固體廢棄物聯(lián)合水泥固化疏浚淤泥的試驗研究

童艷光，王亞偉，張億凱，齊 添，朱成安

（1、廣州環(huán)投花城環(huán)保能源有限公司 廣州510830；2、中國建筑一局（集團）有限公司 北京100161；3、廣州環(huán)保投資集團有限公司 廣州510330；4、上海大學土木工程系 上海200444）

0 引言

淤泥固化是解決疏浚淤泥問題的有效方法，但是影響固化的因素很多，包括淤泥類型、固化劑類型、固化劑摻量、固化方法和固化時間［1-2］。一般的軟質(zhì)淤泥改良固化劑包括石灰、水泥和石膏等，它們都可以極大程度地提高淤泥的強度特性，但同時也存在著消耗不可再生資源及排放大量有害氣體的缺點［3］。隨著河道疏浚淤泥不斷增加，尋找新型實用、環(huán)境友好型淤泥固化劑已經(jīng)成為重要的任務(wù)。

天然木質(zhì)素是一種主要存在于植物的木質(zhì)部中的有機聚合物，在可持續(xù)發(fā)展的前景中，木質(zhì)素被應(yīng)用到淤泥改良中。Tingle 等人［4］通過一系列室內(nèi)試驗研究了木質(zhì)素的固化效果，認為木質(zhì)素可以顯著改善淤泥土的強度特性。Ceylan等人［5］研究了木質(zhì)素作為固化劑固化路基土，并且指出木質(zhì)素摻量和土體固化后強度并非線性關(guān)系。一些研究人員還開展了關(guān)于木質(zhì)素改良土體的改良機理及力學特性研究，指出木質(zhì)素具有很大的工程應(yīng)用價值［6-7］。

建筑垃圾與其他固體廢棄物不同，具有比重高、可重復(fù)利用、價值高、毒性低等特點，它們是清潔的固體廢棄物，有很大的回收利用空間。實現(xiàn)建筑垃圾再利用是節(jié)約能源、降低成本的重要措施。李行等人［8］認為建筑垃圾可作為路基回填材料，并主要針對混凝土塊和磚混結(jié)構(gòu)細集料的強度特性進行了試驗研究。馬嘯等人［9］通過無側(cè)限抗壓強度試驗研究了廢棄混凝土顆粒摻量等因素對水泥土抗壓強度的影響。馬保國等人［10］利用混凝土、磚以及渣土混合建筑垃圾粉來研究了不同外加劑對建筑垃圾粉摻入水泥的影響。徐寧等人［11］對高速公路基層中的建筑垃圾進行了現(xiàn)場直剪試驗，確定了建筑垃圾的力學性能。

草木灰作為優(yōu)質(zhì)固化材料，不僅降低固化工程費用，也保護了環(huán)境，可作為新型固化材料［12］。Chen 等人［13］指出草木灰可以做輔助固化劑配合主固化劑水泥進行軟質(zhì)淤泥的就地固化，但未進行具體的配比試驗研究其強度。彭輝彬等人［14］將草木灰摻入瀝青后使瀝青改性，將草木灰的進行合理利用，并對改性機理進行了探討。

綜上可知，以往的研究主要集中在傳統(tǒng)固化劑在單一或復(fù)合固化劑在不同配比下的固化效果，而對一些新型環(huán)保型實用固化劑的單一固化效果的對比研究較少。本文采用水泥為主固化劑，紅磚粉、混凝土粉、木質(zhì)素、草木灰為不同的輔助固化劑，對疏浚淤泥進行固化處理，通過電鏡試驗、含水率測試、直剪試驗、無側(cè)限抗壓強度試驗以及固結(jié)試驗，對固化效果進行對比，得出固化效果最優(yōu)的輔助固化劑，為以后的固化工程提供良好的工程經(jīng)驗。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

本研究使用的河道疏浚淤泥來自溫州市溫瑞塘河，疏浚淤泥的初始顆粒級配曲線如圖1 所示，由于70%以上的淤泥顆粒大于0.01 mm，所以該河泥主要是由細粒粘土構(gòu)成。按照《巖土工程試驗方法與準則：GB/T 50123—1999》對淤泥進行了基本物理性能指標的測試，疏浚淤泥的指標如下：含水率w=105%，比重=2.65，濕密度=2.38 g/cm3，液限=56%，塑限=32%，塑性指數(shù)IP=24，pH=8.1。

