復(fù)合固化劑固化淤泥力學(xué)特性及微觀機(jī)制

朱曉東，薛丹璇，顧琳琳，朱光遠(yuǎn)

（1.中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津市 300074；2.南京理工大學(xué)，江蘇 南京 210094）

0 引言

我國(guó)河流湖泊眾多，隨著對(duì)湖泊和河流的治理以及航道疏浚等清淤工程的開展，淤泥的產(chǎn)量與日俱增[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年廢棄的疏浚淤泥達(dá)到上億立方米，淤泥的大量產(chǎn)生已經(jīng)成為難以回避的現(xiàn)實(shí)[2]。傳統(tǒng)的淤泥處理處置方式主要包括吹填、海洋傾倒和拋泥等，這些方式不僅會(huì)占用大量的土地資源，而且淤泥中含有的污染物質(zhì)（如病原菌、氮磷、有機(jī)物、重金屬等）易流入周邊環(huán)境，造成嚴(yán)重的二次污染。淤泥土固化處理是廢棄土資源化利用的途徑之一，主要通過添加固化劑對(duì)其進(jìn)行固化處理，使其能夠應(yīng)用于生態(tài)護(hù)坡、填筑土等工程上[3]。既可減少工程土方用量，又可節(jié)約疏浚淤泥存放用地面積[4]。目前常用的淤泥固化劑，大多是水泥、石灰等傳統(tǒng)固化劑，其水穩(wěn)定性差、凝期長(zhǎng)、固化強(qiáng)度相對(duì)較弱，只適用于某些特定淤泥且對(duì)于高有機(jī)質(zhì)和高含水率的淤泥固化效果不佳。因此，開發(fā)出既能極大改善淤泥力學(xué)性質(zhì)，又綠色高效低成本的固化劑，是實(shí)現(xiàn)我國(guó)大規(guī)模淤泥資源化、無害化利用的一個(gè)關(guān)鍵，對(duì)于我國(guó)生態(tài)環(huán)境的改善具有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)淤泥固化劑的改良做了大量的研究，例如林安珍等[5]在研究淤泥固化過程中發(fā)現(xiàn)固化淤泥作為填方材料在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上具有可行性。張義貴等[6]開展了相關(guān)淤泥質(zhì)軟土及不同摻入比和不同齡期的水泥土的強(qiáng)度試驗(yàn)研究，以便于選擇淤泥質(zhì)軟土的處治方案。范昭平等[7]研究了有機(jī)質(zhì)含量對(duì)淤泥固化效果的影響，確定了采用水泥—石膏法處理有機(jī)質(zhì)含量較高的淤泥。周瑆玥和朱書景[8]采用土壤固化劑（HAS）改性處理海相淤泥，采用孔隙分析X 射線衍射及掃描電鏡等測(cè)試手段，研究了固化劑固化淤泥機(jī)理；Sezer 等[9]通過三軸剪切及無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究了石灰和粉煤灰按一定比例配置而成的固化劑固化土耳其某地淤泥，其強(qiáng)度隨固化劑摻量變化的規(guī)律。Lin 等[10]以熟石灰作為污泥固化劑，取得了良好的成效。Yong 等[11]采用石灰- 粉煤灰作為淤泥固化劑，通過試驗(yàn)確定此方案的可行性。 Shenbaga等[12]通過試驗(yàn)確定了水泥、粉煤灰固化淤泥的最佳摻量。日本伏木富山港疏浚填海工程、新加坡“長(zhǎng)基”國(guó)際機(jī)場(chǎng)第二跑道工程等采用經(jīng)固化處理的淤泥作為填土材料，取得了良好的效果[13]。雖然有關(guān)淤泥土固化劑的研究很多，但依舊存在固化劑成分方面大部分以單項(xiàng)材料為主，缺乏明確的淤泥固化劑選擇依據(jù)；在固化土性能測(cè)試方面以無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)，缺乏對(duì)固化土綜合性能系統(tǒng)的研究；對(duì)于固化土的用途和資源化利用考慮較少等問題。

本文將在以往研究的基礎(chǔ)上，研制綠色新型淤泥固化劑，進(jìn)行系統(tǒng)的淤泥固化性能試驗(yàn)，對(duì)淤泥固化劑選擇及最優(yōu)摻量的確定，固化劑效果評(píng)價(jià)等內(nèi)容進(jìn)行深入研究，其成果對(duì)大唐南京熱電廠二期地區(qū)道路工程中淤泥固化技術(shù)的推廣應(yīng)用具有實(shí)際意義。

