固体废弃物联合水泥固化疏浚淤泥的试验研究

童艳光，王亚伟，张亿凯，齐 添，朱成安

（1、广州环投花城环保能源有限公司 广州510830；2、中国建筑一局（集团）有限公司 北京100161；3、广州环保投资集团有限公司 广州510330；4、上海大学土木工程系 上海200444）

0 引言

淤泥固化是解决疏浚淤泥问题的有效方法，但是影响固化的因素很多，包括淤泥类型、固化剂类型、固化剂掺量、固化方法和固化时间［1-2］。一般的软质淤泥改良固化剂包括石灰、水泥和石膏等，它们都可以极大程度地提高淤泥的强度特性，但同时也存在着消耗不可再生资源及排放大量有害气体的缺点［3］。随着河道疏浚淤泥不断增加，寻找新型实用、环境友好型淤泥固化剂已经成为重要的任务。

天然木质素是一种主要存在于植物的木质部中的有机聚合物，在可持续发展的前景中，木质素被应用到淤泥改良中。Tingle 等人［4］通过一系列室内试验研究了木质素的固化效果，认为木质素可以显著改善淤泥土的强度特性。Ceylan等人［5］研究了木质素作为固化剂固化路基土，并且指出木质素掺量和土体固化后强度并非线性关系。一些研究人员还开展了关于木质素改良土体的改良机理及力学特性研究，指出木质素具有很大的工程应用价值［6-7］。

建筑垃圾与其他固体废弃物不同，具有比重高、可重复利用、价值高、毒性低等特点，它们是清洁的固体废弃物，有很大的回收利用空间。实现建筑垃圾再利用是节约能源、降低成本的重要措施。李行等人［8］认为建筑垃圾可作为路基回填材料，并主要针对混凝土块和砖混结构细集料的强度特性进行了试验研究。马啸等人［9］通过无侧限抗压强度试验研究了废弃混凝土颗粒掺量等因素对水泥土抗压强度的影响。马保国等人［10］利用混凝土、砖以及渣土混合建筑垃圾粉来研究了不同外加剂对建筑垃圾粉掺入水泥的影响。徐宁等人［11］对高速公路基层中的建筑垃圾进行了现场直剪试验，确定了建筑垃圾的力学性能。

草木灰作为优质固化材料，不仅降低固化工程费用，也保护了环境，可作为新型固化材料［12］。Chen 等人［13］指出草木灰可以做辅助固化剂配合主固化剂水泥进行软质淤泥的就地固化，但未进行具体的配比试验研究其强度。彭辉彬等人［14］将草木灰掺入沥青后使沥青改性，将草木灰的进行合理利用，并对改性机理进行了探讨。

综上可知，以往的研究主要集中在传统固化剂在单一或复合固化剂在不同配比下的固化效果，而对一些新型环保型实用固化剂的单一固化效果的对比研究较少。本文采用水泥为主固化剂，红砖粉、混凝土粉、木质素、草木灰为不同的辅助固化剂，对疏浚淤泥进行固化处理，通过电镜试验、含水率测试、直剪试验、无侧限抗压强度试验以及固结试验，对固化效果进行对比，得出固化效果最优的辅助固化剂，为以后的固化工程提供良好的工程经验。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

本研究使用的河道疏浚淤泥来自温州市温瑞塘河，疏浚淤泥的初始颗粒级配曲线如图1 所示，由于70%以上的淤泥颗粒大于0.01 mm，所以该河泥主要是由细粒粘土构成。按照《岩土工程试验方法与准则：GB/T 50123—1999》对淤泥进行了基本物理性能指标的测试，疏浚淤泥的指标如下：含水率w=105%，比重=2.65，湿密度=2.38 g/cm3，液限=56%，塑限=32%，塑性指数IP=24，pH=8.1。

图1 疏浚淤泥的初始颗粒级配曲线Fig.1 Grain Distribution of the Original Dredged Slurry

本研究使用的主固化剂水泥由当地水泥厂家提供，建筑垃圾粉取自于房屋拆迁留下的混凝土块和砖块经过粉碎后筛分，试验选取的建筑垃圾粉以及木质素和草木灰的粒径均为0.16 mm。

