堿渣-礦渣固化疏浚淤泥含水率控制方法研究

何俊 呂曉龍 王文鵬

摘要：

以堿渣和礦渣為固化劑，電石渣為激發(fā)劑，通過設(shè)置不同含水率，堿渣、礦渣含量，開展固化疏浚淤泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和擊實(shí)試驗(yàn)，以及核磁共振（NMR）、X射線衍射（XRD）和掃描電鏡（SEM）測試，研究固化淤泥強(qiáng)度與含水率的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明：固化淤泥強(qiáng)度隨含水率的增加先增后減，可分為高強(qiáng)度段、強(qiáng)度急劇下降段和緩慢下降段，養(yǎng)護(hù)14 d時(shí)最高強(qiáng)度可達(dá)600 kPa以上。為使堿渣、礦渣高效地固化疏浚淤泥，可將含水率控制在淤泥塑限至液限之間，14 d強(qiáng)度不低于345 kPa。強(qiáng)度最優(yōu)含水率與擊實(shí)最優(yōu)含水率相差不大，采用碾壓法施工可將含水率控制在最優(yōu)含水率的±3%范圍，使固化淤泥強(qiáng)度處于高強(qiáng)度段；采用流動(dòng)固化施工時(shí)，可根據(jù)強(qiáng)度要求，利用急劇下降段和緩慢下降段強(qiáng)度與混合含水率的冪函數(shù)公式確定含水率。

關(guān) 鍵 詞：

疏浚淤泥； 含水率； 堿渣； 礦渣； 碾壓法施工； 流動(dòng)固化施工

中圖法分類號： TU411

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.07.028

0 引 言

城市湖泊和河道的定期清淤將產(chǎn)生數(shù)量龐大、含水率高且含污染物的疏浚淤泥。目前，加入固化劑對廢棄疏浚淤泥進(jìn)行固化處理，將其轉(zhuǎn)化為土工材料加以利用，是疏浚淤泥處理的主要方式［1］。疏浚淤泥固化時(shí)含水率主要有兩種控制方式：碾壓施工時(shí)控制在低含水率；流動(dòng)固化（或澆注法施工）時(shí)控制在高含水率［1-2］。采用碾壓法施工時(shí)，首先需對高含水率淤泥進(jìn)行干化，這涉及到干化設(shè)備、場地和時(shí)間等問題；采用澆注法施工時(shí)，高含水率造成固化淤泥強(qiáng)度較低，通常需增加固化劑摻量以改善其性質(zhì)。對于含水率變化范圍大且脫水困難的疏浚淤泥，研究固化淤泥強(qiáng)度與含水率的關(guān)系以合理控制含水率具有重要意義。

固化淤泥應(yīng)用于回填工程時(shí)常采用碾壓法施工，含水率通?？刂圃诟鶕?jù)擊實(shí)試驗(yàn)確定的最優(yōu)含水率（即擊實(shí)最優(yōu)含水率）附近。趙曉晴等［3］對摻磷尾礦粉的水泥固化淤泥研究發(fā)現(xiàn)，其強(qiáng)度在擊實(shí)最優(yōu)含水率附近達(dá)到最大，但從攪拌和流動(dòng)性等施工要求角度考慮，含水率為60%左右較合適。郭愛國等［4］認(rèn)為石灰穩(wěn)定土按擊實(shí)試驗(yàn)確定最優(yōu)含水率時(shí)沒有考慮土料與石灰之間的物理化學(xué)作用，施工最優(yōu)含水率應(yīng)比擊實(shí)最優(yōu)含水率大3%左右，此時(shí)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大（即強(qiáng)度最優(yōu)含水率）。王清等［5］利用超疏水乳液處理鹽漬土?xí)r發(fā)現(xiàn)，在擊實(shí)最優(yōu)含水率附近，土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系由硬化型變?yōu)檐浕?，略低于該含水率時(shí)強(qiáng)度提升率最大。Vu等［6］利用粉煤灰地聚物固化淤泥，發(fā)現(xiàn)擊實(shí)最優(yōu)含水率與強(qiáng)度最優(yōu)含水率接近。蔡光華等［7］研究初始含水率為15%～30%的MgO碳化固化粉土?xí)r發(fā)現(xiàn)，當(dāng)初始含水率為15%時(shí)固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大，該含水率低于擊實(shí)最優(yōu)含水率約3.6%。輕質(zhì)（量）土最優(yōu)含水率問題也得到很多學(xué)者的關(guān)注，朱偉等［8］對砂土EPS顆?；旌陷p質(zhì)土的研究發(fā)現(xiàn)，在強(qiáng)度最優(yōu)含水率時(shí)，水量可滿足水泥水化需水量且不存在多余水分，水起到潤滑土顆粒和EPS，并提供水泥水化的作用。侯天順等［9］對黏土EPS顆?；旌纤噍p量土的研究發(fā)現(xiàn)，干密度、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和比強(qiáng)都隨含水率的增加先增后減，三者對應(yīng)的最優(yōu)含水率基本相同。可見，當(dāng)土性、固化劑種類及固化方法不同時(shí)，擊實(shí)最優(yōu)含水率與強(qiáng)度最優(yōu)含水率之間的關(guān)系可能存在一定差異。