圖1 疏浚淤泥的初始顆粒級配曲線Fig.1 Grain Distribution of the Original Dredged Slurry

本研究使用的主固化劑水泥由當?shù)厮鄰S家提供，建筑垃圾粉取自于房屋拆遷留下的混凝土塊和磚塊經(jīng)過粉碎后篩分，試驗選取的建筑垃圾粉以及木質(zhì)素和草木灰的粒徑均為0.16 mm。

1.2 試樣制備

在本研究中，水泥作為主固化劑，對固化淤泥的強度起主要作用，添加其他4種固化劑為輔助固化劑，來加快強度的增長速度和增大固化淤泥的最終強度。在制備固化淤泥土樣時，將疏浚淤泥、水泥、輔助固化劑一起加入到模型桶中，然后用微型攪拌機充分混合，混合后的淤泥土樣應(yīng)在10 min 內(nèi)盡快制作完畢，避免混合物硬化難以操作。將土樣裝入模型盒每一層時，模型盒都要在振動臺上振動5 min，保證試樣均勻，沒有氣泡，要裝入下一層時，用刮刀在土樣接觸面刮出毛面，以此保證層與層之間接觸緊密，待3層裝入完畢后，用塑料薄膜進行封膜處理，靜置24 h后，方可進行下一步具體制樣環(huán)節(jié)。

在進行無側(cè)限抗壓強度試驗時，需要把土樣制成圓柱型試樣，在圓柱形模具內(nèi)壁用凡士林涂抹均勻后分層倒入固化淤泥。每次裝入淤泥后需在振動臺上振動5 min，然后用密封膜將模具密封24 h，待試樣具有一定強度后除去密封膜，最后將試樣從模具中取出放入養(yǎng)護箱中。

在進行直剪試驗和固結(jié)試驗時，首先采用凡士林在環(huán)刀內(nèi)壁均勻涂抹，然后用環(huán)刀對悶料好的淤泥土樣進行切樣，制樣完成后放在恒溫恒濕養(yǎng)護箱中進行養(yǎng)護。

固化淤泥試樣在進行電鏡掃描（SEM）前需要完全干燥，故采用液氮冷凍真空升華干燥制備試樣。將固化后的淤泥試樣切割成1 cm×1 cm×1 cm 的切片，并在試樣上劃淺痕方便后期取面掃樣，在切樣過程中要保持平穩(wěn)，減小對試樣擾動。將切好的試樣平穩(wěn)放置在容器中，然后倒入液氮，使固化淤泥中的液態(tài)水快速凝固成固態(tài)，以避免游離水膨脹。隨后將試樣小心取出，放入真空冷凍干燥機中抽真空24 h，隨后用飛納（phe?nom）臺式掃描電鏡儀進行電鏡掃描分析試驗。

1.3 試驗方案

為研究4種輔助固化劑聯(lián)合水泥對河道疏浚淤泥的固化效果，設(shè)置5 組試驗，其中MP1 為空白對照組，水泥的添加質(zhì)量比為5%，其余4組還添加了質(zhì)量比為5%的不同輔助固化劑，具體試驗方案如表1所示。

表1 試驗方案Tab.1 Test Schemes

2 試驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

2.1 微觀電鏡試驗及孔隙特征分析

固化28 d 后放大倍數(shù)為2 500 倍的固化淤泥試樣微觀電鏡圖像如圖2所示。從圖2中可以看出未摻加輔助固化劑的MP1淤泥試樣的微觀表面孔隙很明顯，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)比較膨脹寬松，絮凝性較差，而加入輔助固化劑的MP2～MP5 的微觀圖像表面更加平整，形成更加致密的淤泥顆粒骨架纖維的交互空間結(jié)構(gòu)，這說明輔助固化劑在改善淤泥固化效果方面起到了促進作用［15］。從MP2～MP5 來看，微觀圖像中可以看到很多針狀鈣礬石晶體和很多膠凝物質(zhì)布滿在淤泥試樣表面，這也是提高淤泥強度的主要原因。固化過程中固化淤泥試樣發(fā)生了水化反應(yīng)和火山灰反應(yīng)，此時淤泥試樣中的孔隙水減少，原來孔隙水的空間被膠凝物質(zhì)所占據(jù)，使淤泥試樣顆粒彼此貼合得更加緊密。

