桂 躍，王其合，張 慶

(1.昆明理工大學(xué)建工學(xué)院土木系，云南 昆明 650051；2. 上海鐵路設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海 200120)

0 引 言

利用工業(yè)廢料進(jìn)行土壤改良在巖土工程中應(yīng)用廣泛，如添加粉煤灰改善軟土的承載力、采用礦渣穩(wěn)定膨脹土等.工業(yè)廢料在問(wèn)題土改良中利用，不僅達(dá)到土性改良目的，而且實(shí)現(xiàn)了工業(yè)廢料本身的消納，具有良好的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益.

在港口工程、圍墾工程、河湖清淤工程中會(huì)產(chǎn)生大量疏浚淤泥[1-4].疏浚淤泥含水率高、黏粒含量高、強(qiáng)度極低，很多還富含有機(jī)質(zhì)，是工程上難以直接利用的一種特殊土.在我國(guó)，通常是作為廢棄物在農(nóng)田、水塘等地集中堆放，若不加以妥善處理，則會(huì)長(zhǎng)期占用大量土地，造成一系列的社會(huì)問(wèn)題，并且存在環(huán)境污染危害，如何處理疏浚淤泥是一個(gè)值得重視的問(wèn)題.采用固化法將疏浚淤泥固化改良成填土材料，可以變廢為寶，既解決了淤泥處置問(wèn)題，又緩解了工程建設(shè)中大量填土材料的需求，是疏浚淤泥資源化利用研究中的熱點(diǎn)之一.

國(guó)內(nèi)外已有學(xué)者開(kāi)展利用工業(yè)廢料固化處理疏浚淤泥的研究[5-8].目前，大部分的研究還是集中在用工業(yè)廢料作為輔助固化劑，輔助水泥、生石灰固化疏浚淤泥，通常這些復(fù)合固化劑的效果要優(yōu)于單摻水泥或生石灰，但是這種方法對(duì)工業(yè)廢料的消耗是極其有限的，固化成本上也僅小幅改善.以工業(yè)廢料作為固化劑，輔以少量水泥或生石灰作為反應(yīng)誘發(fā)劑，是工業(yè)廢料利用的另一種新的思路，更有利于工業(yè)廢料的消納及固化成本的節(jié)約[9].本文通過(guò)試驗(yàn)分析了國(guó)內(nèi)3種排放量較大的典型工業(yè)廢料：磷石膏、粉煤灰、礦渣固化高含水率疏浚淤泥的強(qiáng)度特性及強(qiáng)度影響因素，對(duì)工業(yè)廢料在固化疏浚淤泥中的利用有一定的參考意義.

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

疏浚淤泥取至江蘇省淮安市南水北調(diào)東線工程白馬湖疏浚淤泥吹填堆場(chǎng)，于實(shí)驗(yàn)室中對(duì)其物理性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，試驗(yàn)均按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123-1999)進(jìn)行，其基本物理性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1.淤泥粒徑分布曲線測(cè)試采用馬爾文(Malvern)公司生產(chǎn)的Mastersizer Micro(MAF5000)激光衍射粒度儀進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果如圖1所示.

石灰產(chǎn)自南京市麒麟鎮(zhèn)麒麟石灰廠，是未消解的磨細(xì)生石灰，氧化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)89.2 %，氧化鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.3 %，屬Ⅱ級(jí)生石灰.磷石膏取自江蘇某磷肥廠，主要成分為CaSO4·2H2O，采用烘干法測(cè)得其天然含水率17.4 %左右，2 mm篩余量小于1 %.粉煤灰取自江蘇某火電廠，主要成分為SiO2、Al2O3和Fe2O3，這3種成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)總和大致為73 %，天然含水率為15 %左右，經(jīng)顆分試驗(yàn)測(cè)得粉煤灰試樣中粒徑大于0.1 mm的顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為51 %，屬于II級(jí)粉煤灰.礦渣取自南京某煉鐵廠，主要成分為CaO、SiO2和Al2O3，屬于中等活性堿性礦渣.

