率高、力學(xué)性能差等特點(diǎn)。目前我國(guó)疏浚淤泥主要采用拋泥處置法，該方法需要占用大量的土地，侵占寶貴的耕地，破壞當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，同時(shí)拋泥區(qū)存在淤泥固化周期長(zhǎng)、含水率高、力學(xué)強(qiáng)度低等問(wèn)題[1]。為了縮短淤泥固化周期、降低淤泥的含水率、提高淤泥的力學(xué)強(qiáng)度，對(duì)淤泥采用固化處理是常用的有效手段。當(dāng)前固化淤泥的研究主要是以水泥搭配粉煤灰[2]、石膏[3]、鋼渣[4-5]等材料混合固化。

童琦[6]將粉煤灰和礦粉混合，以水玻璃為激發(fā)劑固化疏浚淤泥，發(fā)現(xiàn)礦粉摻量越高，淤泥無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度越高；桂躍等[7]進(jìn)行石灰的單摻試驗(yàn)，對(duì)比發(fā)現(xiàn)摻入石灰后，淤泥的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈線性增長(zhǎng)；章定文等[8]發(fā)現(xiàn)石灰是有效堿性激發(fā)劑，可提供火山灰反應(yīng)的堿性環(huán)境；楊愛(ài)武等[9]的研究表明石灰摻量不宜超過(guò)12%；劉立新等[10]認(rèn)為水泥效果比石灰好，但是水泥成本過(guò)高；梁仕華等[11]發(fā)現(xiàn)礦渣搭配水泥比純水泥效果更好，說(shuō)明礦渣也是一種優(yōu)良的固化劑。

根據(jù)《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置混合填埋用泥質(zhì)》[12]，疏浚淤泥填埋須滿足固化后28 d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)50 kPa，固化材料以低摻量摻入時(shí)，既能滿足填埋要求又可降低成本，同時(shí)也可減小添加固化材料后淤泥的堿性。礦渣和石灰作為常用的固化材料，來(lái)源廣泛、價(jià)格較低，本文對(duì)礦渣和石灰固化疏浚淤泥的效果進(jìn)行對(duì)比研究，結(jié)合成本和環(huán)保性，確定礦渣和石灰的合適摻量，從而降低固化成本、達(dá)到更好的固化效果。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

淤泥為南京市江心洲所取的長(zhǎng)江疏浚淤泥，土質(zhì)呈暗黑色，有淡臭味，初始pH 值為7.6，初始含水率為67.4%。根據(jù)《水運(yùn)工程巖土勘察規(guī)范》[13]，含水率75.5%，分類為淤泥。所用的疏浚淤泥基本物理特性見(jiàn)表1，粒徑分布曲線如圖1 所示。

礦渣為S95 級(jí)礦渣粉，粒徑200 目，主要成分為SiO2、CaO、Al2O3、MgO；石灰為生石灰粉，粒徑200 目，主要成分為CaO。疏浚淤泥使用前手工去除植物根莖、塑料袋等雜物。

1.2 試樣制備及試驗(yàn)流程

為了更好地比較礦渣和石灰對(duì)固化疏浚淤泥的效果，在試驗(yàn)前對(duì)純淤泥試樣進(jìn)行測(cè)試，測(cè)定其28 d 齡期的含水率、pH 值、內(nèi)摩擦角、黏聚力、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)表2。

試驗(yàn)中對(duì)土樣進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、快剪強(qiáng)度、含水率和pH 值測(cè)定。采用無(wú)側(cè)限壓力儀測(cè)試無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，采用應(yīng)變控制式直剪儀測(cè)試抗剪強(qiáng)度，采用烘箱測(cè)定含水率，用電子pH 計(jì)測(cè)定pH 值。

試驗(yàn)前進(jìn)行土樣制備，將一定量的固化劑和疏浚淤泥充分?jǐn)嚢杌旌虾笱b入模具中制樣。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度土樣模具為三瓣模，內(nèi)徑39.1 mm、高80 mm?？旒粼囼?yàn)制樣模具為聚氯乙烯管，內(nèi)徑80 mm、高30 mm，有頂蓋和底蓋。快剪試驗(yàn)用內(nèi)徑61.8 mm 的環(huán)刀切取土樣，切下的余土用以測(cè)量含水率。制備好的土樣養(yǎng)護(hù)2～3 d 后拆模，用保鮮膜包裹置于密封塑料箱中養(yǎng)護(hù)。

1.3 試驗(yàn)方案

將礦渣和石灰分別按一定比例摻入淤泥中進(jìn)行固化試驗(yàn)，測(cè)試3、7、14、28 d 試樣的含水率、pH 值、內(nèi)摩擦角、黏聚力、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，對(duì)比研究不同摻量對(duì)固化淤泥強(qiáng)度的影響，考慮成本和環(huán)保性，確定合適摻量。礦渣和石灰的摻量均為淤泥的干基質(zhì)量比。試驗(yàn)方案見(jiàn)表3。