從圖2 中也可以看 出MP2 和MP3 較MP4 和MP5表面更為貼合緊密，孔隙較小，說明紅磚粉和建筑垃圾粉在固化材料間的水化反應(yīng)更加充分而使淤泥顆粒團塊逐漸積累，而聯(lián)結(jié)一起的顆粒團塊的纖維狀物質(zhì)與固化淤泥中水化反應(yīng)形成的膠凝物質(zhì)相互交叉，連接形成更加穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)，說明紅磚粉和混凝土粉作為輔助型固化劑有很大的潛力。由于在固化前期，固化效果主要取決于水泥的量，而水泥帶來的固化效果是快速的水化反應(yīng)，后期取決于復(fù)合固化劑的火山灰反應(yīng)，說明紅磚粉和混凝土粉所含有的成分在后期發(fā)揮了更大的火山灰作用。

圖2 微觀電鏡照片（×2 500）Fig.2 Microscopic Electron Microscope Photograph（×2 500）

為準確地分析固化淤泥試樣的微觀電鏡掃描圖像的孔隙分布情況，采用Matlab 編程進行圖像二值化處理。不同固化劑組合下的微觀電鏡照片經(jīng)過二值化處理后的圖片如圖3 所示，其中白色區(qū)域表示孔隙區(qū)，Matlab 通過對微觀掃描圖像二值化處理后，可以定量地分析出白色區(qū)域占據(jù)整個固化淤泥試樣面積區(qū)域的比例關(guān)系。

圖3 微觀電鏡照片的二值化圖像Fig.3 Binary Image of a Microscopic Electron Microscope Photograph

在進行微觀圖像二值化處理時，閾值的大小對固化淤泥試樣的孔隙比結(jié)果影響很大，不同的閾值會混淆孔隙和淤泥顆粒的邊界輪廓，采用graythresh 函數(shù)求得最佳分割閾值，在此閾值下的二值化圖像輪廓更為明確，結(jié)果更為準確。可以清晰地看出孔隙和淤泥顆粒區(qū)域輪廓明顯，并且根據(jù)不同固化組的孔隙比可得MP3的固化效果最優(yōu)，證明了混凝土粉的固化效果最好。

2.2 含水率

含水率反映了固化過程中淤泥試樣固化反應(yīng)的程度以及固化淤泥在力學性能上的變化情況。不同種類的固化劑處理后的固化淤泥試樣在不同養(yǎng)護齡期的含水率變化情況如圖4所示，由圖4可知，固化淤泥試樣的含水率隨著養(yǎng)護齡期的增加而減小，這說明隨著養(yǎng)護齡期的增加，固化過程中固化淤泥中低勢能的自由水向礦物水轉(zhuǎn)化的量逐漸增加，結(jié)晶產(chǎn)物不斷積累，結(jié)晶態(tài)的鈣釩石固化產(chǎn)物逐漸增多，該產(chǎn)物以礦物水的形式被表征，說明固化淤泥的強度隨著養(yǎng)護齡期不斷增加［16］。

圖4 固化淤泥試樣在不同養(yǎng)護齡期下的含水率變化情況Fig.4 Changes of Moisture Content of Solidified Silt Samples under Different Curing Ages

