水泥、石灰與粉煤灰對河道淤泥的固化效果研究

劉立新 張聰 鄧仁健 周賽軍

(1.中交一公局橋隧工程有限公司 湖南長沙 410000; 2.中交第二航務工程勘察設計院有限公司 湖北武漢 430000;3.湖南科技大學土木工程學院 湖南湘潭 411201)

0 引言

隨著國務院《水污染防治行動計劃》(簡稱“水十條”)的高調出臺，許多城市為改善內陸河道、湖泊的水質，開始有計劃地對城市河道、湖泊進行淤泥疏浚，由此產生了大量的疏浚淤泥。初步統計，中國年疏浚淤泥量在10億m3以上，僅太湖每年的疏浚污泥量就高達400～600萬m3[1]，珠三角地區的年疏浚淤泥量高達8×107m3[2]。疏浚污泥的無害化處理及資源化利用已成為中國亟待解決的環境問題。

淤泥經固化處理后，可作為垃圾填埋場的封頂層、路基的填土材料進行回收利用[3-4]。國內外開展了固化淤泥作為回填材料的示范工程并取得了較好的效果：如日本羽田機場擴建工程[5]、新加坡Pulau Tekong墾地工程[6]及正在修建的大連跨海交通工程等[7]。

國內外學者對淤泥固化做了大量的研究，研究成果主要集中在固化材料[8-9]、固化機理[10-12]、固化強度[2,13]、滲透性[14-15]等方面，這些研究成果為淤泥固化技術的工程實際應用起到了積極的推動作用。

淤泥固化填埋是目前淤泥最有效的處置方法，填埋固化淤泥在運營過程中不僅受到上部封頂層重力因素的影響，水、雪的淋溶滲透等環境因素也對固化淤泥的力學性能及固化淤泥中有機物、重金屬的淋溶析出產生影響，進而威脅到填埋場周圍的環境安全。鑒于此，本文以水泥、粉煤灰、石灰作為淤泥的固化劑，研究固化淤泥的力學性能，以期為疏浚淤泥的固化及資源化利用提供理論與技術支持。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗淤泥

試驗淤泥來源于湖南衡陽市蒸湘區的雁西湖，其含水率為73.06%，有機質含量為14.29%。

1.2 固化材料

淤泥固化材料采用湖南省南方水泥廠生產的普通硅酸鹽水泥(P.O.425)、湖南省某建材廠生產的生石灰，粉煤灰來自湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司某鋼鐵廠，為F類低鈣粉煤灰，3種材料的化學成分如表1所示。

表1 固化材料的化學成分 %

1.3 疏浚淤泥預處理

試驗前，將淤泥放入溫度為103℃～105℃烘箱中烘干至恒重，將烘干后的淤泥用瑪瑙研缽研碎，過100目(0.15mm)尼龍篩除去雜質，將篩余后的淤泥裝入聚四氟乙烯塑料袋中備用。對疏浚淤泥的化學成分(EDS)、礦物成分(XRD)進行分析，結果表明，疏浚淤泥的成分以二氧化硅、氧化鋁、氧化鐵為主，約占淤泥干質量85%；淤泥的礦物成分以石英、方解石、藍晶石、鈣長石、礬土為主。

1.4 試驗方案

按表2所示的固化劑配方設計了7組試驗，測定在固化時間為0、3、7、14、28、56d時固化淤泥的含水率，以及固化時間為3、7、14、28、56d的無側限抗壓強度(UCS)。試件的具體制作方法為：將疏浚淤泥直接按比例與水泥、石灰、粉煤灰等混合，用砂漿攪拌機均勻攪拌10min，并根據《土工試驗規范》(GB/T50123-1999)的要求，將樣品制成直徑為5cm，高5cm圓柱形試件，常溫下養護24h后脫模，室外自然養護設定的時間。

表2 試驗配方 %

1.5 測試項目與方法

淤泥含水率:重量法;淤泥的化學組成:X射線熒光光譜分析法(EDS,XFlash 5010,Bruker,Germany);淤泥的礦物組成:X射線衍射分析法(XRD,D8 Advance,Bruker AXS Germany)；淤泥固化前后的表面形態:采用電鏡掃描儀(SEM,JSM-6380LV,JEOL,Japan);無側限抗壓強度(UCS):采用無側限抗壓強度儀(LD-127-III，天津建儀)。