表3 疏浚淤泥固化試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同摻量對(duì)固化后淤泥含水率的影響

將礦渣和石灰以不同摻量摻入淤泥后，淤泥含水率變化規(guī)律見(jiàn)圖2。由圖2a)、b)可看出，摻入礦渣和石灰可降低疏浚淤泥的含水率，含水率隨齡期降低，說(shuō)明礦渣和石灰摻入淤泥可以吸收淤泥中的水分，同時(shí)礦渣和石灰的活性成分發(fā)生水化反應(yīng)消耗水分；摻量低于20%時(shí)，28 d 齡期土樣含水率均高于40%，表明礦渣和石灰吸收水分能力一般；由圖2c)可看出，同摻量下礦渣多消耗約1%的水分，表明礦渣中活性成分含量更高，水化反應(yīng)消耗水分更多，吸收水分能力更強(qiáng)。

圖2 不同摻量礦渣和石灰固化淤泥后含水率

2.2 不同摻量對(duì)固化后淤泥pH 值的影響

將礦渣和石灰以不同摻量摻入淤泥后，淤泥pH 值變化規(guī)律如圖3 所示。由圖3a)、b)可看出礦渣摻量低于8%時(shí)，pH 值隨摻量增加而增大，大于12%時(shí)pH 值維持在11，而石灰摻量超過(guò)2%時(shí)28 d 齡期內(nèi)pH 值大于12。摻入礦渣和石灰后，CaO 水化產(chǎn)生OH-，淤泥呈堿性，pH 值隨齡期增長(zhǎng)有降低，說(shuō)明活性成分發(fā)生水化反應(yīng)消耗部分OH-。由圖3c)可看出，同摻量時(shí)摻入石灰在28 d齡期內(nèi)都大于摻入礦渣后的淤泥pH 值。

圖3 不同摻量礦渣和石灰固化淤泥后pH 值

2.3 不同摻量對(duì)固化后淤泥強(qiáng)度的影響

不同摻量下礦渣和石灰固化后淤泥內(nèi)摩擦角、黏聚力的變化規(guī)律見(jiàn)圖4、5。摻入礦渣后，淤泥的內(nèi)摩擦角和黏聚力均隨齡期的增長(zhǎng)而增大，且7 d內(nèi)增長(zhǎng)占比超過(guò)50%；摻量超過(guò)12%時(shí)，淤泥內(nèi)摩擦角保持在21°，黏聚力維持在10 kPa。這是因?yàn)榈V渣粉與疏浚淤泥顆粒的黏結(jié)性強(qiáng)，且7 d 內(nèi)水化速率快，生成的水化產(chǎn)物多，顆粒黏結(jié)速率快；摻量超過(guò)12%時(shí)，水化產(chǎn)物量增多，但沒(méi)有足夠的淤泥顆粒黏結(jié)。石灰摻量超過(guò)4%時(shí)，淤泥28 d 齡期內(nèi)摩擦角約為15°，超過(guò)6%時(shí)，降為14°；石灰摻量小于6%時(shí)，淤泥28 d 齡期黏聚力約為10 kPa，大于6%時(shí)，黏聚力維持在14 kPa；摻量越大，倒縮現(xiàn)象越明顯，內(nèi)摩擦角和黏聚力下降越多。由圖4c)和圖5c)可看出，同摻量情況下，礦渣提升淤泥內(nèi)摩擦角較石灰大3°～4°，且無(wú)倒縮現(xiàn)象，石灰提升淤泥黏聚力較礦渣大9～10 kPa，且石灰提升疏浚淤泥黏聚力效果均更優(yōu)。

圖4 不同摻量礦渣和石灰固化后淤泥內(nèi)摩擦角

圖5 不同摻量礦渣和石灰固化后淤泥黏聚力

根據(jù)《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置混合填埋用泥質(zhì)》，疏浚淤泥固化處理后無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到50 kPa可滿足填埋要求。不同摻量下礦渣和石灰固化后淤泥無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律見(jiàn)圖6。由圖6 a)、b)可以看出，摻入礦渣后，3 d 齡期淤泥無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度小于30 kPa；摻量低于12%時(shí)，7 d后強(qiáng)度增長(zhǎng)占比超過(guò)60%，摻量超過(guò)12%時(shí)，7 d后強(qiáng)度增長(zhǎng)占比僅40%，且28 d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到填埋要求；石灰摻量超過(guò)2%，3 d 淤泥強(qiáng)度增長(zhǎng)占比超過(guò)60%，早強(qiáng)性好，14 d 時(shí)達(dá)到無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度峰值，摻量大于2%時(shí)，淤泥強(qiáng)度隨齡期增長(zhǎng)出現(xiàn)倒縮。由圖6c)可看出，同摻量下，3 d齡期石灰提升淤泥強(qiáng)度效果好于礦渣，28 d齡期時(shí)4%石灰摻量的淤泥強(qiáng)度與8%礦渣摻量的淤泥強(qiáng)度接近；石灰固化疏浚淤泥會(huì)發(fā)生強(qiáng)度倒縮現(xiàn)象，礦渣則不會(huì)。

