河道清淤底泥固化材料正交試驗(yàn)研究

侯 永 成

(山西六建集團(tuán)有限公司第四分公司，山西 太原 030021)

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河道清淤底泥固化材料正交試驗(yàn)研究

侯 永 成

(山西六建集團(tuán)有限公司第四分公司，山西 太原 030021)

介紹了河道底泥常用的固化方法，通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的正交試驗(yàn)，研究了水泥、粉煤灰、生石灰、沸石對(duì)固化底泥強(qiáng)度的影響規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果表明，摻入水泥、粉煤灰、生石灰、沸石后，固化底泥的強(qiáng)度得到明顯改善，在四種固化劑中，水泥對(duì)固化土抗壓強(qiáng)度的影響處于主導(dǎo)地位，粉煤灰次之，生石灰和沸石最小。

河道底泥，固化材料，正交試驗(yàn)，抗壓強(qiáng)度

1 概述

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的不斷發(fā)展，人們每年需要的用水量和廢水排放量也逐年增加，在這樣貌似“正?！卑l(fā)展的過程中，出現(xiàn)了一些“不正?！钡挚煞Q為“正?！钡默F(xiàn)象，如廢水不斷排放至河流中后，河流中的淤泥逐年增多，河流底泥的不斷積累可對(duì)河流造成不同程度的二次污染。

通常對(duì)河道底泥的處理方式有以下幾種：

1)制磚。目前制作燒結(jié)磚的原材料大多數(shù)還是使用粘土進(jìn)行燒制，采用粘土進(jìn)行燒制不僅破壞耕地而且造成嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境破壞。采用河道底泥進(jìn)行制磚，僅需對(duì)底泥進(jìn)行篩分、晾至一定濕度后可入模進(jìn)行燒制。底泥內(nèi)含有大量有機(jī)物和磷化物，這些物質(zhì)燒制時(shí)也可產(chǎn)生一定能量，燒制時(shí)可節(jié)省一部分煤炭，達(dá)到節(jié)能、廢棄物資源再生利用的效果。

2)制陶粒。采用河道底泥燒制陶粒的主要燒制步驟為：先將底泥從河道里挖出，將底泥運(yùn)送至干燥場(chǎng)進(jìn)行自然干燥，干燥完成后將底泥破碎篩分后加入一定量的外摻料，將兩者攪拌均勻后加入一定量的水繼續(xù)攪拌，攪拌后篩選球狀物入窯預(yù)熱，之后再進(jìn)行焙燒、冷卻、篩分，最終制得陶粒成品。目前，同濟(jì)大學(xué)對(duì)河道底泥制作成陶粒的研究較多，得到的試驗(yàn)結(jié)果較好。由于河道底泥中同樣也含有一定量的重金屬，同濟(jì)大學(xué)的相關(guān)研究人員對(duì)含有重金屬含量的底泥制作成的陶粒成品中進(jìn)行入水浸出試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)重金屬溶出量較少，同樣對(duì)對(duì)照組試驗(yàn)進(jìn)行入水浸泡試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)入水一周左右并未有重金屬離子析出，因此可得采用河道底泥制作陶粒，并不會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次破壞。

3)農(nóng)用。河道底泥內(nèi)含有大量的有機(jī)物質(zhì)和無機(jī)物，將其當(dāng)作人工化肥應(yīng)用到農(nóng)田中時(shí)可節(jié)省工業(yè)化肥的使用量，從而降低由于制作工業(yè)化肥而造成的環(huán)境污染。但河道底泥中還含有較多的細(xì)菌、重金屬等有害物質(zhì)，因此在應(yīng)用時(shí)不可將其直接應(yīng)用至農(nóng)田中，而應(yīng)對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的加藥殺菌、混凝去除有害物質(zhì)、脫水后再拌入一定量的家畜和家禽的糞便，制作成一種新型的有機(jī)化肥，最后經(jīng)衛(wèi)生防疫站檢測(cè)后再應(yīng)用于農(nóng)田中。若河道底泥中重金屬含量超標(biāo)則不可將其應(yīng)用于農(nóng)田和菜地中，但可應(yīng)用于綠化工程中的花卉和園林中，達(dá)到廢棄資源最大化利用和降低對(duì)人類健康的侵害。