其次，養(yǎng)護齡期從第3 d～第14 d 時，MP1～MP5 的含水率分別從94.53%、88.07%、86.06%、90.10% 和96.1%分別下降到79.83%、73.82%、71.78%、76.15%和78.25%，降幅分別為14.70%、14.25%、14.28%、13.95%和17.85%；當養(yǎng)護齡期從第14 d～第28 d 時，MP1～MP5 的含水率分別從79.83%、73.82%、71.78%、76.15% 和78.25% 下降到69.43%、67.25%、65.32%、68.43%和69.95%，降幅分別為10.40%、6.57%、6.46%、7.72%和8.30%，這說明固化淤泥試樣的含水率在固化前期階段下降較快，然后下降速度逐漸變緩，這種現(xiàn)象和固化前期固化淤泥主要發(fā)生水化反應(yīng)的觀點一致，也就是說固化反應(yīng)主要發(fā)生在固化過程的前期階段［17］。從摻加的輔助固化劑來看，由于MP1未摻加輔助固化劑，因此MP1后期的火山灰反應(yīng)速率極大降低，導(dǎo)致其整個養(yǎng)護齡期的含水率較高；而從MP2～MP5 來看，含水率降低速率為MP3＞MP2＞MP4＞MP5＞MP1，可以看出MP3 的含水率在整個養(yǎng)護齡期中減小的速度最快，這說明混凝土粉跟水泥的復(fù)合固化劑的固化效果最好，反映出了固化淤泥試樣在摻加混凝土粉為輔助固化劑時固化產(chǎn)物生成量最多。

2.3 直剪試驗

疏浚淤泥試樣在摻加了不同種類固化劑下的粘聚力和內(nèi)摩擦角隨著養(yǎng)護齡期的變化情況如圖5 所示，由圖5可知，固化淤泥的粘聚力和內(nèi)摩擦角都與養(yǎng)護齡期成正相關(guān)關(guān)系，淤泥的抗剪強度表現(xiàn)在顆粒間聯(lián)結(jié)度，說明隨著養(yǎng)護齡期的增加，固化淤泥顆粒之間的聯(lián)結(jié)度增加，表現(xiàn)為整體性更強，不易被破壞。由于添加輔助固化劑的不同，固化淤泥試樣的抗剪強度指標也有很大差別，未摻加輔助固化劑的MP1在養(yǎng)護齡期為28 d 時的粘聚力和內(nèi)摩擦角為20.52 kPa 和19.08°，而MP2～MP5在固化28 d后的粘聚力和內(nèi)摩擦角分別為27.47 kPa、28.36 kPa、26.22 kPa、21.73 kPa和23.79°、25.35°、23.07°、20.04°，可以看出MP1的抗剪強度明顯小于MP2～MP5的抗剪強度。

圖5 不同養(yǎng)護齡期下粘聚力和內(nèi)摩擦角的變化曲線Fig.5 Variation Curve of Cohesion at Different Curing Ages

從圖5中還可以得出不同輔助固化劑對淤泥固化后抗剪強度的促進程度不同，摻加建筑垃圾混凝土粉和紅磚粉的MP3和MP2的抗剪強度增加較大，說明建筑垃圾粉是潛在的固化效果較好的輔助固化劑，其中混凝土粉輔助水泥的固化效果最好。在提高固化淤泥抗剪強度方面，他們之間的機理不同，木質(zhì)素與疏浚淤泥主要發(fā)生了水解反應(yīng)、質(zhì)子化反應(yīng)和靜電引力等作用，形成大量膠結(jié)性聚合物并填充孔隙，而形成更加穩(wěn)定致密的固化土［18］。紅磚粉和混凝土粉由于其成分包含水泥石粉和一些無定型礦物成分，不僅加速了固化淤泥的水化反應(yīng)和火山灰反應(yīng)，還起到很好的填充作用。草木灰很好地發(fā)揮了團聚作用和微粒聚作用，提高了固化淤泥的整體性和顆粒間粘聚力，可以得出在淤泥固化中水化反應(yīng)和火山灰反應(yīng)是提高淤泥強度的主要原因。

2.4 無側(cè)限抗壓強度

固化淤泥試樣在不同養(yǎng)護齡期下的無側(cè)限抗壓強度的變化情況如圖6所示，由圖6可知，固化淤泥試樣的無側(cè)限抗壓強度與養(yǎng)護齡期成正相關(guān)關(guān)系。在養(yǎng)護齡期從第1 d～第14 d時，MP1～MP5的無側(cè)限抗壓強度分別從108 kPa、138 kPa、152 kPa、129 kPa、118 kPa 增加到195 kPa、236 kPa、258 kPa、216 kPa、207 kPa，分別增加了87 kPa、98 kPa、106 kPa、87 kPa和89 kPa；而在養(yǎng)護齡期為第14 d～第28 d 時，MP1～MP5 的無側(cè)限抗壓強度分別從195 kPa、236 kPa、258 kPa、216 kPa、207 kPa 增加到236 kPa、277 kPa、305 kPa、260 kPa、248 kPa，分別增加了41 kPa、41 kPa、47 kPa、44 kPa 和41 kPa，從中可以看出，養(yǎng)護后期固化淤泥試樣的強度增幅逐漸變小。

