淺述疏浚淤泥的固化技術(shù)

李正昊 季曉檬（江南大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，江蘇 無錫214122）

1 前 言

我國幅員遼闊，河流湖泊眾多，因此而產(chǎn)生的疏浚淤泥的數(shù)量也是一個(gè)極大的數(shù)字，所以疏浚淤泥的處理和合理應(yīng)用是我們必須要面對(duì)的一個(gè)很現(xiàn)實(shí)的問題，因此這是一個(gè)有很大使用和發(fā)展價(jià)值的創(chuàng)新環(huán)保領(lǐng)域。

我國對(duì)淤泥利用的研究起步較晚，但在西方的發(fā)達(dá)國家中，早就重視起了對(duì)淤泥固化的各種研究，并且在實(shí)際生活中也有較好地應(yīng)用。例如：英國、荷蘭、法國、瑞典和澳大利亞等國家，早在20世紀(jì)80年代末就開始利用淤泥為主要原料，制造高效凈化燃料，其熱值比普通煤高出30%，而且燃燒過程中不會(huì)排放出有害氣體。德國目前已有5家淤泥收集、處理工廠，每年處理淤泥300萬噸。在日本，淤泥已被用來生產(chǎn)各類建筑材料，以淤泥為主要原料制成的磚塊透氣性好，重量輕，容易制出不同的色彩，很適宜用于建筑物的裝飾，已成為國際市場的暢銷貨[1]。

淤泥因?yàn)楸旧砗蔬^高、力學(xué)性能較差等原因，必須通過合理的固化處理，將上述兩種弊端很好的解決掉，才能投入使用。一般情況下，固化之后的淤泥可作為土建原材料，在生產(chǎn)建筑材料的領(lǐng)域內(nèi)得到利用。本文淺要論述國內(nèi)現(xiàn)存的主要的淤泥固化技術(shù)。

2 淤泥及其固化

淤泥是粘土礦物等細(xì)小顆粒在粒間靜電力和分子引力的作用下, 經(jīng)物理化學(xué)和生物化學(xué)作用，在海洋或湖泊地區(qū)等緩慢或靜止的流水環(huán)境中發(fā)生沉積所形成的絮狀和蜂窩狀結(jié)構(gòu)物，是各種膠體有機(jī)質(zhì)及其吸附的金屬元素、微生物病菌、蟲卵等物質(zhì)的綜合固體物質(zhì)[2]。主要的化學(xué)成分包括：SiO2、Al2O3和其他一些堿金屬氧化物。

淤泥固化就是指：在淤泥原料中加入各種固化材料，通過攪拌、加熱燒結(jié)等操作，極大地降低含水率，使材料獲得足夠的強(qiáng)度。目前我國主要的淤泥固化方法有：利用固化劑固化淤泥。最為傳統(tǒng)的固化劑是水泥，近年來國內(nèi)也逐漸開展了較多關(guān)于新型固化劑固化淤泥的研究，特別是針對(duì)利用工業(yè)廢料，如礦渣、粉煤灰等作為固化材料的研究[3]-[4]。除此之外，對(duì)淤泥的固化處理還有物理脫水固結(jié)法和高溫?zé)Y(jié)法。這三種固化方向是國內(nèi)對(duì)淤泥進(jìn)行固化處理的主要研究方向。

2.1 水泥固化

作為最早投入使用的固化材料，水泥的固化效果，特別是對(duì)淤泥材料強(qiáng)度的增強(qiáng)效果已經(jīng)得到了大眾的認(rèn)可，針對(duì)利用水泥固化淤泥的研究也較多。一般認(rèn)為水泥固化淤泥的強(qiáng)度主要來源于兩部分水化物的膠結(jié)作用，即水泥本身水化產(chǎn)物的膠結(jié)作用和水泥水化時(shí)產(chǎn)生的 Ca(OH)2與淤泥中活性物質(zhì)之間的硬凝反應(yīng)所產(chǎn)生水化物的膠結(jié)作用[5]。其中前者構(gòu)成水泥土強(qiáng)度的主要部分。

2.1.1 水泥固化效果的影響因素

影響水泥固化淤泥效果的因素很多，實(shí)驗(yàn)研究表明，比較主要的因素有：水泥的摻量、養(yǎng)護(hù)齡期、淤泥的初始含水率、水泥的標(biāo)號(hào)等[6]-[8]。

水泥摻入量的確定十分重要，水泥加入過多或過少都會(huì)對(duì)加固效果產(chǎn)生影響。研究指出水泥加固的淤泥抗壓強(qiáng)度隨水泥摻入量的增加而增長，但超過一定摻入量后又會(huì)呈下降趨勢[9]。朱偉等人的研究表明，水泥的摻量也同時(shí)存在一個(gè)最低值，當(dāng)摻入水泥量少于該值時(shí)，水泥基本沒有固化效果。并且得出了水泥摻量與強(qiáng)度之間的一個(gè)定量關(guān)系式：qu=k(ac-a0)[6]。式中ac為水泥摻加量；k為水泥固化系數(shù)，反映出水泥固化的效果好壞；a0為最低水泥摻加量，當(dāng)水泥摻加量低于a0時(shí)，固化土幾乎沒有強(qiáng)度。根據(jù)這個(gè)關(guān)系式，對(duì)一種淤泥和水泥只要進(jìn)行幾組配比試驗(yàn)，就可以確定出k和a0，進(jìn)而對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行有效的指導(dǎo)。