4)掩埋。對(duì)河流底泥最常規(guī)的處理方式為將其挖出運(yùn)送至廢棄物處理場(chǎng)直接掩埋處理，廢棄物處理場(chǎng)周圍的屏蔽系統(tǒng)可避免底泥的有害物質(zhì)擴(kuò)散出場(chǎng)外，避免場(chǎng)外生態(tài)環(huán)境被二次破壞。同樣，這種處理方式還會(huì)在將來成為我國(guó)處理河道底泥的主流方式。在對(duì)河道底泥進(jìn)行處理時(shí)，要求底泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大于50 kPa，而直接從河道里開挖出的底泥含水量較高、抗壓強(qiáng)度低，在短時(shí)間內(nèi)呈流動(dòng)狀態(tài)，因此在填埋前應(yīng)對(duì)其進(jìn)行預(yù)固化或固化處理。對(duì)底泥進(jìn)行固化處理是一種最為廉價(jià)和方便快捷的處理方法。

對(duì)河道底泥進(jìn)行固化處理時(shí)采用的固化材料主要為水泥，由于河道底泥內(nèi)含有大量的有機(jī)物和其他影響水泥水化反應(yīng)的物質(zhì)，導(dǎo)致在進(jìn)行固化時(shí)不能達(dá)到理想固化效果，為達(dá)到理想效果水泥用量必須增加，從而導(dǎo)致固化成本增加。為解決降低水泥用量的問題，目前我國(guó)主流的處理方式是在固化材料中添加粉煤灰、高爐殘?jiān)?、生石灰、沸石和粘土等輔加劑的方式降低水泥用量，以達(dá)到較理想的淤泥固化效果。

本文以常規(guī)的固化材料為基準(zhǔn)配合比，以生石灰、粉煤灰和沸石為輔加劑，采用正交試驗(yàn)方法研究輔加劑對(duì)河道底泥抗壓強(qiáng)度的影響，分別研究這三種輔加劑在底泥固化過程中的作用，為以后固化處理河道底泥提供一定參考。

2 試驗(yàn)材料和方法

2.1 試驗(yàn)材料

表1 正交試驗(yàn)方案

底泥原材料選自太原某河流河底0 mm～100 mm范圍內(nèi)的沉積物，樣本采集點(diǎn)位于水流穩(wěn)定、緩慢的位置，采樣后將樣本置于塑料密封袋內(nèi)，將樣本帶至實(shí)驗(yàn)室內(nèi)后自然晾干，之后祛除其他雜質(zhì)，研磨后采用100目的尼龍篩進(jìn)行篩分，保存小于100目的底泥粉料待用。固化劑為P.O42.5普通硅酸鹽水泥，固化輔加劑采用生石灰、粉煤灰和沸石。

2.2 試驗(yàn)方法

按照設(shè)計(jì)配比，將水泥、粉煤灰、生石灰和沸石與底泥充分混合，控制含水量為78%，加入水充分?jǐn)嚢杈鶆?，將攪拌均勻的混合料分三層置入?5×80 mm的桶形模具內(nèi)，每層入模后將其置于振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)2 min后再澆筑第二層，澆筑完成后將試驗(yàn)?zāi)＞吆驮噳K置于恒溫、恒濕(20 ℃±2 ℃、濕度>95%)的養(yǎng)護(hù)箱(室)內(nèi)24 h后脫模，脫模后繼續(xù)在此環(huán)境中養(yǎng)護(hù)至指定齡期(7 d，14 d和28 d)，養(yǎng)護(hù)至指定齡期后分別對(duì)試塊進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試。

2.3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選用L16(44)正交表安排試驗(yàn)，選擇水泥、粉煤灰、生石灰和沸石作為試驗(yàn)變量，正交試驗(yàn)具體配合比如表1所示。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

