河湖疏浚底泥的固化处置技术研究进展

彭旭更，胡保安

（1.中交天航南方交通建设有限公司，深圳518040；2.中交天津港航勘察设计研究院有限公司，天津300450）

河湖疏浚底泥是一种高含水率的工程垃圾土，其颗粒细小，有机质含量高，处于流动状态，几乎没有强度，不能直接为工程所用［1］。固化技术源于20世纪50年代被用于处理放射性固体废弃物，并在近年来被广泛的应用于污染土的处理处置。面向河湖环保疏浚工程产生的大量底泥，固化处理可以将其转化为工程性质良好的工程用土，是实现其有益利用的一个重要方向［2］。

1 河湖疏浚底泥固化机理研究现状

目前，通过在底泥中加入水泥类固化材料或石灰类固化材料，进行混合搅拌，是一种相对成熟的固化工艺。黄新［3］、李俊才［4］、李文斌［5］、王星华［6］、荀勇［7］、Hirokazu［8］、Yin［9］、Masaharu［10］、Diamond［11］、张春雷［12］等分别利用扫描电镜、X-射线衍射以及水分转化的角度成分分析对固化机理进行了研究。根据原理侧重点的不同，主要有3种机理，即基于固化剂与底泥的物化反应机理、水分转化模型机理和骨架构建模型机理。

1.1 基于物化反应机理的研究

疏浚底泥呈流动态几乎没有强度，固化后其强度主要来源于水化产物的作用。泥浆体的水分有不同的存在形式，其中强结晶水以OH-状态存在，并占有晶格上的固定位置，脱水过程将使晶格遭受破坏，结合力极强。该机理下的固化过程是固化类材料与水反应形成水化产物从而起到加固的作用，其中主要会发生以下3种反应。

（1）水化反应。当水泥类材料接触到水分时，发生水化反应生成各种水化产物，当有石膏存在时还会生成钙矾石结晶物质。如硅酸三钙的水合反应、铝酸三钙的水合反应等。部分反应如下

（2）离子交换反应。石灰加到底泥中时会与水发生水化反应生成Ca（OH）2可以吸收大量的水分并放热。熟石灰中的Ca2+会与粘土矿物上结合的Na+、K+离子进行交换吸附（图1）。置换出低价的Na+或K+，可以减少电荷吸附水膜的厚度，使土颗粒变得密实。

（3）碳酸化反应。水化产物中游离的氢氧化钙能吸收水和空气中的二氧化碳，发生碳酸化作用，生成不溶于水的碳酸钙，这种反应也能使固化土增加强度。

1.2 基于水分转化模型机理的研究

对底泥固化过程中的水分转化原理进行分析（图2）。底泥在没有加入固化材料时，底泥中的水分可以分为三部分：矿物水、结合水和自由水。当加入固化材料发生水化反应后，假定土颗粒本身含有的矿物水量和结合水量不发生变化，那么在加入固化材料并发生水化反应后，发生变化的只是土孔隙中的自由水的量，这部分自由水一部分由于固化材料释放热量而蒸发到空气中，一部分转化到水化产物中。

同时该机理还表明：（1）固化底泥的破坏模式由塑性向脆性转化，固化底泥的脆性与结合水的量有关，由塑性向脆性的转折点出现在水化产物中的结合水量增长率开始减小的点；（2）固化底泥的无侧限抗压强度、变形系数、屈服应力和粘聚力都与水化产物中的矿物水量和结合水量有关系，随二者的增加而增加。固化底泥的破坏应变、变形系数、初始孔隙比都随水化产物中的矿物水量和结合水量的增加呈递减关系。

1.3 基于骨架构建模型机理的研究

骨架构建模型机理主要包括固化对底泥的骨架支撑效应和填充效应。其中，骨架支撑效应是指固化材料中的硅酸钙类、铝酸钙类和铁铝酸钙类等与水发生如下水解和水化反应，当各种水化物生成后，有的自身继续硬化，与周围土颗粒相结合，形成骨架，有的则与周围具有一定活性的粘土颗粒发生反应，也参与形成一定量的骨架。固化对底泥的填充效应主要由于混凝反应产生，在水化反应中，在产生胶体形成骨架的同时，随着水化反应的深入，溶液中析出大量的钙离子，当其数量超过离子交换需要量后，在碱性环境中，能使组成粘土矿物的二氧化硅及三氧化二铝的一部分或大部分与钙离子进行化学反应，逐渐生成不溶于水的结晶化合物，这些结晶产物的产生，对底泥间的大量孔隙产生填充作用。