高含水率疏浚淤泥往往呈流漿或浮泥態(tài)，采用流動(dòng)固化時(shí)通常需要考慮混合土的和易性［2］，含水率對固化淤泥的性質(zhì)有顯著影響。國外很多學(xué)者針對水泥土攪拌樁背景下高含水率軟土的強(qiáng)度進(jìn)行研究，得到固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻量、含水率、孔隙比及養(yǎng)護(hù)齡期之間的關(guān)系表達(dá)式［10-11］。張春雷等［12］對初始含水率為93.7%～204%的水泥固化疏浚淤泥研究發(fā)現(xiàn)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨含水率的增加呈乘冪關(guān)系下降。章榮軍等［13］采用歸一化方法研究低摻量水泥固化高含水率海泥的強(qiáng)度性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)含水率對水泥固化黏土強(qiáng)度的影響是獨(dú)立的，不同類型土的強(qiáng)度均隨含水率的增加呈冪函數(shù)減小。鄭耀林、徐志豪等［14-15］采用絮凝-固化聯(lián)合法處理高含水率疏浚淤泥，發(fā)現(xiàn)聚丙烯酰胺和水泥的共同作用可大幅提高土的抗剪強(qiáng)度，形成大量水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣凝膠和鈣礬石等產(chǎn)物，有效填充孔隙，形成密實(shí)結(jié)構(gòu)。曹玉鵬等［16］對含水率為120%的疏浚淤泥采用水泥-生石灰-高分子添加劑固化處理，發(fā)現(xiàn)復(fù)合固化材料可快速降低疏浚淤泥的含水率，短期內(nèi)大幅度提高無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。丁建文等［17］對水泥-磷石膏雙摻固化疏浚淤泥的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)初始含水率為2.50～3.25倍液限時(shí)，淤泥強(qiáng)度與含水率呈近似線性遞減關(guān)系。堿渣是氨堿法制堿過程中產(chǎn)生的、具有腐蝕性的工業(yè)強(qiáng)堿性廢料［18］，筆者對水玻璃-堿渣-礦渣固化疏浚淤泥的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)含水率從110%降至90%時(shí)，淤泥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有所增加，繼續(xù)降至70%時(shí)強(qiáng)度大幅增加［19］。

上述文獻(xiàn)表明，目前在含水率對固化土性質(zhì)影響研究方面，仍以石灰及水泥固化土為主。堿渣作為一種特殊的工業(yè)固體廢棄物，用作疏浚淤泥固化劑時(shí)與傳統(tǒng)固化劑的差異還有待于深入研究。本文在前期研究基礎(chǔ)上，以堿渣、礦渣和電石渣固化疏浚淤泥為研究對象，針對碾壓法和澆筑法兩種施工方法，開展不同含水率條件下固化淤泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和擊實(shí)試驗(yàn)，并結(jié)合核磁共振（NMR）、X射線衍射（XRD）和掃描電子顯微鏡（SEM）測試，探討含水率對固化淤泥性質(zhì)的影響規(guī)律及其微觀機(jī)理，揭示固化淤泥擊實(shí)最優(yōu)含水率與強(qiáng)度最優(yōu)含水率的差異、強(qiáng)度與含水率及固化劑摻量的定量關(guān)系。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用疏浚淤泥取自武漢市巡司河，其天然含水率在160％～180％之間，液限為55％，塑限為38.7％，有機(jī)質(zhì)含量為9.25%，呈灰黑色流塑狀態(tài)。固化劑由堿渣和礦渣組成，電石渣與堿渣一起作為礦渣的激發(fā)劑。試驗(yàn)材料礦物質(zhì)成分見圖1。疏浚淤泥主要礦物成分為石英、白云母、伊利石和鈣長石。堿渣主要化學(xué)成分為CaO（66.5%）、SO3（11.3%）、SiO2（8.6%）和Cl（6.7%），礦物成分以碳酸鈣、二水硫酸鈣和氯化鈉為主。礦渣中主要化學(xué)成分為CaO（38.6%）、SiO2（33.9%）和Al2O3（15.3%），礦物成分以硅酸二鈣、鋁酸三鈣和鈣鋁黃長石為主。電石渣主要成分為氫氧化鈣。

