疏浚淤泥固化處理研究進(jìn)展

王強(qiáng)，李操，葛單單，王瀟

（1.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232000；2.安徽理工大學(xué)環(huán)境友好材料與職業(yè)健康研究院（蕪湖），安徽 蕪湖 241003；3.淮北淮海建設(shè)工程有限責(zé)任公司，安徽 淮北 235000）

0 引言

近年來(lái)，在全國(guó)開(kāi)展的清淤疏浚工程產(chǎn)生大量高含水率疏浚淤泥[1-2]，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，每年疏浚淤泥達(dá)數(shù)百億噸。淤泥有機(jī)質(zhì)和污染物含量高、含水量高、液限高、壓縮性高、強(qiáng)度低及毒性強(qiáng)，往往不能滿足工程應(yīng)用設(shè)計(jì)的要求[3]。淤泥堆場(chǎng)會(huì)占用土地資源，傳統(tǒng)的將淤泥傾倒填埋既不能滿足需求，還會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境[4]。固化技術(shù)處理成本低、效率高，符合可持續(xù)發(fā)展理念，成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛研究的處理方式[5-6]。固化處理包括物理脫水和化學(xué)處理，物理脫水一般是通過(guò)晾曬或機(jī)械脫水使淤泥水分脫離，化學(xué)處理則是向淤泥中加入固化材料，另加一些摻加劑[7]。固化材料與淤泥中的有機(jī)質(zhì)及礦物質(zhì)發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)改善淤泥物理力學(xué)性質(zhì)[8-9]，固化淤泥可用于填海造陸、加固堤防和建筑材料等[10-11]。

本文主要綜述了采用固化技術(shù)處理疏浚淤泥對(duì)其物理特性和力學(xué)特性的影響，回顧了國(guó)內(nèi)外淤泥固化處理研究現(xiàn)狀及取得的進(jìn)展，最后總結(jié)了淤泥固化技術(shù)處理利用中存在的問(wèn)題，提出今后淤泥固化技術(shù)研究發(fā)展方向。

1 淤泥土物理特性

疏浚淤泥質(zhì)軟，細(xì)顆粒含量高，以黏土礦物為主，黏土礦物具有很大的表面積和吸附能力，與水分的結(jié)合力很強(qiáng)。固化處理可改變其物理特性，便于工程應(yīng)用，固化處理對(duì)淤泥物理特性的影響研究如表1所示。

淤泥固化對(duì)其物理特性的影響 表1

綜合上述文獻(xiàn)可以看出：

①淤泥固化應(yīng)著重考慮水和污染物的處理，采用物理脫水技術(shù)，污染物并未得到有效處理，化學(xué)固化處理可降低含水率，減小流動(dòng)性，并可將污染物穩(wěn)定化；

②不同固化劑對(duì)淤泥干密度影響不同，在工程應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)干密度變化規(guī)律選擇合適的固化材料；

③碳化處理和增長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)齡期可降低淤泥土滲透性和壓縮性。

2 淤泥土力學(xué)特性

良好的力學(xué)特性是淤泥土工程應(yīng)用的基礎(chǔ)，影響淤泥土固結(jié)力學(xué)特性的主要因素有淤泥自身因素、固化劑種類和養(yǎng)護(hù)環(huán)境等。

2.1 含水率

疏浚淤泥含水量高，脫水困難，固化處理需解決這一問(wèn)題。Abdoul等[20]研究發(fā)現(xiàn)固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨礦渣摻量增加而增大，隨含水量增加而降低。王文軍等[21]研究表明，固化劑摻量相同時(shí)，初始含水率越高，固化土強(qiáng)度下降趨勢(shì)越明顯，例如固化劑摻量為4%時(shí)，含水率為60%的固化土強(qiáng)度分別是含水率為 90%、120%、150% 的 1.74、2.37、2.68倍。Liu等[22]試驗(yàn)表明，隨著粉煤灰和礦渣含量的增加，固化污泥含水量先減少后增加，剪切強(qiáng)度先增大后減小。粉煤灰結(jié)構(gòu)致密，吸水能力弱，含有的二氧化硅和氧化鋁與氫氧化鈣反應(yīng)，生成水化硅酸鈣和水化鋁硅酸鈣凝膠，增強(qiáng)土骨架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

Horpibulsuk等[23]指出水泥固化淤泥強(qiáng)度和剛度隨含水率降低呈先增加后減小趨勢(shì)，含水率從17.6%增大到26.4%，峰值強(qiáng)度約從 0.6MPa 增長(zhǎng)至1.6MPa。Liang 等[24]采用水泥和礦渣復(fù)合材料固化鋅污染淤泥，研究表明復(fù)合材料固化土能降低含水率，提高強(qiáng)度和穩(wěn)定性，15%水泥與10%礦渣組合效果最好。王江營(yíng)等[25]研究表明固化淤泥7d前含水率隨水泥、石灰和減水劑三者摻量增加下降速率加快，固化土強(qiáng)度增強(qiáng)。蔡紅等[26]采用MICP技術(shù)固化淤泥質(zhì)土，含水率降低主要發(fā)生在初期，12h含水率從40%降至33.43%，7d降至33.29%，絕對(duì)降幅 6.71%，相對(duì)降幅達(dá)16.78%。吹填淤泥自然固結(jié)后，含水率顯著下降，預(yù)壓使土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，增強(qiáng)黏聚力[27]。