2 固化底泥工艺影响要素及调整

2.1 固化剂的主要种类

传统的固化材料包括水泥、石灰单独使用或者在其中加入一些工业废料如粉煤灰、高炉矿渣、钢渣、碱渣、废石膏，或者膨润土、水玻璃、硅粉、木质素磺酸钙等材料而得到的复合型固化材料。常见固化材料的主要成分和来源（表1），从表1可以看出传统固化材料的主要成分都是CaO，SiO2，Al2O3，Fe2O3，MgO，FeO等材料的混合物或者化合物。

表1 常用传统固化剂的分类与来源Tab.1 Classification and source of commonly used solidifying agent

另一方面，科研人员开发了新型固化材料，它是指各种专用固化剂如液态、高分子、纳米材料等。研究表明，新型固化材料固化效果一般优于传统固化材料，但是成本较高，只适用于处理量较小的特殊地基。对于大量疏浚泥的处理，有必要研究更加经济有效的固化材料。

2.2 有机质含量对固化底泥的力学性质的影响

（1）有机质对土的性质的影响。土的液、塑限随着土中有机质含量的增加会增大，只有当土中的有机质含量到达一定量时，土的液、塑限才会随着有机质含量的增加而增大。一些研究表明，对液、塑限有着显著影响的最小有机质含量为3%～4%。有研究认为影响软土性质的有机质除了腐殖酸之外，微生物也是土中的有机质重要组成部分，并把它们总称为蛋白质，在此基础上通过试验得出随着土中蛋白质总量的增加，土的液、塑限会增大，压缩性也会随蛋白质总量的增高而明显增大而土的抗剪强度随着蛋白质的增加而迅速下降［13］。

（2）有机质对固化不利效果的对策措施。土中的有机质减缓了水化产物的生成，因而对加固土的强度造成了影响。对于有机质土采用固化材料进行加固，通过在固化材料中掺加适量的外掺剂能大大提高加固土的强度，而具体对于某地的土，在选用外掺剂时，不但要考虑有机质对加固的影响，同时还要综合考虑土的其他性质，如含水率等对水泥加固的效果影响。

杨绍清等［14］在对几种不同地点的有机质含量较高的软土制成的水泥土，分别加入石膏和SN-210A复合添加剂，得出在水泥掺加量15%的基础上掺入水泥重量3%的石膏可以使水泥土强度提高1.5～2.2倍。在水泥掺加量为12%的基础上掺入1.5%的SN-210A复合添加剂同样可以使水泥土强度增加2～3倍。在水泥中掺加适当比例的石膏、水玻璃、粉煤灰、PLC复合添加剂可以提高软土的加固效果。有机质含量对水泥水化产物量的影响存在一个影响的极限含量，对于水泥掺加量为100 kg/m3试样，影响极限含量值为3.62%，对于水泥掺加量为200 kg/m3试样，影响极限含量值为5.89%，在极限含量以内，随有机质含量的增加水化产物量减少，超过极限含量后水化产物量随有机质含量增加保持稳定，这与有机质含量对固化底泥强度的影响规律是一致的。

2.3 固化材料掺加量对固化底泥力学性质的影响

张春雷等研究了水泥掺加量对固化底泥强度的影响［12］，研究结果表明水泥掺加量存在一个最低值，当水泥掺加量小于这个最低掺加量时，水泥对于底泥就没有固化效果，并通过对固化底泥无侧限抗压强度与水泥掺加量的关系曲线进行拟合，得到以下关系式

式中：qu为无侧限抗压强度，kPa；k为固化底泥的固化系数，kPa/（kg/m3）；aw为水泥掺加量，kg/m3；ap为水泥最小掺加量，kg/m3。

2.4 土的含水量对固化底泥的力学性质的影响

周承刚等［15］通过试验研究了土中含水量对固化底泥力学性质的影响，研究表明随土中含水量的增加，固化底泥强度会呈下降趋势。《地基处理手册》［16］中给出：土样含水率每降低10%，水泥土的无侧限抗压强度提高10%～30%。汤怡新、朱伟等人通过大量的试验，总结出水泥土无侧限抗压强度与土样含水率之间的关系式