1.2 试样制备

在本研究中，水泥作为主固化剂，对固化淤泥的强度起主要作用，添加其他4种固化剂为辅助固化剂，来加快强度的增长速度和增大固化淤泥的最终强度。在制备固化淤泥土样时，将疏浚淤泥、水泥、辅助固化剂一起加入到模型桶中，然后用微型搅拌机充分混合，混合后的淤泥土样应在10 min 内尽快制作完毕，避免混合物硬化难以操作。将土样装入模型盒每一层时，模型盒都要在振动台上振动5 min，保证试样均匀，没有气泡，要装入下一层时，用刮刀在土样接触面刮出毛面，以此保证层与层之间接触紧密，待3层装入完毕后，用塑料薄膜进行封膜处理，静置24 h后，方可进行下一步具体制样环节。

在进行无侧限抗压强度试验时，需要把土样制成圆柱型试样，在圆柱形模具内壁用凡士林涂抹均匀后分层倒入固化淤泥。每次装入淤泥后需在振动台上振动5 min，然后用密封膜将模具密封24 h，待试样具有一定强度后除去密封膜，最后将试样从模具中取出放入养护箱中。

在进行直剪试验和固结试验时，首先采用凡士林在环刀内壁均匀涂抹，然后用环刀对闷料好的淤泥土样进行切样，制样完成后放在恒温恒湿养护箱中进行养护。

固化淤泥试样在进行电镜扫描（SEM）前需要完全干燥，故采用液氮冷冻真空升华干燥制备试样。将固化后的淤泥试样切割成1 cm×1 cm×1 cm 的切片，并在试样上划浅痕方便后期取面扫样，在切样过程中要保持平稳，减小对试样扰动。将切好的试样平稳放置在容器中，然后倒入液氮，使固化淤泥中的液态水快速凝固成固态，以避免游离水膨胀。随后将试样小心取出，放入真空冷冻干燥机中抽真空24 h，随后用飞纳（phe⁃nom）台式扫描电镜仪进行电镜扫描分析试验。

1.3 试验方案

为研究4种辅助固化剂联合水泥对河道疏浚淤泥的固化效果，设置5 组试验，其中MP1 为空白对照组，水泥的添加质量比为5%，其余4组还添加了质量比为5%的不同辅助固化剂，具体试验方案如表1所示。

表1 试验方案Tab.1 Test Schemes

2 试验结果与数据分析

2.1 微观电镜试验及孔隙特征分析

固化28 d 后放大倍数为2 500 倍的固化淤泥试样微观电镜图像如图2所示。从图2中可以看出未掺加辅助固化剂的MP1淤泥试样的微观表面孔隙很明显，网状结构比较膨胀宽松，絮凝性较差，而加入辅助固化剂的MP2～MP5 的微观图像表面更加平整，形成更加致密的淤泥颗粒骨架纤维的交互空间结构，这说明辅助固化剂在改善淤泥固化效果方面起到了促进作用［15］。从MP2～MP5 来看，微观图像中可以看到很多针状钙矾石晶体和很多胶凝物质布满在淤泥试样表面，这也是提高淤泥强度的主要原因。固化过程中固化淤泥试样发生了水化反应和火山灰反应，此时淤泥试样中的孔隙水减少，原来孔隙水的空间被胶凝物质所占据，使淤泥试样颗粒彼此贴合得更加紧密。

从图2 中也可以看 出MP2 和MP3 较MP4 和MP5表面更为贴合紧密，孔隙较小，说明红砖粉和建筑垃圾粉在固化材料间的水化反应更加充分而使淤泥颗粒团块逐渐积累，而联结一起的颗粒团块的纤维状物质与固化淤泥中水化反应形成的胶凝物质相互交叉，连接形成更加稳定的空间结构，说明红砖粉和混凝土粉作为辅助型固化剂有很大的潜力。由于在固化前期，固化效果主要取决于水泥的量，而水泥带来的固化效果是快速的水化反应，后期取决于复合固化剂的火山灰反应，说明红砖粉和混凝土粉所含有的成分在后期发挥了更大的火山灰作用。

图2 微观电镜照片（×2 500）Fig.2 Microscopic Electron Microscope Photograph（×2 500）

为准确地分析固化淤泥试样的微观电镜扫描图像的孔隙分布情况，采用Matlab 编程进行图像二值化处理。不同固化剂组合下的微观电镜照片经过二值化处理后的图片如图3 所示，其中白色区域表示孔隙区，Matlab 通过对微观扫描图像二值化处理后，可以定量地分析出白色区域占据整个固化淤泥试样面积区域的比例关系。

