陳卓睿，楊政險(xiǎn)，張 勇，施 鵬

福州大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 福州 350108

1 引言

福建的河網(wǎng)密度大，境內(nèi)河流總長(zhǎng)度約1.3 萬(wàn)km，河網(wǎng)密度每平方公里超過(guò)0.1 km。每條河流的河床上都會(huì)隨時(shí)間的推移而沉積有大量的河道淤泥，河道淤泥會(huì)造成河水滯流、水體渾濁甚至產(chǎn)生黑臭和有害的污染物沉積，嚴(yán)重影響周邊的生態(tài)環(huán)境。疏浚淤泥又具有含水量大的特點(diǎn)，在疏浚河道的清淤工作完成后需要經(jīng)過(guò)晾曬后方可外運(yùn)處理。這不僅占用了大量的場(chǎng)地，更有可能在晾曬、露天放置的過(guò)程中影響周圍空氣環(huán)境、造成重金屬溢出以及二次污染晾曬土地等問(wèn)題。福建省如此密集河流網(wǎng)使得福建清淤疏浚、處理淤泥工作變得尤為重要和迫切。因此，尋找一種能大量處理淤泥、創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益的解決辦法成為河流疏浚和改造環(huán)境的關(guān)鍵，也是符合我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)規(guī)劃［1］。

現(xiàn)階段淤泥在建材方面的運(yùn)用主要有制作建筑陶粒、建筑用磚以及公路的基層土基的固化土。支楠［2］等通過(guò)對(duì)淤泥進(jìn)行預(yù)處理、造粒、回轉(zhuǎn)窯燒結(jié)等工序制作建筑陶粒；秦世偉［3］等對(duì)水泥土進(jìn)行一系列的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)通過(guò)改變水泥摻量和外加固化劑摻量可以改善水泥土的養(yǎng)護(hù)環(huán)境；趙曉晴［4］等發(fā)現(xiàn)運(yùn)用摻磷尾礦砂的淤泥固化土的水穩(wěn)定性較好，而且能顯著提高土基的強(qiáng)度；劉晨［5］等利用當(dāng)?shù)貣|湖淤泥為主要材料，經(jīng)試驗(yàn)探究發(fā)現(xiàn)加入鐵尾礦渣和活性炭經(jīng)過(guò)1180℃燒結(jié)30min 可獲得質(zhì)量良好的輕質(zhì)建筑陶粒；張亞梅、梅皓［6］等探究了在淤泥中摻入不同的物質(zhì)對(duì)最終燒結(jié)磚強(qiáng)度的影響，最終發(fā)現(xiàn)摻入10%的頁(yè)巖以及摻入10%的磚粉的燒結(jié)磚成型性較好，也有較高的強(qiáng)度和耐久性，但是在摻入2%的煤粉灰組別各項(xiàng)指標(biāo)均下降；蔣正武［7］等提出了利用生物質(zhì)燃料代替煤炭燃料、利用河道淤泥代替粘土原料燒結(jié)制備河道淤泥多孔磚，并開發(fā)出太陽(yáng)能干燥技術(shù)、煙氣處理和余熱利用技術(shù)；范杰、李庚英［8］通過(guò)正交試驗(yàn)分析篩選最佳的再生淤泥免燒磚的配合比設(shè)計(jì)，并在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)泥灰比是影響再生淤泥免燒磚強(qiáng)度和耐久性的最主要因素，且3：1 時(shí)為最佳泥灰比。

上述幾種主要的淤泥建材化資源再利用方法中，制造陶粒和燒結(jié)磚需要消耗大量的燃料資源，制造成本較高；在利用淤泥固化土壤的工藝中，受淤泥本身性質(zhì)限制與固化土層強(qiáng)度的要求，通?？蓳郊拥挠倌嗔糠浅Ｓ邢?。淤泥的建材化資源再利用的根本目的是為了變廢為寶，解決淤泥的處理以及由此可能產(chǎn)生的環(huán)境污染問(wèn)題。因此本研究探究一種經(jīng)濟(jì)低耗、淤泥使用量多的工藝來(lái)處理淤泥具有顯著的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 原材料及表征方法