表1 白馬湖疏浚淤泥的物理性質(zhì)指標(biāo)

圖1 白馬湖疏浚淤泥顆粒分布曲線Fig.1 Particle size distribution of dredged material from BaiMa-hu Lake

1.2 土樣制備

各種工業(yè)廢料的摻灰比分別為5 %、10 %、15 %、20 %，作為反應(yīng)觸發(fā)劑的生石灰或水泥固定比例2.5 %，摻水泥作為觸發(fā)劑的工業(yè)廢料復(fù)合固化劑稱為水泥基復(fù)合固化劑，摻生石灰作為觸發(fā)劑的工業(yè)廢料復(fù)合固化劑稱為石灰基復(fù)合固化劑；為了對(duì)比單摻水泥或生石灰的固化效果，本文還分別進(jìn)行了單摻水泥、生石灰固化淤泥試驗(yàn)，摻灰比均為2.5 %、5 %、10 %、15 %、20 %，文中所有摻灰比均為淤泥質(zhì)量百分比.制備包括攪拌、制樣和養(yǎng)護(hù).

1.3 試驗(yàn)方法

試樣為直徑5 cm、高度10 cm的圓柱體試樣，采用YSH-2型無(wú)側(cè)限壓力儀進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試樣步驟根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123-1999)進(jìn)行，每一配比及齡期均采取3組試樣進(jìn)行平行試驗(yàn).

2 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

2.1 固化疏浚淤泥無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與摻灰比關(guān)系

圖2給出了養(yǎng)護(hù)齡期分別為28 d、90 d時(shí)， 6種復(fù)合固化劑,以及單摻生石灰或水泥固化疏浚淤泥試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與摻灰比的關(guān)系.從圖中可以看出，各類固化疏浚淤泥的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和摻灰比大致呈線性增長(zhǎng)關(guān)系.生石灰、水泥單摻摻灰比越大，固化淤泥無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大；對(duì)于工業(yè)廢料復(fù)合添加劑，生石灰或水泥摻灰比固定為2.5 %，隨著工業(yè)廢料的摻灰比增大，除部分磷石膏復(fù)合固化劑固化土外，其余固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度基本呈增加的趨勢(shì).

圖2 固化淤泥無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與摻灰比關(guān)系Fig.2 Relationship of UCS with the percent of stabilizer

為了直觀比較單摻水泥或生石灰和工業(yè)廢料復(fù)合固化劑的固化效果，圖3中給出來(lái)它們齡期28 d早期強(qiáng)度和齡期90天強(qiáng)度的直方圖.

從圖3中可以看出，齡期28 d的早期強(qiáng)度，水泥基復(fù)合固化劑固化淤泥的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)均高于200 kPa，生石灰基復(fù)合固化劑固化淤泥強(qiáng)度相對(duì)較低，但是也遠(yuǎn)優(yōu)于單摻生石灰.例如，單摻10 %生石灰固化淤泥的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度僅有110 kPa左右，而摻2.5 %生石灰+10 %的磷石膏固化淤泥的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到350 kPa左右，從而體現(xiàn)了復(fù)合固化劑固化土早期強(qiáng)度高的優(yōu)勢(shì).對(duì)比單摻水泥的效果，磷石膏復(fù)合固化劑的固化效果和其持平，例如，單摻15 %水泥固化淤泥的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度550 kPa左右，而摻2.5 %水泥+15 %磷石膏固化淤泥的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度590 kPa左右；而礦渣、粉煤灰復(fù)合固化劑在摻灰比10 %、15 %、20 %時(shí)低于水泥固化的效果.齡期90 d時(shí)，復(fù)合固化劑的效果優(yōu)于水泥和生石灰，尤其是遠(yuǎn)優(yōu)于單摻生石灰的效果.例如，單摻10 %生石灰固化疏浚淤泥的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度是185 kPa，而2.5 %生石灰+10 %礦渣組成的復(fù)合固化劑固化淤泥強(qiáng)度高達(dá)590 kPa，是其3倍以上.經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，3種工業(yè)廢料中，磷石膏的效果明顯優(yōu)于礦渣和粉煤灰，礦渣略優(yōu)于粉煤灰.