圖1 試驗(yàn)材料XRD圖譜

Fig.1 XRD spectrum of raw materials

試驗(yàn)時(shí)，首先將淤泥風(fēng)干、碾碎、過1 mm篩后，根據(jù)設(shè)定含水率加水?dāng)嚢?；將堿渣、礦渣和電石渣于60 ℃烘干并過1 mm篩后與淤泥攪拌均勻，密封12 h后制樣。然后分別進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和擊實(shí)試驗(yàn)、NMR、XRD和SEM測試。試驗(yàn)方法如下：

（1） 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。采用分層擊實(shí)法在內(nèi)徑39.1 mm、高80 mm的鋼模具中制樣，將混合土分3層擊實(shí)，擊實(shí)功為64.65 （N·cm）/cm3，該值接近于標(biāo)準(zhǔn)輕型擊實(shí)試驗(yàn)的擊實(shí)功。試樣制備完成后放入溫度為（20±5） ℃、濕度大于95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)1 d后脫模，然后繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至設(shè)計(jì)齡期14 d。采自YSH-2型應(yīng)變控制式無側(cè)限抗壓強(qiáng)度儀進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果見表1。淤泥的初始含水率（即水與干土質(zhì)量之比）設(shè)定為淤泥液限的0.7～2.5倍。根據(jù)前期試驗(yàn)確定固化劑摻量（固化劑與干土質(zhì)量之比），礦渣設(shè)為10%和6%；為更多地消納堿渣，其摻量相對較大；為了更好地激發(fā)礦渣，電石渣摻量為礦渣摻量的40%，以起到較好的激發(fā)效果［20］。每組方案取2個(gè)平行試樣。

（2） 擊實(shí)試驗(yàn)。依據(jù)GB/T 50123-2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，采用TDJ-3型多功能電動(dòng)擊實(shí)儀進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)輕型擊實(shí)試驗(yàn)。擊實(shí)錘質(zhì)量為2.5 kg，擊實(shí)桶內(nèi)徑和筒高分別為102 mm和116 mm，不同配比混合土攪拌均勻并密封12 h后分3層擊實(shí)，擊實(shí)功為65.19 （N·cm）/cm3。

（3） NMR測試。采用蘇州紐邁股份有限公司的核磁共振巖心分析儀（MicroM12-025VR）進(jìn)行NMR測試。混合土攪拌均勻并密封12 h后，分2層在內(nèi)徑18 mm、高30 mm的亞克力模具中擊實(shí)，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)至設(shè)計(jì)齡期后，真空抽氣飽和試樣。然后將試樣裝入核磁共振儀試樣管中進(jìn)行測試，反演得到弛豫時(shí)間T2分布曲線。

（4） XRD測試。強(qiáng)度試驗(yàn)完成后取中部小塊試樣，經(jīng)60 ℃烘干并過75 μm篩后，采用日本理學(xué)公司的X射線衍射儀（MiniFlex600）進(jìn)行XRD測試，掃描速度為5°/min，掃描范圍5°～75°。隨后采用Jade軟件分析礦物成分。

（5） SEM測試。強(qiáng)度試驗(yàn)完成后取中部小塊試樣，凍干并噴金處理后，采用日本日立公司的高分辨場發(fā)射掃描電鏡（Hitachi SU8010）進(jìn)行SEM測試，放大倍數(shù)為5 000～20 000倍。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 含水率對應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系影響