图3 微观电镜照片的二值化图像Fig.3 Binary Image of a Microscopic Electron Microscope Photograph

在进行微观图像二值化处理时，阈值的大小对固化淤泥试样的孔隙比结果影响很大，不同的阈值会混淆孔隙和淤泥颗粒的边界轮廓，采用graythresh 函数求得最佳分割阈值，在此阈值下的二值化图像轮廓更为明确，结果更为准确。可以清晰地看出孔隙和淤泥颗粒区域轮廓明显，并且根据不同固化组的孔隙比可得MP3的固化效果最优，证明了混凝土粉的固化效果最好。

2.2 含水率

含水率反映了固化过程中淤泥试样固化反应的程度以及固化淤泥在力学性能上的变化情况。不同种类的固化剂处理后的固化淤泥试样在不同养护龄期的含水率变化情况如图4所示，由图4可知，固化淤泥试样的含水率随着养护龄期的增加而减小，这说明随着养护龄期的增加，固化过程中固化淤泥中低势能的自由水向矿物水转化的量逐渐增加，结晶产物不断积累，结晶态的钙钒石固化产物逐渐增多，该产物以矿物水的形式被表征，说明固化淤泥的强度随着养护龄期不断增加［16］。

图4 固化淤泥试样在不同养护龄期下的含水率变化情况Fig.4 Changes of Moisture Content of Solidified Silt Samples under Different Curing Ages

其次，养护龄期从第3 d～第14 d 时，MP1～MP5 的含水率分别从94.53%、88.07%、86.06%、90.10% 和96.1%分别下降到79.83%、73.82%、71.78%、76.15%和78.25%，降幅分别为14.70%、14.25%、14.28%、13.95%和17.85%；当养护龄期从第14 d～第28 d 时，MP1～MP5 的含水率分别从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%，降幅分别为10.40%、6.57%、6.46%、7.72%和8.30%，这说明固化淤泥试样的含水率在固化前期阶段下降较快，然后下降速度逐渐变缓，这种现象和固化前期固化淤泥主要发生水化反应的观点一致，也就是说固化反应主要发生在固化过程的前期阶段［17］。从掺加的辅助固化剂来看，由于MP1未掺加辅助固化剂，因此MP1后期的火山灰反应速率极大降低，导致其整个养护龄期的含水率较高；而从MP2～MP5 来看，含水率降低速率为MP3＞MP2＞MP4＞MP5＞MP1，可以看出MP3 的含水率在整个养护龄期中减小的速度最快，这说明混凝土粉跟水泥的复合固化剂的固化效果最好，反映出了固化淤泥试样在掺加混凝土粉为辅助固化剂时固化产物生成量最多。

2.3 直剪试验

疏浚淤泥试样在掺加了不同种类固化剂下的粘聚力和内摩擦角随着养护龄期的变化情况如图5 所示，由图5可知，固化淤泥的粘聚力和内摩擦角都与养护龄期成正相关关系，淤泥的抗剪强度表现在颗粒间联结度，说明随着养护龄期的增加，固化淤泥颗粒之间的联结度增加，表现为整体性更强，不易被破坏。由于添加辅助固化剂的不同，固化淤泥试样的抗剪强度指标也有很大差别，未掺加辅助固化剂的MP1在养护龄期为28 d 时的粘聚力和内摩擦角为20.52 kPa 和19.08°，而MP2～MP5在固化28 d后的粘聚力和内摩擦角分别为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的抗剪强度明显小于MP2～MP5的抗剪强度。

图5 不同养护龄期下粘聚力和内摩擦角的变化曲线Fig.5 Variation Curve of Cohesion at Different Curing Ages

从图5中还可以得出不同辅助固化剂对淤泥固化后抗剪强度的促进程度不同，掺加建筑垃圾混凝土粉和红砖粉的MP3和MP2的抗剪强度增加较大，说明建筑垃圾粉是潜在的固化效果较好的辅助固化剂，其中混凝土粉辅助水泥的固化效果最好。在提高固化淤泥抗剪强度方面，他们之间的机理不同，木质素与疏浚淤泥主要发生了水解反应、质子化反应和静电引力等作用，形成大量胶结性聚合物并填充孔隙，而形成更加稳定致密的固化土［18］。红砖粉和混凝土粉由于其成分包含水泥石粉和一些无定型矿物成分，不仅加速了固化淤泥的水化反应和火山灰反应，还起到很好的填充作用。草木灰很好地发挥了团聚作用和微粒聚作用，提高了固化淤泥的整体性和颗粒间粘聚力，可以得出在淤泥固化中水化反应和火山灰反应是提高淤泥强度的主要原因。