2.1.1 淤泥

本實(shí)驗(yàn)所使用的淤泥取自福建省福州市白馬河，平均含水率經(jīng)測(cè)試為40%，其淤泥主要化學(xué)組分和主要物質(zhì)構(gòu)成分別采用XRF（X 射線熒光光譜分析）和XRD（X 射線衍射）測(cè)得，其結(jié)果如表1 和圖1 所示。

由圖1 分析可知，淤泥中主要含有石英、白云石等主要礦物，其中還包含少量有機(jī)物。且從衍射峰可以看出，石英的吸收峰較為尖銳，表明淤泥火山灰活性較弱。

2.2 配合比篩選

表1 淤泥樣品XRF 成分分析

圖1 淤泥樣品XRD 檢測(cè)圖

為提高凈漿的工作性能，有利于后期試驗(yàn)淤泥的加入，實(shí)驗(yàn)中所選用的基本體系為堿粉煤灰水泥體系，基本配合比確定各物質(zhì)的質(zhì)量關(guān)系如下：水泥：粉煤灰=1：3；實(shí)驗(yàn)選用苛性鈉、水玻璃、硫酸鈉、碳酸鈉等試劑作為活性激發(fā)劑經(jīng)多次試配測(cè)試，并綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本因素，最終選用硫酸鈉作為本實(shí)驗(yàn)主要的激發(fā)劑，摻量依次取0、3%、5%和7%。

2.2.1 水膠比確定

水膠比是指配方中水與膠凝材料（水泥+粉煤灰+硫酸鈉）的質(zhì)量之比。所有實(shí)驗(yàn)試塊組都摻入不同量的硫酸鈉，當(dāng)摻量為7%時(shí)，試塊均會(huì)發(fā)生開裂現(xiàn)象。如下圖2 所示。

圖2 S7/0.4 組試樣開裂圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，水膠比為0.4、硫酸鈉為0、3%和5%的配方流動(dòng)性一般，試塊能正常凝結(jié)硬化。但當(dāng)硫酸鈉摻量為7%時(shí)，試塊出現(xiàn)了開裂至完全損壞的現(xiàn)象，為了解決開裂并防止加入淤泥后流動(dòng)性較差的問(wèn)題，因此提高配方水膠比。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)基本組水膠比為0.6 時(shí)試塊具有更加良好的流動(dòng)性，且無(wú)開裂現(xiàn)象。

2.2.2 激發(fā)劑摻量確定

將研究對(duì)象確定為“S*/0.6”（S*/0.6中“S”代表堿激發(fā)劑為硫酸鈉，“*”代表不同的硫酸鈉摻量，“0.6”代表水膠比為0.6.），探究不同硫酸鈉摻量對(duì)試塊強(qiáng)度的影響，具體結(jié)果如圖3 所示。

由圖3 可知，激發(fā)劑硫酸鈉的摻量為3%，試塊各齡期的強(qiáng)度均為最高。在硫酸鈉摻量小于3%時(shí)，試塊強(qiáng)度隨硫酸鈉摻量的增加而提高；當(dāng)硫酸鈉摻量大于3%時(shí)，試塊強(qiáng)度隨硫酸鈉摻量的增加而降低。故確定以硫酸鈉為激發(fā)劑的最佳摻量為3%。

圖3 基準(zhǔn)組試塊強(qiáng)度/齡期變化點(diǎn)線圖

2.2.3 配合比確定

現(xiàn)以膠凝成分質(zhì)量的40%稱取淤泥，代替對(duì)應(yīng)質(zhì)量的膠凝組分。外加水質(zhì)量為所需水質(zhì)量減去淤泥中所含的40%的水質(zhì)量。所得配方（含對(duì)照組配方）如下表2 所示。