圖6 不同養(yǎng)護齡期下無側(cè)限抗壓強度的變化曲線Fig.6 Variation Curve of Unconfined Compressive Strength at Different Curing Ages

在養(yǎng)護齡期為前7 d時，水泥與水發(fā)生化學反應(yīng)生成氫氧化鈉發(fā)揮了主要作用，此時消耗了部分水也讓固化淤泥有了強度，而輔助固化劑也能與淤泥發(fā)生反應(yīng)生成膠凝物質(zhì)或者起到填充作用，兩者共同為固化淤泥試樣快速提供了初始強度。當養(yǎng)護齡期為第14 d～第28 d時，淤泥顆粒作為固化淤泥試樣的主要骨架，在水泥和輔助固化劑尚未完全反應(yīng)情況下，為固化淤泥提供大部分強度。對于MP2～MP5，摻加的輔助固化劑對于提升最終強度最好的是混凝土粉，表明混凝土粉火山灰活性和填充效果最好。

2.5 固結(jié)試驗

由于考慮到固化劑摻加比例、固結(jié)壓力、固結(jié)時間和沉降值等因素組數(shù)較多，所以選取了MP3的固結(jié)沉降曲線，如圖7所示。

圖7 MP3試樣在不同固結(jié)壓力下沉降值變化情況Fig.7 The Settlement Value Changes of MP3 Samples under Different Consolidation Pressure

由圖7可知，隨著固結(jié)時間的增加，固化淤泥試樣的沉降值先是不斷增加而后逐漸達到一個最大值，最終沉降值趨于穩(wěn)定，表現(xiàn)出在每一級固結(jié)壓力下，固化淤泥的固結(jié)度達到最大，可壓縮性最?。灰部梢缘贸?，隨著固結(jié)壓力從12.5 kPa～1 600 kPa 的不斷增大，固結(jié)淤泥試樣的最終沉降值在不斷增加直至不變，此時固化淤泥試樣的可壓縮性最小。

固化淤泥試樣的孔隙比隨著固結(jié)壓力而變化的情況如圖8所示。由圖8可知，隨著固結(jié)壓力的增加，固化淤泥試樣的孔隙比減小至一定程度后保持穩(wěn)定，表現(xiàn)為固化淤泥試樣的不可壓縮性；可以得出在1 600 kPa 下MP1～MP5 的孔隙比分別為0.585、0.481、0.470、0.510 和0.557，說明最終固化淤泥試樣的不可壓縮性為MP3＞MP2＞MP4＞MP5＞MP1，也證實了混凝土粉的固化效果最好。

圖8 固化淤泥試樣的孔隙比隨著固結(jié)壓力增大的變化情況Fig.8 The Change of Pore Ratio of the Solidified Silt Sample with the Increase of Consolidation Pressure

3 結(jié)論

通過室內(nèi)試驗研究了不同輔助固化劑聯(lián)合水泥對河道疏浚淤泥的固化效果，根據(jù)試驗結(jié)果得到了以下結(jié)論：

⑴建筑垃圾粉的固化效果普遍優(yōu)于其他工業(yè)廢棄物，作為輔助固化劑的潛力很大，其中廢棄的混凝土粉相對于紅磚粉在固化疏浚淤泥方面固化效果更好，活性更強。

⑵養(yǎng)護28 d 后摻加混凝土粉的固化淤泥試樣含水率下降最快，最終的含水率是65.32%。

⑶養(yǎng)護28 d 后摻加混凝土粉的固化淤泥試樣的無側(cè)限抗壓強度增加最多，相對于摻加紅磚粉的固化淤泥試樣提高了10%。

⑷草木灰作為輔助固化劑固化效果一般，但考慮到將草木灰作為固化劑在一定程度上可以增強固化淤泥的最終強度，也可以解決廢物污染環(huán)境的問題。