不同初始含水率下，試樣J20K10D4的應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖2。其他配比試樣也呈現(xiàn)出類似變化規(guī)律?？梢园l(fā)現(xiàn)：固化淤泥脆性破壞與塑性破壞之間存在分界含水率，與文獻(xiàn)［5］一致，本文得到分界點(diǎn)均為66%。當(dāng)初始含水率>66%時(shí)，試樣為典型塑性破壞特征，應(yīng)力-應(yīng)變曲線較平緩，沒有明顯應(yīng)力降，破壞應(yīng)變大都超過5%，其中初始含水率為110%和137.5%的試樣破壞應(yīng)變約9%。當(dāng)初始含水率≤66%時(shí)，試樣為脆性破壞，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈軟化型，有明顯應(yīng)力降，破壞應(yīng)變均小于4%，其中初始含水率為41%和44%的試樣破壞應(yīng)變小于2%；與初始含水率為41%和44%試樣相比，初始含水率為38.5%的試樣強(qiáng)度較低、破壞應(yīng)變較大。

當(dāng)初始含水率較低時(shí)，固化淤泥中孔隙體積較少，生成的水化產(chǎn)物填充孔隙，試樣出現(xiàn)脆性破壞；當(dāng)初始含水率較高時(shí)，孔隙除被水化產(chǎn)物填充外，還存在沒有發(fā)生反應(yīng)的自由水，顆粒之間連接較弱，從而呈現(xiàn)強(qiáng)度低、塑性變形大的特點(diǎn)；當(dāng)初始含水率達(dá)到最優(yōu)時(shí)，試樣強(qiáng)度最大、脆性破壞最明顯。

2.2 含水率對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響

含水率對固化疏浚淤泥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響見圖3，其中圖3（a）橫坐標(biāo)為淤泥初始含水率，用直方圖展示強(qiáng)度誤差線和固化劑摻量對強(qiáng)度的影響；圖3（b）橫坐標(biāo)為混合土含水率（水與固體質(zhì)量之比），以展示固化劑對初始含水率的降低作用和強(qiáng)度隨含水率的變化速率。

固化淤泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨含水率的增加呈先增大后減小的趨勢，存在強(qiáng)度最優(yōu)含水率。試樣J20K10D4和J20K6D2.4在初始含水率為44％時(shí)強(qiáng)度最大，分別為642.9 kPa和599.2 kPa；試樣25K6D2.4和J30K6D2.4在初始含水率為41％時(shí)強(qiáng)度最大，分別為694.1 kPa和601.1 kPa。

當(dāng)初始含水率在38.5%～55％之間時(shí)，不同配比試樣的強(qiáng)度基本都超過了345 kPa，該值為ASTM D4609推薦的判斷固化土中固化劑有效性的強(qiáng)度限值［21］。因此，當(dāng)初始含水率控制在淤泥的塑限和液限范圍內(nèi)時(shí)，這幾種摻量用于固化疏浚淤泥是有效的。含水率過高會(huì)導(dǎo)致固化淤泥的強(qiáng)度較低；含水率過低則可能使淤泥中黏土顆粒團(tuán)聚嚴(yán)重，出現(xiàn)土與固化劑拌和困難或不均勻問題。345 kPa對應(yīng)混合土含水率如表2所列，當(dāng)混合土含水率低于該值時(shí)，固化淤泥強(qiáng)度超過345 kPa?？梢?，試樣J20K10D4的345 kPa對應(yīng)混合土含水率較高，為43.56%，其他試樣約為40%；當(dāng)堿渣摻量增大時(shí)，對應(yīng)含水率略有降低。

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨含水率的變化可分為3個(gè)階段：高強(qiáng)度段、強(qiáng)度急劇下降段和緩慢下降段，如圖3（b）所示。在高強(qiáng)度段，強(qiáng)度隨含水率的增加先增后減，超過最優(yōu)含水率后強(qiáng)度有所降低，但整體維持在較高強(qiáng)度水平；在強(qiáng)度急劇下降段，強(qiáng)度隨含水率的增加急劇降低；在強(qiáng)度緩慢下降段，強(qiáng)度繼續(xù)下降，但變化速度趨于平緩。水泥固化疏浚淤泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨含水率增大呈冪函數(shù)形式減?。?2-13］，本文結(jié)果與之一致：在強(qiáng)度急劇下降段和緩慢下降段，4種配比固化淤泥強(qiáng)度與混合土含水率之間可用冪函數(shù)擬合，擬合效果較好。