水分變化影響淤泥力學(xué)特性，研究含水率的影響有著重大的實(shí)際工程意義。采用固化技術(shù)處理淤泥，含水率下降，土體孔隙減少，固結(jié)愈加密實(shí)。然而當(dāng)含水率較低時(shí)，抑制水化反應(yīng)的進(jìn)行，水化產(chǎn)物減少，引起淤泥土力學(xué)性能弱化。淤泥固化現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)，應(yīng)考慮室內(nèi)研究與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的偏差，將含水率控制在一定范圍，進(jìn)而提高淤泥利用率。

2.2 固化劑種類及摻量

水泥是一種常用的固化劑，然而水泥生產(chǎn)對(duì)環(huán)境不友好，粉煤灰、礦渣、鋼渣等工業(yè)廢料可替代水泥作固化劑。諸多學(xué)者研究了不同種類固化劑對(duì)固化淤泥力學(xué)特性的影響，研究成果見(jiàn)表2。

不同固化劑及摻量對(duì)固化淤泥力學(xué)特性的影響 表2

工業(yè)廢料作固化劑符合綠色發(fā)展模式，且可以縮短固化時(shí)間[40]，淤泥固化多采用復(fù)合型固化劑[41]，復(fù)合型固化劑在理化性質(zhì)上彼此互補(bǔ)，固化效果好?，F(xiàn)階段淤泥固化研究多集中在強(qiáng)度方面，對(duì)固化土長(zhǎng)期變形特性、水穩(wěn)性和耐久性等方面研究較少。

在固化材料中摻加外加劑可改善淤泥漿力學(xué)特性。章榮軍等[42]基于水泥固化法，提出絮凝-固化聯(lián)合法（FSCM），淤泥漿抗剪強(qiáng)度隨絮凝劑量增加呈先增大后下降的趨勢(shì)（見(jiàn)圖1），淤泥漿抗剪強(qiáng)度比不摻緩凝劑時(shí)的強(qiáng)度高35%以上。鄭耀林等[43]研究發(fā)現(xiàn)，與純水泥相比，F(xiàn)SCM固化淤泥抗剪強(qiáng)度可達(dá)到純水泥的5倍及以上，達(dá)到48kPa。王東星等[44]研究表明堿激發(fā)粉煤灰可顯著提高固化淤泥土抗壓強(qiáng)度，NaOH激發(fā)效果好，Na2CO3激發(fā)較弱。以上研究表明，外加劑與主固化劑共同作用改善固結(jié)體力學(xué)特性。

圖1 緩凝劑劑量對(duì)FSCM處理淤泥漿性質(zhì)的影響規(guī)律[42]

2.3 有機(jī)質(zhì)

淤泥中有機(jī)質(zhì)以腐殖質(zhì)類居多，朱偉等[45]研究了有機(jī)質(zhì)腐殖酸對(duì)水泥固化淤泥的影響，他指出淤泥強(qiáng)度隨有機(jī)質(zhì)含量增加而降低（見(jiàn)圖2），腐殖酸的影響存在極限含量值3.62%。朱劍鋒等[46]研究發(fā)現(xiàn)硫氧鎂水泥固化淤泥強(qiáng)度隨腐殖酸和含水率增加而不斷減小，隨水泥增多而逐漸增強(qiáng)（見(jiàn)圖3）。

圖2 有機(jī)質(zhì)含量與強(qiáng)度的關(guān)系[45]

圖3 不同初始含水率下鎂質(zhì)水泥摻量對(duì)qu的影響[46]

高有機(jī)質(zhì)含量使土體酸性增強(qiáng)，腐殖酸成分富里酸的酚羥基（-OH）、羧基（-COOH）等基團(tuán)與固化劑中的Ca2+反應(yīng)，Ca2+濃度的下降阻礙固化劑水化反應(yīng)的進(jìn)行，水化凝膠減少。同時(shí)腐殖酸侵蝕土骨架結(jié)構(gòu)，孔隙致密性降低甚至擴(kuò)展，宏觀表現(xiàn)為力學(xué)性能弱化。