圖3 不同齡期固化淤泥無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與工業(yè)廢料摻灰比關(guān)系Fig.3 Relationship of UCS with the percent of stabilizer with different curing period

從圖2、圖3中還可以看出，磷石膏復(fù)合固化劑固化淤泥存在強(qiáng)度轉(zhuǎn)折點(diǎn)，當(dāng)齡期90 d時(shí)，摻灰比超過(guò)一定值，固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度反而有所降低.對(duì)于水泥基磷石膏復(fù)合固化劑，當(dāng)磷石膏的摻灰比ac=10 %為強(qiáng)度轉(zhuǎn)折點(diǎn)；對(duì)于石灰基磷石膏固化劑，磷石膏的摻灰比ac=15 %為強(qiáng)度轉(zhuǎn)折點(diǎn).

2.2 固化疏浚淤泥無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期關(guān)系

圖4給出了單摻水泥、生石灰，工業(yè)廢料復(fù)合固化劑固化淤泥無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系曲線.

從圖4中可以看出，固化疏浚淤泥的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度發(fā)育隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，且水泥摻灰比小于10 %、生石灰摻灰比15 %時(shí)，固化土的強(qiáng)度增幅較平緩，且與齡期大致呈線性關(guān)系；大于上述摻灰比時(shí)，強(qiáng)度增長(zhǎng)呈現(xiàn)冪指數(shù)關(guān)系；對(duì)于復(fù)合固化劑固化淤泥，強(qiáng)度隨齡期增大而增大，但是本次試驗(yàn)中可以看出它們的關(guān)系并無(wú)一致的規(guī)律，部分呈線性關(guān)系，部分呈冪指關(guān)系.

2.3 固化疏浚淤泥強(qiáng)度增長(zhǎng)率與摻灰比關(guān)系

為了分析工業(yè)廢料的摻加及摻灰比增大導(dǎo)致的強(qiáng)度增長(zhǎng)，引入固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率Dqu，用以評(píng)估工業(yè)廢料的固化效果.無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率的表達(dá)式如式(1).

Dqu=(qu2-qu1)/qu1×100 %

(1)

式(1)中：Dqu為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率；qu2為復(fù)合添加劑固化疏浚淤泥無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，本文中為不同摻灰比工業(yè)廢料和2.5 %生石灰或水泥組成的復(fù)合固化劑；qu1為一定摻灰比 (本文為 2.5%)生石灰或水泥固化疏浚淤泥無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度.

圖4 固化疏浚淤泥無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系Fig.4 Relationship of the UCS with the curing period

圖5給出了養(yǎng)護(hù)齡期28 d時(shí)，固化疏浚淤泥強(qiáng)度增長(zhǎng)率與工業(yè)廢料摻灰比的關(guān)系，從圖中可以看出，生石灰基的復(fù)合固化劑固化疏浚淤泥的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率比水泥基的要大2至4倍；摻灰比越大，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率越大，它們之間呈直線關(guān)系，可以用Dqu=mac+n表示.圖5數(shù)據(jù)擬合出如下關(guān)系式：

圖5 齡期28d時(shí)固化疏浚淤泥無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率與摻灰比關(guān)系Fig.5 Relationship of the increasing rate of UCS with the percent of stabilizers on the curing period of 28 d

2.5%水泥+ac磷石膏

Dqu=39.6ac-29.5R2=0.99

2.5%水泥+ac礦渣

Dqu=31.8ac-13.4R2=0.97

2.5%水泥+ac粉煤灰

Dqu=32.1ac-47.7R2=0.96

2.5%生石灰+ac磷石膏

Dqu=179.9ac-163.6R2=0.99

2.5%生石灰+ac礦渣

Dqu=158.5ac-215.3R2=0.97

2.5%生石灰+ac粉煤灰

Dqu=126.5ac-198.5R2=0.99

引用現(xiàn)有文獻(xiàn)中其他研究者得出的試驗(yàn)結(jié)果，分析無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率與摻灰比，也可以得出類似的關(guān)系式，如表2所示.結(jié)合本文試驗(yàn)和前人資料，可以發(fā)現(xiàn)m,n的取值和疏浚淤泥的初始含水率、工業(yè)廢料種類有關(guān).