當(dāng)初始含水率為38.5%和41%時(shí)，不同固化劑摻量的固化淤泥強(qiáng)度變化規(guī)律性不強(qiáng)，其原因可能在于低含水率時(shí)淤泥、水和固化劑不易攪拌均勻；當(dāng)初始含水率在44%～99%時(shí)，試樣J20K10D4的強(qiáng)度高于其他試樣，礦渣的固化效果優(yōu)于堿渣；初始含水率為110%和137.5%時(shí)，試樣J20K10D4的強(qiáng)度低于其他試樣；當(dāng)?shù)V渣和電石渣摻量不變時(shí)，固化淤泥強(qiáng)度隨堿渣摻量的增加而增大，表明增大堿渣摻量對固化淤泥的強(qiáng)度具有積極作用。

2.3 擊實(shí)曲線分析

固化淤泥擊實(shí)曲線見圖4。表2給出了強(qiáng)度最優(yōu)含水率、擊實(shí)最優(yōu)含水率與強(qiáng)度最優(yōu)含水率的差值及高強(qiáng)度段對應(yīng)含水率的范圍。

固化淤泥的擊實(shí)曲線與細(xì)粒土相似，即存在擊實(shí)最優(yōu)含水率和最大干密度。不同之處在于，當(dāng)含水率低于最優(yōu)含水率時(shí)，擊實(shí)曲線比較平緩，干密度的變化較小。石灰改性膨脹土的擊實(shí)曲線也有相似的規(guī)律［4］。造成這種現(xiàn)象的原因可能在于固化淤泥混合后悶樣12 h即進(jìn)行擊實(shí)，固化劑與淤泥及孔隙水之間存在復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)和相互作用；低含水率時(shí)孔徑和孔隙體積較小，顆粒之間接觸較為緊密，造成干密度的變化不大。

不同配比試樣的最大干密度和最優(yōu)含水率均相差不大；試樣J20K10D4最大干密度略低、擊實(shí)最優(yōu)含水率略高。強(qiáng)度最優(yōu)含水率與擊實(shí)最優(yōu)含水率相差不大，除試樣J20K10D4擊實(shí)最優(yōu)含水率比強(qiáng)度最優(yōu)含水率高2.34%外，其他試樣2種最優(yōu)含水率之差均在±1%之內(nèi)。當(dāng)含水率在最優(yōu)含水率附近時(shí)，在電石渣及堿渣對礦渣的激發(fā)作用下，礦渣摻量越高，固化劑與土之間的反應(yīng)越劇烈，這可能導(dǎo)致試樣J20K10D4與其他試樣存在一定差異。試樣J20K10D4與石灰改性膨脹土類似，后者強(qiáng)度最優(yōu)含水率比擊實(shí)最優(yōu)含水率高3%的原因在于，石灰土的強(qiáng)度是由土粒之間的黏結(jié)與摩擦力、化學(xué)反應(yīng)形成的膠結(jié)作用共同組成［4］。對于礦渣摻量較低的試樣J20K6D2.4、J25K6D2.4和J30K6D2.4，膠結(jié)作用對強(qiáng)度的影響相對較弱，強(qiáng)度最優(yōu)含水率與擊實(shí)最優(yōu)含水率相差較小。

以最大強(qiáng)度85%范圍作為高強(qiáng)度段，可知高強(qiáng)度段對應(yīng)含水率的變化范圍在5.7%～10.0%之間（見表2）。考慮到強(qiáng)度最優(yōu)含水率和擊實(shí)最優(yōu)含水率之間的差異，可以認(rèn)為：對于堿渣-礦渣固化疏浚淤泥采用碾壓法施工，將施工含水率控制在強(qiáng)度或擊實(shí)最優(yōu)含水率± 3%的范圍內(nèi)比較可靠，強(qiáng)度能夠保持在較高水平，該范圍內(nèi)固化淤泥強(qiáng)度與最大強(qiáng)度相差不大。