圖6 不同摻量礦渣和石灰固化后淤泥無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

礦渣的水化產(chǎn)物，如水化硅酸鈣凝膠和水化鋁酸鈣晶體等，有黏結(jié)疏浚淤泥顆粒的作用，增強(qiáng)土體的強(qiáng)度。石灰水化反應(yīng)速率較快，在養(yǎng)護(hù)早期就生成大量的膠凝產(chǎn)物Ca(OH)2，Ca(OH)2的黏結(jié)性強(qiáng)，早期抗剪強(qiáng)度和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)迅速，隨著Ca(OH)2進(jìn)一步反應(yīng)生成CaCO3，消耗大量水分，黏結(jié)結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，發(fā)生干縮現(xiàn)象；摻量越多，水化產(chǎn)物越多，干縮越明顯。

2.4 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)

不同摻量礦渣和石灰固化后淤泥28 d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)曲線如圖7 所示。為了預(yù)測(cè)不同摻量下28 d 齡期疏浚淤泥的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，考慮二次多項(xiàng)式模型，設(shè)置摻量為自變量，28 d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為因變量，可得礦渣和石灰強(qiáng)度預(yù)測(cè)公式為:

圖7 不同摻量礦渣和石灰固化后淤泥28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)曲線

式中:q礦、q石為礦渣、石灰固化后疏浚淤泥28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度(kPa)；α為固化淤泥中礦渣摻量(%)；β為固化淤泥中石灰摻量(%)。

根據(jù)所得的預(yù)測(cè)公式，當(dāng)?shù)V渣摻量為8.1%時(shí)，28 d 固化淤泥的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)到50 kPa；當(dāng)石灰摻量為3.79%時(shí)，28 d 固化淤泥的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)到50 kPa。對(duì)比可得28 d 時(shí)達(dá)到填埋要求，所需的石灰摻量?jī)H為礦渣量的一半。目前市場(chǎng)上S95 級(jí)礦渣粉成本為450～500 元∕t，生石灰450～550 元∕t，欲達(dá)到填埋要求，固化每噸淤泥需要礦渣21.79～24.20 元或石灰10.19～12.46 元，價(jià)格方面石灰更占優(yōu)勢(shì)，但是石灰處理后的淤泥為強(qiáng)堿性，對(duì)環(huán)境污染大。

3 結(jié)論

1)摻量低于20%時(shí)，礦渣和石灰降低疏浚淤泥含水率效果一般。同摻量下，礦渣比石灰消耗水分能力略強(qiáng)，可見(jiàn)礦渣對(duì)降低疏浚淤泥含水率有一定優(yōu)勢(shì)。

2)當(dāng)?shù)V渣摻量超過(guò)12%或石灰摻量超過(guò)2%時(shí)，淤泥pH 值不隨摻量增加而增大，表明礦渣和石灰營(yíng)造淤泥堿性環(huán)境有閾值。同摻量下，石灰提升淤泥pH 值的能力更強(qiáng)。

3)摻入礦渣后，淤泥在7 d 內(nèi)抗剪指標(biāo)增長(zhǎng)占比超過(guò)50%。礦渣摻量大于12%或石灰摻量超過(guò)6%時(shí)，淤泥抗剪指標(biāo)不再增長(zhǎng)。同摻量下，石灰提升淤泥黏聚力效果好，但是提升內(nèi)摩擦角效果較礦渣差。

4)礦渣摻量超過(guò)12%時(shí)，疏浚淤泥7 d 后無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)占比超過(guò)50%；石灰摻量超過(guò)2%即發(fā)生倒縮現(xiàn)象，14 d 齡期時(shí)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大。同摻量時(shí)，石灰早強(qiáng)性比礦渣好，但是會(huì)發(fā)生強(qiáng)度倒縮現(xiàn)象。

5)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，28 d 時(shí)達(dá)到50 kPa 的填埋要求，所需的石灰摻量?jī)H為礦渣量的一半，固化成本方面石灰占優(yōu)，但是存在污染大的問(wèn)題。礦渣和石灰的混合比例對(duì)疏浚泥固化效果的影響還需要做進(jìn)一步研究，以達(dá)到固化的最佳效果。