1 固化劑配方及最優(yōu)摻量研究

1.1 實(shí)驗(yàn)淤泥土物理化學(xué)參數(shù)

本項(xiàng)目樣品以大唐南京熱電廠項(xiàng)目施工時(shí)遭遇的淤泥質(zhì)土為原料，通過烘干、碾碎、攪拌形成不同含水率的淤泥質(zhì)土試樣，參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GBT 50123—2019），試驗(yàn)原料基本物理參數(shù)，如下表1 所示。

表1 淤泥基本物理性質(zhì)指標(biāo)

1.2 固化劑配方及最優(yōu)摻量確定

（1）固化劑成分篩選

針對(duì)淤泥初始含水量高、級(jí)配不良、力學(xué)性質(zhì)差等特點(diǎn)，對(duì)于開發(fā)新型綠色固化劑，有了新的要求：固化劑對(duì)高含水率淤泥需具有快速固化的效果，使之由流態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，并具有一定的強(qiáng)度，方便運(yùn)輸和處理；固化后土壤PH 值不應(yīng)具有強(qiáng)堿性和強(qiáng)酸性，且不具有重金屬或者其它有害環(huán)境物質(zhì)，浸水或其它狀態(tài)下不遷移有害離子、不產(chǎn)生有害氣體等，對(duì)環(huán)境友好度較高；固化后土體應(yīng)具有進(jìn)一步加工性和可利用性，如燒磚，填筑公路路堤或回填基坑等。固化成本低，固化工藝簡(jiǎn)單。

達(dá)到上述目標(biāo)，在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，選擇的固化劑原料主要有以下幾種，如表2 所示。

表2 試劑含量

通過液塑限聯(lián)合測(cè)定儀圓錐入土深度初步判斷各單個(gè)試劑的效果。可以得到，含2.5%鈣化聚酸試樣（試劑A）在固化后圓錐入土深度最淺為5 mm，固化效果較好；其次為羧甲基纖維素鈉和有機(jī)硅；傳統(tǒng)的無機(jī)鹽類固化劑，如氧化鈣、硅酸鹽水泥、氯化鈣，由于添加量較少，其固化效果并不明顯，因此單獨(dú)以這些試劑為添加劑，雖然有一定的加固效果，但是需要添加的量較大。玉米糊精和氯化鈣對(duì)于淤泥固化效果不理想，不予考慮。

（2）實(shí)驗(yàn)方案

針對(duì)淤泥特性，將實(shí)驗(yàn)用土，通過烘干、碾碎、攪拌，以含水率為50%的泥漿作為研究對(duì)象，將固化劑加入泥漿，攪拌均勻。根據(jù)上述試劑篩選結(jié)果，按照表3 設(shè)計(jì)的固化劑配方進(jìn)行試驗(yàn)，其中第6 組為不添加固化劑的對(duì)照試驗(yàn)。參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GBT 50123—2019）對(duì)摻入不同固化劑配方的淤泥土開展無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

表3 固化劑試驗(yàn)配方（配方百分比為試劑與干土的質(zhì)量比）

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用無側(cè)限壓力儀進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)得到的加入各固化劑后的試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度如圖1 所示。固化劑1 固化后試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為14.75 kPa；固化劑2 固化后試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為26.55 kPa；固化劑3 固化后試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為33.57 kPa；固化劑4 固化后試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為38.35 kPa；固化劑5 固化后試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為17.77 kPa 可，以看出，固化劑4（鈣化聚酸∶氧化鈣∶改性硅粉=1.5%∶1%∶2.5%）為多組配方中最優(yōu)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大。

圖1 不同配方淤泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度圖

（4）固化劑最優(yōu)摻量

選用固化劑配方4（鈣化聚酸：氧化鈣：水泥=3∶2∶5），設(shè)置四組摻量分別為2.5%、5%、7.5%和10%。進(jìn)行固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，以確定最優(yōu)的固化劑摻量。如圖2 所示，當(dāng)固化劑摻入量在2.5%～5%時(shí)，固化后淤泥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在40 kPa內(nèi)，當(dāng)固化劑摻入量大于5%時(shí)，無側(cè)限抗強(qiáng)度迅速提升，固化劑摻入量達(dá)到7.5%時(shí)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是摻入量5%時(shí)的2.3 倍，當(dāng)固化劑摻量達(dá)到10%時(shí)，固化劑處治淤泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到125.37 kPa?？梢钥闯?，隨著固化劑摻量的增加，固化淤泥最大無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均增加，固化劑的摻量對(duì)淤泥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響較大。結(jié)合工程經(jīng)濟(jì)考慮確定此配方下固化劑最優(yōu)摻量為5%。