養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)抗壓強(qiáng)度影響的表現(xiàn)為：對(duì)于不同的水泥摻量，強(qiáng)度并不與養(yǎng)護(hù)齡期線性關(guān)系，當(dāng)水泥摻量較少時(shí)，強(qiáng)度隨齡期增大而增大的速率較??；當(dāng)水泥摻量較大時(shí)，強(qiáng)度增大的速率較大。

研究發(fā)現(xiàn)，固化淤泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨淤泥含水率的增加呈乘冪關(guān)系下降，隨著初始含水率的增加，固化淤泥的塑性增加，破壞應(yīng)變增加，而黏聚力降低。隨著初始含水率的增加，水分過多導(dǎo)致水化產(chǎn)物在單位體積中的數(shù)量較少，難以形成整體強(qiáng)度。在實(shí)際工程中，應(yīng)在滿足固化攪拌的施工要求下，盡量降低淤泥的初始含水率以取得較好的經(jīng)濟(jì)效益[7]。

2.2 復(fù)合固化材料固化

單純使用水泥進(jìn)行淤泥固化，存在著很多的弊端，如固化后的材料水穩(wěn)定性差、加工成本較高等，所以在現(xiàn)在的研究實(shí)驗(yàn)中，開始越來越多地關(guān)注加入各種輔助固化材料的復(fù)合固化劑。與僅使用水泥的固化材料相比，復(fù)合固化材料能提高固化效果，大幅度節(jié)省水泥的用量。目前研究表明，添加后效果較為優(yōu)良的有二灰（粉煤灰、石灰）和礦渣。使用這些工業(yè)廢棄物作為固化劑，在達(dá)到預(yù)期目的的同時(shí)還能起到環(huán)保的作用。但是，添加到淤泥中的輔助固化材料種類不應(yīng)太多、太復(fù)雜，因?yàn)楣袒牧系膹?fù)雜化必然會(huì)增加原料的復(fù)雜性和應(yīng)用的局限性[10]-[15]。

2.2.1 粉煤灰及礦渣的使用

周旻等人通過對(duì)湖底淤泥的實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為，灰渣膠凝材料能代替?zhèn)鹘y(tǒng)固化基材對(duì)淤泥進(jìn)行常溫固化處理，固化塊的強(qiáng)度、機(jī)械性能、抗凍、融性能和耐干、濕性能均滿足護(hù)坡磚的要求，能用于生產(chǎn)建筑用磚[10]。他們所介紹的灰渣膠凝材料，是一種添加了輔助固化材料的復(fù)合型固化材料，其主要成分有：礦渣、脫硫灰渣、石灰、高鈣灰等無機(jī)工業(yè)廢料?；以z凝材料能夠顯著改善固化材料與淤泥反應(yīng)生成的膠凝物質(zhì)的性能，同時(shí)磨細(xì)灰渣對(duì)淤泥孔隙的填充效果，又能有效地降低淤泥土的孔隙率。膠凝材料的特性改善以及材料的孔隙率降低都能夠很好的提高固化后的淤泥的性質(zhì)，所以經(jīng)該材料固化后的淤泥，在前中后期均有較高的強(qiáng)度。

張春雷[12]等人的研究實(shí)驗(yàn)第一次利用國產(chǎn)大型淤泥固化處理專用設(shè)備和復(fù)合型淤泥固化材料，對(duì)疏浚出的底泥進(jìn)行了固化處理和筑堤試驗(yàn)，探索經(jīng)固化處理之后的淤泥材料的強(qiáng)度、變形、滲透系數(shù)等力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。其實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用到的復(fù)合固化材料仍是以水泥為主，輔助固化材料為粉煤灰和石膏。使用此種方法處理的淤泥，在強(qiáng)度等方面上可以滿足堤防填土的填筑要求。

張大捷[13]等人的研究表明，礦渣在被激發(fā)之后，水化產(chǎn)物除了與硅酸鹽相同C-S-H凝膠外，還生成高強(qiáng)度、難溶解的沸石類礦物。他們認(rèn)為礦渣固化淤泥的機(jī)制同水泥相一致，但是效果優(yōu)于水泥的原因可能有以下兩點(diǎn)：1、礦渣膠凝材料比水泥材料更細(xì)，在參與反應(yīng)的過程中比表面積也更大，反應(yīng)會(huì)更徹底。2、從水化產(chǎn)物上來看，兩者都相同的C-S-H凝膠，但礦渣膠凝材料的水化產(chǎn)物中還出現(xiàn)了斜方硅鈣石和白鈣沸石，這些細(xì)微晶體的強(qiáng)度很高，而且有著極為穩(wěn)定的熱力學(xué)性質(zhì)，同時(shí)又極難溶于水，對(duì)最終的材料的強(qiáng)度和水穩(wěn)定性有著十分有利的作用。蘭凱[14]等人的實(shí)驗(yàn)則分析了混合固化劑摻入比、礦渣占固化劑的質(zhì)量比和齡期及其交互作用對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響，通過實(shí)驗(yàn)建立了具有可信度的模型，最后通過分析得出：礦渣占混合固化劑的質(zhì)量比在一定區(qū)間內(nèi)(40%～70%)對(duì)固化強(qiáng)度的增強(qiáng)效果顯著，推薦質(zhì)量比為65%，這對(duì)以后的實(shí)驗(yàn)研究和實(shí)際生產(chǎn)具有極大的指導(dǎo)意義。