表2 引用其他研究者發(fā)表的試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Data from the other researches

由本文試驗(yàn)結(jié)果及前人成果可以看出,齡期28 d時(shí),無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率和工業(yè)廢料的摻灰比有良好的線性關(guān)系,因此可以在水泥或生石灰摻灰比一定時(shí),根據(jù)工業(yè)廢料的摻灰比進(jìn)行固化淤泥無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的預(yù)測(cè).

對(duì)于單摻水泥固化淤泥的強(qiáng)度與摻灰比的關(guān)系，前人已有很多研究成果.朱偉[11]給出了推求某個(gè)齡期和水泥量的固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度公式：qu=0.77t0.58(ac-20)；M.Boutouil[12]擬合了無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水灰比的關(guān)系UCS28d=a[1/ (w/c) +b]；M.A.Sakr[13]的研究成果中擬合了石灰摻灰比與固化淤泥無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系：qu=6.28+8.68ac+0.47t.從圖2可以看出，本文試驗(yàn)中單摻水泥固化淤泥的強(qiáng)度與摻灰比關(guān)系和文獻(xiàn)[11]提出的預(yù)測(cè)公式最為接近，可以在此基礎(chǔ)上提出關(guān)于水泥基復(fù)合固化劑固化淤泥的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)公式：

qu, 28d=qu1+qu2=qu1+ (Dququ1+qu1)=

(2+Dqu)qu1=k(ac1-a0)(2+mac2+n)=

k(ac1-a0) (mac2+n)

(2)

式(2)中：k為固化系數(shù)；a0為最低水泥摻灰比；ac1為水泥摻灰比；ac2為工業(yè)廢料摻灰比；m,n為工業(yè)廢料固化系數(shù).在實(shí)際工程中，只要預(yù)先進(jìn)行幾組單摻水泥或生石灰的試驗(yàn)，確定出k和a0，而后再固定水泥或生石灰摻灰比ac1，變化幾組工業(yè)廢料摻灰比ac2，得出m和n，從而可以利用此公式預(yù)估達(dá)到理想的固化土強(qiáng)度所需的摻灰比組合.上式也可以用于石灰基復(fù)合固化劑固化淤泥強(qiáng)度的預(yù)測(cè).

3 固化機(jī)理及成本分析

3.1 固化機(jī)理

水泥或石灰固化疏浚淤泥的作用可總結(jié)如下：a.物理吸水，干物質(zhì)的加入，相當(dāng)于降低了淤泥的含水率；b.化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化水，固化劑水化過(guò)程及生成水化產(chǎn)物過(guò)程中需要一定量的水；c.水化產(chǎn)物的作用，水化產(chǎn)物對(duì)淤泥土有膠結(jié)作用.但是淤泥初始含水率過(guò)高、摻灰比較小的時(shí)候，過(guò)多的水分導(dǎo)致水化產(chǎn)物在單位體積中的數(shù)量較少，土中孔隙多，難以形成較高的整體強(qiáng)度[14].

對(duì)于不同的種類的工業(yè)廢料，其參與淤泥固化發(fā)生的反應(yīng)機(jī)理也是不同的.磷石膏復(fù)合固化劑的固化機(jī)理是在強(qiáng)堿性環(huán)境下，隨著齡期的增長(zhǎng)，磷石膏中的硫酸鈣和淤泥中的活性氧化物發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，會(huì)生成鈣礬石，主要反應(yīng)方程如下[15]：

3Ca (OH)2+Al2O3+3CaSO4+26H2O→

3Ca (OH)2·Al2O3·32H2O

鈣礬石含有32個(gè)結(jié)晶水，在結(jié)晶的形成過(guò)程中，固相體積膨脹將達(dá)到約120 %.磷石膏的摻入一方面消耗了淤泥中的水，起到減水作用；另一方面生成的結(jié)晶物填充了土中存在的空隙，增加了淤泥固化土的密實(shí)度，從而強(qiáng)度增大.但當(dāng)磷石膏摻量超過(guò)一定值時(shí)，生成的鈣礬石過(guò)多，膨脹作用有可能使土體結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致強(qiáng)度下降.從本文試驗(yàn)結(jié)果可以看出，膨脹量過(guò)大分別出現(xiàn)在試樣養(yǎng)護(hù)齡期90 d、水泥基復(fù)合固化劑磷石膏的摻灰比大于10%、生石灰基復(fù)合固化劑磷石膏的摻灰比大于15 %，之后，這說(shuō)明膨脹物質(zhì)的生成和養(yǎng)護(hù)齡期及磷石膏的摻灰比有關(guān).