2.4 无侧限抗压强度

固化淤泥试样在不同养护龄期下的无侧限抗压强度的变化情况如图6所示，由图6可知，固化淤泥试样的无侧限抗压强度与养护龄期成正相关关系。在养护龄期从第1 d～第14 d时，MP1～MP5的无侧限抗压强度分别从108 kPa、138 kPa、152 kPa、129 kPa、118 kPa 增加到195 kPa、236 kPa、258 kPa、216 kPa、207 kPa，分别增加了87 kPa、98 kPa、106 kPa、87 kPa和89 kPa；而在养护龄期为第14 d～第28 d 时，MP1～MP5 的无侧限抗压强度分别从195 kPa、236 kPa、258 kPa、216 kPa、207 kPa 增加到236 kPa、277 kPa、305 kPa、260 kPa、248 kPa，分别增加了41 kPa、41 kPa、47 kPa、44 kPa 和41 kPa，从中可以看出，养护后期固化淤泥试样的强度增幅逐渐变小。

图6 不同养护龄期下无侧限抗压强度的变化曲线Fig.6 Variation Curve of Unconfined Compressive Strength at Different Curing Ages

在养护龄期为前7 d时，水泥与水发生化学反应生成氢氧化钠发挥了主要作用，此时消耗了部分水也让固化淤泥有了强度，而辅助固化剂也能与淤泥发生反应生成胶凝物质或者起到填充作用，两者共同为固化淤泥试样快速提供了初始强度。当养护龄期为第14 d～第28 d时，淤泥颗粒作为固化淤泥试样的主要骨架，在水泥和辅助固化剂尚未完全反应情况下，为固化淤泥提供大部分强度。对于MP2～MP5，掺加的辅助固化剂对于提升最终强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 固结试验

由于考虑到固化剂掺加比例、固结压力、固结时间和沉降值等因素组数较多，所以选取了MP3的固结沉降曲线，如图7所示。

图7 MP3试样在不同固结压力下沉降值变化情况Fig.7 The Settlement Value Changes of MP3 Samples under Different Consolidation Pressure

由图7可知，随着固结时间的增加，固化淤泥试样的沉降值先是不断增加而后逐渐达到一个最大值，最终沉降值趋于稳定，表现出在每一级固结压力下，固化淤泥的固结度达到最大，可压缩性最小；也可以得出，随着固结压力从12.5 kPa～1 600 kPa 的不断增大，固结淤泥试样的最终沉降值在不断增加直至不变，此时固化淤泥试样的可压缩性最小。

固化淤泥试样的孔隙比随着固结压力而变化的情况如图8所示。由图8可知，随着固结压力的增加，固化淤泥试样的孔隙比减小至一定程度后保持稳定，表现为固化淤泥试样的不可压缩性；可以得出在1 600 kPa 下MP1～MP5 的孔隙比分别为0.585、0.481、0.470、0.510 和0.557，说明最终固化淤泥试样的不可压缩性为MP3＞MP2＞MP4＞MP5＞MP1，也证实了混凝土粉的固化效果最好。

图8 固化淤泥试样的孔隙比随着固结压力增大的变化情况Fig.8 The Change of Pore Ratio of the Solidified Silt Sample with the Increase of Consolidation Pressure

3 结论

通过室内试验研究了不同辅助固化剂联合水泥对河道疏浚淤泥的固化效果，根据试验结果得到了以下结论：

⑴建筑垃圾粉的固化效果普遍优于其他工业废弃物，作为辅助固化剂的潜力很大，其中废弃的混凝土粉相对于红砖粉在固化疏浚淤泥方面固化效果更好，活性更强。

⑵养护28 d 后掺加混凝土粉的固化淤泥试样含水率下降最快，最终的含水率是65.32%。

⑶养护28 d 后掺加混凝土粉的固化淤泥试样的无侧限抗压强度增加最多，相对于掺加红砖粉的固化淤泥试样提高了10%。

⑷草木灰作为辅助固化剂固化效果一般，但考虑到将草木灰作为固化剂在一定程度上可以增强固化淤泥的最终强度，也可以解决废物污染环境的问题。