3 其他固化方法

前文中提到，淤泥固化的方法有固化劑固化、物理脫水固結(jié)及高溫?zé)Y(jié)三種方法。第一種方法應(yīng)用范圍最廣，前文也進(jìn)行了相關(guān)的介紹。而后兩種方法因適用范圍、經(jīng)濟(jì)性等原因，還沒有得到廣泛的應(yīng)用，所以本文對(duì)此兩種方法只是略作介紹。

3.1 物理脫水固結(jié)法

脫水固結(jié)是指采用自然風(fēng)干、離心分離或外力擠壓等方法將淤泥孔隙中自由水和吸附水部分或全部脫離出來，使黏土顆粒黏結(jié)成密實(shí)狀態(tài)。脫水固結(jié)處理方法包括自然風(fēng)干脫水、機(jī)械脫水、堆載預(yù)壓排水固結(jié)等[16]。

物理脫水固結(jié)法有一個(gè)最大的弊端就是，經(jīng)此方法處理過的淤泥仍然會(huì)具有污染性，因?yàn)樵摲椒ㄖ皇怯煤唵蔚姆椒▽⒂倌嘀械乃莩ィ⒉粫?huì)處理到淤泥中各種化學(xué)成分，特別是對(duì)高污染的淤泥，還必須進(jìn)行第二次的化學(xué)處理，無形之中還是增大了淤泥固化處理的成本。因此次方法的適用范圍并不廣。

3.2 高溫?zé)Y(jié)法

高溫?zé)Y(jié)處理是通過高溫處理，使疏浚淤泥脫水，有機(jī)成分分解，顆粒之間黏結(jié)，或無機(jī)物發(fā)生熔解，然后再通過冷卻，使得淤泥熔合成具有相當(dāng)強(qiáng)度的固體顆粒。高溫?zé)Y(jié)法處理的淤泥材料在輕質(zhì)陶瓷、制磚、熔融微晶玻璃生產(chǎn)等方面都有著很好的適用性，是將淤泥資源合理應(yīng)用的重要途徑，因此開始逐漸引起國內(nèi)外的高度重視。

高溫?zé)Y(jié)法固化后的淤泥相對(duì)于物理脫水法，最大的優(yōu)勢就在于能夠有效地減少原材料中的有害化學(xué)成分，起到減污的作用。但是，從另一個(gè)角度來說，高溫?zé)Y(jié)法由于需要將材料加熱到很高的溫度，所以目前來說經(jīng)濟(jì)性不如物理脫水固結(jié)法。國內(nèi)外研究者在這種矛盾的情況下，刻苦鉆研，也提出了一些行之有效的處理方法，比如，在進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)時(shí)添加有效的助熔劑，或者對(duì)淤泥材料采用低溫快燒的方法[17]。從長遠(yuǎn)的角度來說，高溫?zé)Y(jié)方法處理后的淤泥在強(qiáng)度性能和質(zhì)量等方面都要優(yōu)于其他方法，因此有著更加廣闊的應(yīng)用發(fā)展空間。

4 結(jié)語

當(dāng)今世界，各種資源危機(jī)已成為迫切需要解決的一大問題，我們應(yīng)當(dāng)想方設(shè)法將一些目前尚處于被廢棄地位但又有廣闊利用前景的資源都利用起來。有關(guān)環(huán)保專家認(rèn)為，淤泥經(jīng)固化處理后，可用于市政道路、堤防加固、路基填方工程和建材原料等，不但可有效解決淤泥長期堆放占地和二次污染問題，還可以避免磚瓦窯廠大量挖廢耕地、非法取土，緩解城市建設(shè)中土方缺口問題[18]。

同時(shí)，在固化淤泥的過程中添加各種工業(yè)廢料作為固化劑，既能改善固化效果、得到更好的實(shí)驗(yàn)成果又能夠起到環(huán)保和廢物再利用的作用。這一變廢為寶的環(huán)保型技術(shù)，形成了一個(gè)前景廣闊、可持續(xù)發(fā)展的淤泥資源循環(huán)綜合利用的環(huán)保產(chǎn)業(yè)，市場前景十分廣闊。對(duì)創(chuàng)建節(jié)約型社會(huì)，改善江河湖泊的生態(tài)環(huán)境和水利治理，有著極為深遠(yuǎn)的意義。因此，淤泥的固化利用值得我們投入足夠的研究精力。

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