圖2 不同固化劑摻量淤泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

2 最優(yōu)摻量固化土的力學(xué)特性

為驗(yàn)證最優(yōu)摻量固化劑的固化效果，選用大唐南京熱電廠項(xiàng)目施工時(shí)遭遇的淤泥土進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)，研究固化劑對(duì)淤泥土力學(xué)性質(zhì)的影響。

（1）無側(cè)限壓縮試驗(yàn)

圖3 所示為5%固化劑含量的固化土在風(fēng)干和密封兩種條件下養(yǎng)護(hù)7 d 后無側(cè)限壓縮條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。在風(fēng)干條件下，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值時(shí)，軸向應(yīng)變量為4.5%，裂縫呈45°發(fā)展，試樣迅速被壓碎，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度降至646 kPa；在保濕條件下，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值時(shí)，軸向應(yīng)變量為3.5%，裂縫呈45°發(fā)展，試樣逐漸開裂，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度降至258 kPa。

圖3 不同齡期固化土應(yīng)力- 應(yīng)變曲線

（2）直剪試驗(yàn)

控制固化后淤泥土最大干密度為1.736 g/cm3制樣，根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GBT 50123—2019）進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)，得到結(jié)果如圖4 所示。

圖4 最大干密度條件下抗剪強(qiáng)度曲線圖

（3）CBR 試驗(yàn)

取淤泥在最佳含水量條件下按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行CBR 試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。交通運(yùn)輸行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F10—2006）中公路填料要求高速一級(jí)公路路基填筑上路床CBR 值不小于8%，下路床不小于6%；路床以下不小于5%?？梢运愠?，貫入量為5 mm 時(shí)的CBR 值為11.46%。

圖5 淤泥土單位壓力與貫入量曲線（p-L 曲線）

綜上所述，5%固化劑摻入量固化后淤泥土后，自然風(fēng)干條件下養(yǎng)護(hù)1 d 后固化淤泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度達(dá)到775 kPa 和100 kPa，自然風(fēng)干條件下養(yǎng)護(hù)7 d 后固化淤泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度達(dá)到4 394 kPa 和159 kPa。CBR 值大于交通運(yùn)輸行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F10—2006）中公路填料的最小CBR 值（8%）的要求。

3 微觀結(jié)構(gòu)及固化機(jī)理

圖6 為沒有添加固化劑和固化劑摻量5%的兩種淤泥的電鏡掃描圖（SEM），從圖中可以看出，素土的的結(jié)構(gòu)較為蓬松，孔隙較小，結(jié)構(gòu)均勻，土顆粒呈片狀排列；而固化劑摻量5%的固化淤泥，由于固化劑的加入，水分大量減少，土顆粒開始聚集，顆粒間孔隙增大，形成團(tuán)粒。

圖6 素土和固化土（5%固化劑）掃描電鏡圖片

對(duì)前文所提到的各種固化劑原料在淤泥土中的反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行分析，可以得出此種固化劑的固化機(jī)理。

鈣化聚酸進(jìn)入淤泥土中會(huì)自發(fā)吸收自由水，并與土壤微粒、游離鈣離子、水等作用形成無色透明黏性物質(zhì)，將土壤微粒聚合為一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)土壤的初步快速固化。在后期養(yǎng)護(hù)過程中，鈣化聚酸黏性層與空氣中二氧化碳反應(yīng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓徕}網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步提升固化強(qiáng)度。雖然氧化鈣不能單獨(dú)對(duì)淤泥有固化效果，但氧化鈣具有促進(jìn)其它固化劑固化淤泥的效果，氧化鈣使得溶液中的Ca2+增加。通過離子交換，用高價(jià)離子取代低價(jià)離子，實(shí)現(xiàn)水化離子半徑縮小化，來達(dá)到雙電層變薄，以使黏土顆粒之間易于凝聚；鈣化聚酸易受酸及金屬離子的影響?zhàn)ざ冉档?，氧化鈣可使溶液保持堿性，其中Ca2+與鈣化聚酸的水化產(chǎn)物形成不溶性鹽，引起分子交聯(lián)而凝膠化沉淀。