2 結果與討論

2.1 單一固化劑的固化效果

單一固化劑對疏浚淤泥含水率和無側限抗壓強度的影響如圖1所示(圖例中字母C代表水泥、L代表石灰、F代表粉煤灰，字母后的數字表示其摻入量)。從圖1(a)、(b)與(c)可以看出，隨著水泥、石灰與粉煤灰摻量的增加與固化時間的延長，與無固化劑的淤泥相比，固化后淤泥的含水量降低、無側限抗壓強度顯著增加。固化劑為水泥時，無側限抗壓強度值在前14d增幅較大；固化劑為石灰與粉煤灰時無側限抗壓強度值在前28d增幅較大，隨后趨于穩定。另外，固化淤泥無側限抗壓強度升高，除了與水泥、石灰、粉煤灰等固化材料的加入有關，還與疏浚淤泥的含水率有關，含水率降低可使固化淤泥土顆粒的結合水膜變薄，從而增加土顆粒間的摩擦力導致抗壓強度增加。

a.水泥

b.石灰

c.粉煤灰圖1 水泥、石灰、粉煤灰對淤泥的單一固化效果

當水泥的摻量為7.5%時，疏浚淤泥固化14d后，無側限抗壓強度值達到了301.6kPa，含水率為54.3%，表明固化污泥能滿足《城鎮污水處理廠污泥處置混合填埋用泥質》中規定含水率低于60%、無側限抗壓強度不小于300kPa的污泥混合填埋要求[16]。采用石灰與粉煤灰為固化劑時，含水率均能達到小于60%的要求，而無側限抗壓強度均不滿足要求。水泥固化淤泥的抗壓強度較高，是由于水泥中熟料成分與淤泥的水分發生水化反應產生了水化硅酸鈣、水化鐵酸鈣、水化鋁酸鈣、水化硫鋁酸鈣與氫氧化鈣，其中水化硅酸鈣對固化淤泥的強度起決定性作用。石灰固化淤泥的含水率較低，是石灰與淤泥中的水分發生反應生成氫氧化鈣，消耗掉了部分水分；此外，石灰與水的反應屬于典型的放熱反應，產生的熱量又將蒸發掉部分水分。水泥的摻量達到10%與氧護時間3d時，固化淤泥的抗壓強度與含水率均能達到填埋要求，但此時成本較高，不適合于處理大量的疏浚淤泥；而石灰的摻量達到10%且養護時間為56d時，只有含水率(53.1%)滿足填埋要求，因此石灰不適合單獨用于疏浚淤泥的固化。

粉煤灰與水泥一樣，其組分中含有活性成分Al2O3、SiO2，但對淤泥的固化效果卻存在較大差異。當淤泥中摻入粉煤灰時，其無側限抗壓強度隨時間的變化相對較小，尤其是28d后基本穩定，延長污泥的固化時間對淤泥的固化沒有顯著的效果，即使粉煤灰的摻量達到10%，養護56d后無側限抗壓強度也只有199.3kPa，其抗壓強度仍達不到淤泥的填埋要求。故，粉煤灰也不適合單獨作為疏浚淤泥的固化劑。

2.2 復合固化劑的固化效果

2.2.1水泥與粉煤灰的復合固化效果

圖2 水泥和粉煤灰對疏浚淤泥的復合固化效果

固定水泥的摻入量為5%，摻入不同比例的粉煤灰，對淤泥的固化效果如圖2所示。隨著粉煤灰摻入量的增加，固化淤泥的含水率下降。分析其原因：一是水泥水化反應消耗了淤泥中的部分水分；二是水泥水化產物中氫氧化鈣與粉煤灰中的活性成分發生化學反應，消耗掉部分水分。當水泥摻量為5%，粉煤灰摻量為7.5%時，淤泥固化3d后，含水率為52%，固化淤泥就能滿足填埋要求。