礦渣及粉煤灰在固化反應(yīng)中起作用的成分較為相似，均為固化劑中的活性SiO2和Al2O3在水泥或生石灰提供的堿性環(huán)境中發(fā)生水化反應(yīng)，生成大量水化產(chǎn)物，水化硅酸鈣(CSH)與水化鋁酸鈣(CAH)，起到吸水和膠結(jié)土顆粒的作用[16-19].相比而言，礦渣中還含有較多的CaO成分，可以為水化反應(yīng)提供更多的堿性環(huán)境，因此礦渣復(fù)合固化劑的效果要優(yōu)于粉煤灰.

3.2 固化成本分析

高含水率疏浚淤泥的固化處理成本中，固化劑成本是重要組成部分.對(duì)于大規(guī)模的淤泥固化，質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的固化劑可以節(jié)約相當(dāng)可觀的成本.以本文為例，按目前市場(chǎng)價(jià)格，水泥約為600 元/t、生石灰200 元/t，粉煤灰、礦渣屬于成本極低的工業(yè)廢料，約50 元/t，而磷石膏其成本可以視為0元.從本文試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，單摻15 %左右的水泥固化效果相當(dāng)于“2.5 %水泥+20 %工業(yè)廢料”復(fù)合固化劑的效果，計(jì)算得出，“2.5 %水泥+20 %工業(yè)廢料”復(fù)合固化劑改良1 m3淤泥的成本僅十幾元左右，而要達(dá)到相同的改良效果，單摻水泥的成本在五六十元左右，由此可以看出工業(yè)廢料巨大的低成本優(yōu)勢(shì)；此外，工業(yè)廢料的消納帶來(lái)的環(huán)境效益也是巨大的.但是值得注意的是，工業(yè)廢料復(fù)合固化劑的使用還要顧及其運(yùn)輸成本，對(duì)于距離較遠(yuǎn)的將會(huì)產(chǎn)生一定的運(yùn)輸費(fèi)用.

綜上所述，磷石膏、粉煤灰、礦渣等都屬于工業(yè)廢料，用于疏浚淤泥的固化是一種“以廢治廢”的做法.對(duì)于需要大規(guī)模處理疏浚淤泥的工程來(lái)說(shuō)，考慮就地取材采用更多的含無(wú)機(jī)膠凝材料的工業(yè)廢料作為問(wèn)題土的固化劑是值得提倡的做法.

4 結(jié) 語(yǔ)

工業(yè)廢料作為固化劑處理疏浚淤泥，是一種“以廢治廢”的方法，有望實(shí)現(xiàn)工業(yè)廢料的大量消納及淤泥固化處理成本的節(jié)約.本文通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，分析了3種典型工業(yè)廢料的固化淤泥效果，得出以下結(jié)論：

a.3種工業(yè)廢料中，磷石膏復(fù)合固化劑的固化效果最為明顯，礦渣次之，粉煤灰最差.除磷石膏外，工業(yè)廢料復(fù)合固化劑固化疏浚淤泥的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與摻灰比呈線性關(guān)系，摻灰比越大，固化淤泥無(wú)側(cè)限強(qiáng)度越高.磷石膏復(fù)合固化劑固化土中的磷石膏摻灰比過(guò)大、養(yǎng)護(hù)齡期較長(zhǎng)，可能產(chǎn)生大量膨脹物質(zhì)導(dǎo)致固化土的結(jié)構(gòu)破壞.

b.試樣養(yǎng)護(hù)齡期28 d時(shí)，固化疏浚淤泥的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率與工業(yè)廢料的摻灰比呈線性關(guān)系，摻灰比越大，強(qiáng)度增長(zhǎng)率越大，且石灰基復(fù)合固化劑比水泥基固化劑固化土的強(qiáng)度增長(zhǎng)率高.

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