采用不同輔助固化材料和不同摻量的固化材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如表2，表3所示。從表2的試驗(yàn)結(jié)果可得：當(dāng)其他參數(shù)相同時(shí)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著齡期的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)；當(dāng)齡期相同時(shí)，1號(hào)～4號(hào)試驗(yàn)組的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度基本呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)，有同樣增長(zhǎng)趨勢(shì)的試驗(yàn)組還有5號(hào)～8號(hào)和9號(hào)～16號(hào)；隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)和輔助固化劑的增長(zhǎng)，底泥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈直線型增長(zhǎng)，這說明隨著齡期的逐漸增長(zhǎng)固化劑在底泥中的水化反應(yīng)更完全，使得底泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度更高，固化效果更完全，同理隨著固化劑摻量的增加，固化劑的作用同水泥基本相同，固化體積更大，使得無側(cè)限抗壓強(qiáng)度更高。

表3 結(jié)果分析表

從表3中可以看出，在所有齡期下，各因素的極差大小排序?yàn)锳>B>D>C，從而可以確定，影響無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的因素從大到小的排序分別為：水泥>粉煤灰>沸石>生石灰。

各因素的最佳摻入量取Ki最大的水平下的摻入量，因而在7 d的養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)的最佳方案為B4A2C4D4，即為：粉煤灰16%，水泥12%，生石灰8%，沸石8%。

從養(yǎng)護(hù)齡期為14 d的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，各因素的最佳摻入量取Ki最大的水平下的摻入量，因而在14 d的養(yǎng)護(hù)周期內(nèi)的最佳方案為A4B3C1D3，即為：水泥24%，粉煤灰12%，生石灰2%，沸石6%。

從養(yǎng)護(hù)齡期為28 d的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，最佳方案為A4B4C2D3，即為：水泥24%，粉煤灰16%，生石灰4%，沸石6%。

由以上分析可得，生石灰與沸石對(duì)固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)的貢獻(xiàn)較小，水泥對(duì)固化土抗壓強(qiáng)度的貢獻(xiàn)最大，粉煤灰次之。但也有一個(gè)特例，固化劑中含有粉煤灰且養(yǎng)護(hù)齡期為7 d的固化土中對(duì)強(qiáng)度影響最為明顯的是粉煤灰，這說明水泥對(duì)固化土早期強(qiáng)度的貢獻(xiàn)較小。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，水泥對(duì)強(qiáng)度的影響明顯增加，增加水泥的摻入量可有效提高底泥固化土的強(qiáng)度。隨著齡期的增長(zhǎng)，生石灰和沸石的作用逐漸減弱，因此在最佳配比中這兩種固化劑的最佳摻入量降低。

4 結(jié)語(yǔ)

1)摻入水泥、粉煤灰、生石灰、沸石固化材料后，底泥的強(qiáng)度得到明顯改善，同時(shí)粉煤灰、生石灰、沸石的添加不僅可提高底泥的強(qiáng)度，還可有效降低單獨(dú)添加水泥時(shí)的費(fèi)用。

2)通過正交試驗(yàn)確定了各固化劑的最佳配比方案。底泥固化塊隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)而增大，水泥的用量對(duì)底泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響最大，粉煤灰的用量對(duì)其抗壓強(qiáng)度的影響次之，沸石和生石灰的用量對(duì)其抗壓強(qiáng)度的影響最小。

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Research of river dredging sediment curing materials orthogonal experiment

Hou Yongcheng

(TheFourthBranchofShanxi6thConstructionGroupCo.,Ltd,Taiyuan030021,China)

Introduced the common solidification method of river sediment, through the unconfined compressive strength of the orthogonal experiment, cement, fly ash, lime and zeolite was studied the influence law of the strength of solidified sediment. The test results show that the mixed with cement, fly ash, lime, zeolite, the strength of the solidified sediment are obviously improved. In the four types of curing agent, cement effect on compressive strength of solidified soil in a dominant position, the influence of fly ash, lime and zeolite is minimal.

river sediment, curing materials, the orthogonal experiment, compressive strength

2016-06-16

侯永成(1974- )，男，工程師

1009-6825(2017)04-0205-02

TU502

A