2.4 黏粒含量

淤泥黏粒含量高，顆粒粒徑細(xì)，比表面積大，對(duì)淤泥力學(xué)特性有較大影響。鮑樹(shù)峰等[47]采用真空預(yù)壓聯(lián)合化學(xué)處理加固淤泥，研究表明黏粒與加固劑之間發(fā)生強(qiáng)烈的團(tuán)聚反應(yīng)，淤泥黏粒含量降低，孔隙比降幅明顯，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度也最大（66.7 kPa）。李濤等[48]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)淤泥土抗壓強(qiáng)度隨黏粒含量增加而下降，高黏粒含量試樣的抗壓強(qiáng)度曲線表現(xiàn)為強(qiáng)度低、持續(xù)硬化的穩(wěn)定式發(fā)展特征；低黏粒含量試樣表現(xiàn)為強(qiáng)度高，破壞迅速的崩塌式發(fā)展特征，并且低黏粒含量試樣內(nèi)部顆粒間的摩擦強(qiáng)度大于高黏粒含量試樣的對(duì)應(yīng)值。

黏粒含量在一定范圍內(nèi)有利于淤泥固化，黏粒含量高反而不利于固化處理，對(duì)于高黏粒含量對(duì)固化淤泥力學(xué)特性的影響還需進(jìn)一步探究。

2.5 養(yǎng)護(hù)齡期與環(huán)境

固化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)需要適宜的養(yǎng)護(hù)時(shí)間和環(huán)境要求。饒春義等[49]研究了鎂質(zhì)水泥固化淤泥壓縮試驗(yàn)，他指出隨著齡期增長(zhǎng)，淤泥結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力增大，破損指數(shù)減小。談云志等[50]設(shè)計(jì)水泥量12%，發(fā)現(xiàn)不同石灰摻量淤泥土強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)呈先增大后減小的趨勢(shì)，石灰摻量從0%增加到10%，淤泥土120d齡期時(shí)的抗壓強(qiáng)度約從0.2MPa增大至1.9MPa（見(jiàn)圖4）。Pu等[51]以石灰、石灰和水泥混合料固化淤泥，結(jié)果表明壓縮系數(shù)隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)呈先減小后增大趨勢(shì)，固化土內(nèi)摩擦角、黏聚力和脆性指數(shù)均相應(yīng)增大。

圖4 UCS 隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化規(guī)律[50]

鄭少輝等[52]試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)養(yǎng)護(hù)壓力擠壓土顆粒骨架結(jié)構(gòu)，當(dāng)養(yǎng)護(hù)壓力從0增加到80kPa，固化淤泥抗壓強(qiáng)度從68kPa增長(zhǎng)至361kPa。章榮軍等[53]研究了養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)水泥固化淤泥（CSM）的影響，結(jié)果表明較高的養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)CSM前期和后期強(qiáng)度增長(zhǎng)作用同樣顯著。

通過(guò)上述文獻(xiàn)回顧，可得出以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

①固化淤泥強(qiáng)度隨齡期增長(zhǎng)而增強(qiáng)，較長(zhǎng)齡期促使固化材料化學(xué)反應(yīng)充分，凝膠產(chǎn)物填充孔隙，顆粒密實(shí)，土顆粒膠結(jié)作用增強(qiáng)；

②一定的養(yǎng)護(hù)壓力有利于淤泥改良土強(qiáng)度提高，然而在持續(xù)高壓養(yǎng)護(hù)下，試樣內(nèi)部有可能發(fā)生破壞，具體影響還需進(jìn)一步研究；

③在固化大體量淤泥時(shí)，淤泥內(nèi)部溫度高于標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)溫度，實(shí)際處理應(yīng)考慮標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)與工程應(yīng)用時(shí)的溫差對(duì)固化的影響，具體技術(shù)方法研究較少。

3 結(jié)語(yǔ)

采用固化技術(shù)處理疏浚淤泥取得一定進(jìn)展，固化處理改善了淤泥物理特性和力學(xué)特性，現(xiàn)階段淤泥固化處理還存在一些問(wèn)題；

①工業(yè)廢料可替代水泥用于淤泥固化處理，目前應(yīng)加強(qiáng)對(duì)工業(yè)廢料和水泥固化效果的定量對(duì)比研究和新型固化劑的研究；加強(qiáng)復(fù)雜外部環(huán)境下（干濕-凍融循環(huán)、酸雨侵蝕、微生物作用等），淤泥固化效果的研究；

②采用固化技術(shù)應(yīng)著重思考如何降低污染物含量或改變其存在形態(tài)，將污染物固化穩(wěn)定化，同時(shí)應(yīng)進(jìn)一步研究固化淤泥污染物溶出、轉(zhuǎn)移規(guī)律；

③加強(qiáng)對(duì)水與土顆粒的關(guān)系和水的賦存形態(tài)的研究，將物理脫水和化學(xué)處理相結(jié)合，物理脫水可減小淤泥體積，從而減少固化劑用量；

④目前采用固化技術(shù)處理淤泥存在堆場(chǎng)占地與土地資源之間的矛盾，存在室內(nèi)試驗(yàn)和室外應(yīng)用的偏差，淤泥處理應(yīng)因地制宜，以期實(shí)現(xiàn)淤泥高質(zhì)、綠色、規(guī)?；瘧?yīng)用。