表2 淤泥試塊配方 %

圖4 基準(zhǔn)組和淤泥實(shí)驗(yàn)組試塊強(qiáng)度/齡期對(duì)比柱狀圖

由上圖4 可知，摻加淤泥代替膠凝組分所制得的試塊強(qiáng)度明顯下降，其中28 天抗折強(qiáng)度下降了37.8%，抗壓強(qiáng)度降低了78.3%。

3 微觀分析

3.1 S7/0.4 組開裂機(jī)理原因分析

對(duì)S7/0.4組的開裂試塊粉末進(jìn)行SEM 電鏡和XRD 測(cè)試掃描測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果分別如圖5 和圖6 所示。

圖5 S7/0.4 試塊SEM 電鏡掃描圖

由圖5 的SEM 掃描電鏡圖可知，S7/0.4組試塊反應(yīng)產(chǎn)物有生成大量針狀物質(zhì)。結(jié)合圖6 的XRD 成分分析可知，S7/0.4組試塊由于加入了過(guò)量的硫酸鈉，反應(yīng)體系中硫酸根離子濃度急劇上升，與水泥中以及水泥水化過(guò)程中的產(chǎn)生的Al2O3和Ca（OH）2等組分發(fā)生急劇化學(xué)反應(yīng)，生成了大量的鈣礬石［8］，反應(yīng)式如下（1）：

鈣礬石是造成水泥體積不安定性的重要因素之一，由于生成鈣礬石導(dǎo)致體積膨脹產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力大于試塊本身所能承受的最大應(yīng)力［9］，最終導(dǎo)致試塊開裂。

圖6 S7/0.4 試塊XRD 檢測(cè)圖

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，相同的硫酸鈉摻量，通過(guò)增大水灰比可以有效防止開裂。這是因?yàn)楦咚z比試塊中的各種膠凝分子的致密程度要大于低水膠比試塊中分子的致密程度，具體如圖7（a）、（b）所示，這使得試塊中生成同樣多的鈣礬石、也產(chǎn)生膨脹內(nèi)應(yīng)力的基礎(chǔ)上，有更多的富余空間來(lái)抵消開裂所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，從而減少了開裂。

圖7 不同水灰比下淤泥SEM 掃描電鏡對(duì)比圖

3.2 淤泥試塊強(qiáng)度變化機(jī)理分析

由之前材料的性質(zhì)表征（XRD、XRF 等）可以看出，淤泥本身火山灰活性非常弱［10］，利用淤泥來(lái)代替膠凝組分必然導(dǎo)致水化產(chǎn)物分子間的膠凝效果變差，最終導(dǎo)致強(qiáng)度下降。

4 結(jié)論

（1）在利用硫酸鈉為激發(fā)劑時(shí)，當(dāng)硫酸鈉摻量小于3%時(shí)，試塊強(qiáng)度隨激發(fā)劑摻量增大而增大；當(dāng)硫酸鈉摻量大于3%時(shí)，試塊強(qiáng)度隨激發(fā)劑摻量增大而減小。所以硫酸鈉為激發(fā)劑時(shí)最佳的摻量為3%左右。

（2）加入過(guò)量的硫酸鈉會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)生成大量的鈣礬石進(jìn)而導(dǎo)致試塊開裂。而提高配方的水膠比可以有效減少試塊的開裂，這是因?yàn)榇笏z比的配方在水化反應(yīng)后分子間有更多富余的空間能有效抵消鈣礬石膨脹應(yīng)力造成的破壞。

（3）在利用淤泥來(lái)替代膠凝材料的過(guò)程中，試塊的強(qiáng)度發(fā)生了顯著的下降。因?yàn)橛倌嗄z凝活性較低，加入的淤泥沒(méi)有膠凝作用較弱，而膠凝組分的含量減少，試塊內(nèi)部分子間膠凝效果變差，強(qiáng)度降低。