2.4 核磁共振分析

不同初始含水率下試樣J20K10D4的NMR結(jié)果見圖5，其中弛豫時(shí)間T2可反映孔徑大小，積分面積可反映孔隙體積大小。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與總積分面積的關(guān)系見圖6。

不同含水率下試樣的T2分布多呈雙峰形態(tài)。第一峰對應(yīng)最可幾小孔隙孔徑集中在T2=1～1.75 ms，隨著初始含水率的增加，最可幾小孔隙孔徑增大；第二峰對應(yīng)最可幾中孔隙孔徑在T2=32.75～65.79 ms之間，也隨初始含水率的增加而增大。試驗(yàn)測試范圍內(nèi)，初始含水率為77%和99%的試樣中還存在孔徑更大的孔隙沒有完全表示出來。隨著初始含水率的增加，小孔隙、中孔隙和總孔隙的體積均增大。

與圖3類似，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨總積分面積增大，也呈先增后減趨勢。當(dāng)含水率從44%增加至99%時(shí)，孔徑和孔隙體積增大，結(jié)構(gòu)變得疏松，試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸減小。然而，當(dāng)初始含水率從38.5%增大至44%時(shí)，試樣最可幾中孔隙孔徑增大，小孔隙、中孔隙和總孔隙體積均增大，而無側(cè)限抗壓強(qiáng)度卻增大，其原因還需要從礦物成分來分析。

2.5 X射線衍射分析

代表性試樣XRD圖譜見圖7。在堿渣和電石渣提供的堿性環(huán)境下，疏浚淤泥和堿渣中活性SiO2與Ca（OH）2發(fā)生水化反應(yīng)生成水化硅酸鈣（CSH）［22］，活性SiO2和Al2O3還與Ca（OH）2反應(yīng)生成水鈣沸石（CaAl2Si2O8·4H2O）［19，23］；堿渣中CaSO4·2H2O與礦渣中鋁酸鈣、電石渣中Ca（OH）2等反應(yīng)生成具有膨脹填孔作用的鈣礬石（Ca6Al2（SO4）3（OH）12·26H2O）［22，24］；堿渣中氯鹽與Ca（OH）2等反應(yīng)產(chǎn)生水化氯鋁酸鈣（Ca4Al2O6Cl2·10H2O）［25］。

初始含水率為44%時(shí)，試樣J25K6D2.4和J30K6D2.4中CaSO4·2H2O衍射峰明顯高于試樣J20K10D4，表明含水率低且礦渣摻量較少時(shí)，有較多CaSO4·2H2O沒有參與反應(yīng)；初始含水率為110%時(shí)，CaSO4·2H2O衍射峰減弱甚至消失，表明高含水率條件為CaSO4·2H2O的反應(yīng)提供了充足水分，生成的鈣礬石衍射峰明顯強(qiáng)于含水率為44%的試樣。

初始含水率為110%時(shí)，與試樣J25K6D2.4和J30K6D2.4相比，試樣J20K10D4中鈣礬石衍射峰較弱，但水鈣沸石衍射峰較強(qiáng)，起到一定的膠凝作用［23］。鈣礬石的生成消耗大量的液態(tài)水［24］，從而使高含水率時(shí)堿渣摻量越高試樣強(qiáng)度越大，且大于試樣J20K10D4。

對于試樣J20K10D4，初始含水率從38.5%增大為44%時(shí)，CaSO4·2H2O衍射峰減弱；含水率繼續(xù)增大時(shí)該峰幾乎觀察不到，表明此時(shí)堿渣中CaSO4·2H2O反應(yīng)更充分，生成鈣礬石，在高含水率淤泥中起到較好的固化作用，有利于提高淤泥強(qiáng)度。但含水率增加使固化淤泥的孔徑和孔隙體積增大、結(jié)構(gòu)變得疏松，導(dǎo)致其強(qiáng)度降低。

與初始含水率為38.5%的試樣相比，初始含水率為44%的試樣中鈣礬石、水化氯鋁酸鈣和CSH的衍射峰均較強(qiáng)，表明最優(yōu)含水率附近時(shí)試樣水化反應(yīng)相對充分、水化產(chǎn)物的聯(lián)結(jié)作用較強(qiáng)，從而使其具有較高的強(qiáng)度。