固化淤泥的抗壓強度，隨粉煤灰摻量的增加和固化時間的延長而逐漸提高。粉煤灰的摻量為2.5%時，固化14d后無側限抗壓強度為307.8kPa，較不加水泥時無側限抗壓強度提高了4倍；粉煤灰的摻量以2.5%的梯度增加時，在相同固化時間其無側限抗壓強度顯著提高。隨著固化時間的延長，固化淤泥的抗壓強度不斷增加，當粉煤灰的摻量為7.5%、固化時間56d時，抗壓強度已高達498.3kPa，且有繼續增長的趨勢。這表明粉煤灰在水泥水化產物氫氧化鈣的激發下發生了一系列的化學反應，例如，粉煤灰中的活性Al2O3、活性SiO2與MgO在堿的作用下相互反應生成硅酸鹽類、鈣礬石等物質[17-18]，填充在固化污泥中的孔隙從而提高其抗壓強度。

2.2.2石灰與粉煤灰的復合固化效果

石灰摻入量固定為5%，摻入不同量的粉煤灰對疏浚淤泥的固化效果如圖3所示。隨著粉煤灰摻量的增加，固化淤泥的含水率逐漸降低。其原因是：一是石灰與淤泥中的水分發生反應生成氫氧化鈣，消耗掉部分水分，同時該反應屬于放熱反應，放出的熱量也會蒸發掉部分水分；二是粉煤灰中的活性成分在氫氧化鈣的激活下發生反應，也會消耗掉部分水分。從圖3可以看出，石灰與粉煤灰的復合固化劑對淤泥固化時含水量都低于60%，均能滿足污泥的填埋要求。

另外，固化淤泥的抗壓強度隨粉煤灰摻量的增加和固化時間的延長而逐漸增強；并且，與單獨添加粉煤灰相比，復合固化淤泥的抗壓強度顯著提高。當粉煤灰摻量為7.5%時、固化時間為56d時，淤泥的含水率為40.5%、無側限抗壓強度為310.9kPa，滿足淤泥填埋的要求。

圖3 石灰和粉煤灰對疏浚淤泥的復合固化效果

綜上可知，當以粉煤灰為固化劑時，摻量為5%的水泥比摻量為5%的石灰在提高固化淤泥的抗壓強度上有優勢，但在降低淤泥含水率上稍差。因此，可以考慮固定水泥(5%)和石灰(2.5%)的摻入量，逐步提高粉煤灰的摻入量，考察三者對淤泥的復合固化效果。

2.2.3水泥、石灰和粉煤灰的復合固化效果

水泥(5%)與石灰(2.5%)的摻入量均固定，摻入不同量粉煤灰時對淤泥的固化效果如4所示。從圖4可以看出，水泥、石灰與粉煤灰的復合固化劑對淤泥固化時含水量都低于60%，均能滿足污泥的填埋要求。隨著粉煤灰摻入量的增大、固化時間的延長，固化淤泥的無側限抗壓強度逐漸增加，當粉煤灰的摻量為2.5%，固化7d后無側限抗壓強度達到了327.8kPa，完全滿足淤泥的填埋要求。原因可能在于，隨著淤泥中硅酸鹽成分和堿性成分的增加，粉煤灰中的活性礦物成分得到很大程度的激發，反應更加充分，產生了大量的固結體。通過原淤泥與固化劑(水泥摻量5%+石灰摻量2.5%+粉煤灰摻量2.5%)后的淤泥固化7d后的SEM對比分析表明(圖5)：形成的固化體主要為針狀，并且彼此相互交叉連接成網狀結構，將淤泥顆粒間的孔隙水擠出，縮短了淤泥的固化時間，提高了固化淤泥的密實度，促進了早期強度的發展。

圖5 原淤泥與加復合固化劑淤泥的SEM圖

3 結論

(1)當水泥參量為7.5%，可以單獨用作疏浚淤泥的固化劑，但是用量比較大、成本高；石灰與粉煤灰均不適合單獨用作淤泥的固化劑，其無側限抗壓強度不能滿足淤泥填埋的要求。

(2)當摻入一定量的水泥、石灰或同時摻入二者時，由于硅酸鹽材料和堿性材料的激發，粉煤灰的固化性能顯著提高，使固化淤泥的含水率明顯降低，無側限抗壓強度顯著提高。當水泥、粉煤灰和氧化鈣的摻入量分別為5%、2.5%、2.5%時，淤泥固化7d后，其含水率(52.7%)與無側限抗壓強度(327.8kPa)就能達到填埋的要求。