有機(jī)硅可提高黏性性能，單獨(dú)有機(jī)硅對(duì)淤泥固化并無效果，但在鈣化聚酸存在的情況下能提高黏性物質(zhì)性能，因此在氧化鈣作為固化劑的基礎(chǔ)上加上有機(jī)硅。有機(jī)硅主要是通過甲基氯硅烷的水引發(fā)聚合形成有機(jī)硅網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到提升土壤顆粒固化強(qiáng)度的目的。

總的來說，高分子基固化劑的固化機(jī)理主要分為以下幾步：首先，固化劑溶解于淤泥的自由水中，形成分子級(jí)鏈狀微單元；然后，固化劑側(cè)鏈基團(tuán)與土壤顆粒與土壤礦物離子發(fā)生靜電螯合作用，進(jìn)一步加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)鎖住自由水，使自由水失去流動(dòng)性，類似結(jié)合水；最后，土壤顆粒與固化劑發(fā)生礦化，形成礦化鏈，使得強(qiáng)度增加。

4 結(jié) 論

為了解決淤泥工程性能差，難以直接應(yīng)用于工程，而填埋、傾倒等傳統(tǒng)淤泥處理處置方式不僅成本高，且對(duì)周邊環(huán)境造成污染等問題。目前傾向于選用固化方式處理淤泥，即在淤泥中添加固化劑，然而對(duì)于高有機(jī)質(zhì)含量和高含水率淤泥，常用固化劑固化效果差。為了有效固化高有機(jī)質(zhì)含量和高含水率淤泥，降低固化土實(shí)際應(yīng)用中的二次污染問題，本文針對(duì)目前淤泥固化存在的問題，確定了固化劑固化效果評(píng)價(jià)指標(biāo)及固化劑選擇依據(jù)，通過擊實(shí)試驗(yàn)、CBR試驗(yàn)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和直接剪切試驗(yàn)等試驗(yàn)系統(tǒng)研究了不同類型、不同摻量固化劑對(duì)淤泥質(zhì)土的影響規(guī)律。主要結(jié)論如下：

（1）大唐南京熱電廠項(xiàng)目所出淤泥力學(xué)性質(zhì)差，含鹽量高，Si元素含量在26.8%，F(xiàn)e元素在25.8%，相對(duì)于路基填土而言，其含水量較高、細(xì)粒含量較多，屬不良級(jí)配土，不能直接用于路基填筑，需利用固化劑對(duì)其進(jìn)行固化處理。

（2）結(jié)合大唐南京熱電廠項(xiàng)目所出淤泥各項(xiàng)指標(biāo)的檢測(cè)結(jié)果，提出了固化劑固化效果評(píng)價(jià)指標(biāo)及固化劑選擇依據(jù)。以強(qiáng)度為控制指標(biāo)，確定了不同種類固化劑固化效果，其中鈣化聚酸30%，氧化鈣20%，改性硅粉50%為多個(gè)配方中表現(xiàn)最佳。

（3）設(shè)置不同的固化劑摻量。進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)、單軸壓縮等試驗(yàn)來評(píng)價(jià)固化劑摻量對(duì)淤泥土的固化效果，最終確定最優(yōu)的固化劑摻量為5%。

（4）固化土的強(qiáng)度來源于固化劑溶解后，形成分子級(jí)鏈狀微單元；其側(cè)鏈基團(tuán)與土壤顆粒與土壤礦物離子發(fā)生靜電螯合作用，形成加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)鎖住自由水；最后，土壤顆粒與固化劑發(fā)生礦化，形成礦化鏈，使得強(qiáng)度增加。

（5）通過對(duì)最優(yōu)固化劑摻量的淤泥試樣進(jìn)行不同條件的實(shí)驗(yàn)室養(yǎng)護(hù)以及一系列的土工試驗(yàn)來研究固化劑對(duì)淤泥土力學(xué)性質(zhì)的影響。所得結(jié)果對(duì)于大唐南京熱電廠項(xiàng)目所出淤泥的綠色化處理有著實(shí)際意義。