2.6 掃描電鏡分析

試樣J20K10D4的SEM照片見圖8?？梢钥闯觯瑑煞N初始含水率試樣中都可以觀察到針棒狀鈣礬石，起到填充孔隙、連接顆粒和膠結(jié)作用。含水率為44%的試樣中還可觀察到絮狀CSH，其與針棒狀鈣礬石等水化產(chǎn)物一起形成致密的結(jié)構(gòu)，孔隙較??；與初始含水率為44%的試樣相比，初始含水率為99%的試樣單位面積上水化產(chǎn)物較少，結(jié)構(gòu)較為疏松，孔隙較大。SEM觀測結(jié)果與NMR和XRD測試所得規(guī)律一致。

3 結(jié) 論

（1） 堿渣-礦渣固化疏浚淤泥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨含水率增加呈先增后減趨勢，可分為高強(qiáng)度段、強(qiáng)度急劇下降段和緩慢下降段。養(yǎng)護(hù)14 d時(shí)最高強(qiáng)度不低于600 kPa；當(dāng)淤泥初始含水率在塑限至液限之間時(shí)，14 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不低于345 kPa。

（2） 固化淤泥的強(qiáng)度最優(yōu)含水率與擊實(shí)最優(yōu)含水率相差不大，除試樣J20K10D4為前者比后者低2.34%外，其他試樣2種最優(yōu)含水率相差均在±1%之內(nèi)。碾壓法施工時(shí)，將施工含水率控制在最優(yōu)含水率±3%范圍內(nèi)可使固化淤泥處于高強(qiáng)度段。

（3） 在強(qiáng)度急劇下降段和緩慢下降段，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨含水率的增加呈冪函數(shù)減小，流動(dòng)固化施工時(shí)可用該函數(shù)預(yù)測強(qiáng)度。

（4） 當(dāng)初始含水率為44%～99%時(shí)，礦渣固化效果優(yōu)于堿渣；固化淤泥中鈣礬石含量等隨堿渣摻量的增加而增多，強(qiáng)度隨之增大。當(dāng)含水率超過99%時(shí)，增大堿渣摻量可提高固化淤泥強(qiáng)度。從消納堿渣和強(qiáng)度來看，試樣J30K6D2.4較合適。

（5） 隨著初始含水率的增加，最可幾孔隙孔徑和孔隙體積增大，固化淤泥強(qiáng)度減小。在最優(yōu)含水率附近，試樣中生成較多的鈣礬石、水化氯鋁酸鈣和CSH等水化產(chǎn)物，形成致密結(jié)構(gòu)，從而具有較好的固化效果。

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（編輯：胡旭東）

Determination of water content of dredged sludge solidified with alkali slag and blast furnace slag

HE Jun1，LYU Xiaolong1，WANG Wenpeng2

（1.School of Civil Engineering，Architectural and Environment，Hubei University of Technology，Wuhan 430068，China； 2.PowerChina Vibroflotation Construction Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100102，China）

Abstract：

Using alkali slag and blast furnace slag as curing agent and carbide slag as activator，the unconfined compressive strength and compaction test of solidified dredged sludge were carried out by setting different water content，alkali slag and blast furnace slag content，so the relationship between strength and water content of solidified dredged sludge was studied.In addition，nuclear magnetic resonance，X-ray diffraction and scanning electron microscopy tests were carried out.The test results showed that the strength of solidified sludge increased first and then decreased with the increasing of water content，which could be divided into high strength section，sharp decline section and slowly decline section.The maximum strength could reach more than 600 kPa after 14 days of curing.In order to effectively solidify the dredged sludge with alkali slag and blast furnace slag，the water content should be controlled between the plastic limit and the liquid limit of the sludge，and the 14 days strength was no less than 345 kPa.The optimal water content of strength and the optimal water content of compaction had little difference.The water content could be controlled within the range of ±3% by rolling method，so that the strength of solidified sludge was in the high strength section.When the flow curing construction was adopted，the water content could be determined according to the strength requirements by the power function formula of the strength and the mixed water content in the sharp decline section and the slowly decline section.

Key words：

dredged sludge；water content；alkali slag；blast furnace slag；rolling construction；flow curing construction