式中：qu、k、aw、ap与式（4）意义相同；w 为土的含水率，%；Gs为土粒比重，无量纲。

2.5 养护龄期对土力学性质的影响

水泥土的强度随着龄期的增长而增大，相关试验认得出T在15～90 d区间时，水泥土的无侧限抗压强度试验与龄期间存在如下关系式

式中：qu1为养护龄期为T1（d）的水泥土的抗压强度；qu2为养护龄期为T2（d）的水泥土的抗压强度。

2.6 粘粒含量对底泥固化效果的影响

在我国的内河、湖泊环保疏浚工程中，疏浚吹填的多为含有大量有机质的粘性土，粘粒含量对底泥固化效果的影响主要有以下几点：

（1）对于某个水泥掺入量，存在一个适宜粘粒含量C，即当粘粒含量高于或低于C时，固化底泥都不能达到最大的强度。但是在水泥掺入量比较低时，固化底泥无侧限抗压强度随着粘粒含量的增加而增加，说明此时粘粒含量的增加对固化效果是有利的，但此时水泥掺入量和固化底泥的强度都已经低于工程实用的范围。因此在工程应用范围内存在一个适宜的粘粒含量C，粘粒含量为C的固化底泥具有最大的无侧限强度和最小的破坏应变。龄期对C没有影响，C随着水泥掺入量的增加而增加，其关系可视为直线相关。

（2）固化底泥的凝聚力随着粘粒含量的增加呈先增加后减小，最大的固化底泥对应的粘粒含量与相同水泥掺入量下的C一致，这反映了固化底泥颗粒之间的胶结作用，表明当出现最优胶结作用时也存在着适宜的粘粒含量，这一值与取得最大无侧限抗压强度的值一致。而内摩擦角则随粘粒含量的增加一直呈递减的趋势，这说明随着粘粒含量的增加，固化底泥中团粒体的粒径变小，固化底泥的咬合、摩擦作用也有所减小。

（3）底泥中结合水的数量随着粘粒含量增加呈线性增加关系。加入水泥后，底泥中结合水转化量随粘粒呈先增加后减小的变化趋势，说明粘粒含量主要通过影响水泥的凝胶态水化产物的数量从而影响固化土的强度。同时，也在一定程度上证明了从水分转化的角度进行机理的研究是适合的。相关研究表明，由于粘粒含量的不同，固化底泥的无侧限抗压强度相差可达4倍以上，在底泥固化处理的实际工程应用中，可根据底泥中粘粒含量的多少，进行合理的材料设计，达到最优的技术、经济效果。

3 固化工艺的工程实践与经验

将底泥固化处理后作为填土材料使用的研究在国外较多，如日本伏木富山港疏浚填海工程、新加坡“长基”国际机场第二跑道工程等。在我国现场应用则刚刚起步，如朱伟等［17］在深圳盐田港中港区三期工程进行了现场试验研究，均取得了良好的效果。在现场试验中发现，现场搅拌固化土的强度也是随水泥掺加量的增加呈线性增长，但现场强度比实验室试验强度有10%～50%的折减。曾科林［18］等分别进行了固化淤泥的现场水下和陆上浇筑试验，分析比较了2种浇筑情况下固化淤泥的强度、变形以及填筑地基的承载力。试验结果表明，水下浇筑时只要控制好固化淤泥中的水不离析，反而能促进固化淤泥后期强度的增长。固化后的疏浚底泥强度及现场操作方式受多种因素决定，在工程实践中总结如下经验：

（1）对于不同初始含水率、水泥添加量和养护龄期的固化底泥，其体积变化率总是随底泥含水率逐渐减小而逐渐增大，亦即其体积随着含水率的减小而减小，并最终趋于一个稳定值，即初始含水量越大固化后的体积收缩也越大，给后续资源化利用带来不便。

（2）初始含水率越高的固化底泥，其最终稳定后的体积越小，即其最终的体积变形较大；而初始含水率对固化底泥的收缩比影响不明显。

（3）对于水泥添加量较高的固化底泥，其体积变化率较小，从而导致其最终稳定后的体积较大；其水泥添加量越高，收缩比越小，水泥添加量的增加能够降低体积变化对含水率变化的敏感性。

（4）随着养护龄期的延长，固化底泥的体积变化率逐渐减小，其收缩比也逐渐减少。

（5）水泥与底泥（软土）的搅拌时间愈长，拌和程度愈高，则水泥土的强度愈高。试验结果显示，水泥与土的搅拌时间至少要3～5 min，如能达到10 min左右更理想。水泥拌和程度与原料土的软硬状态、水灰比以及机械搅拌的方式有关。

（6）疏浚底泥若呈碱性（即pH＞7），水泥土抗压强度会增大；反之，对酸性土则水泥的固化效果会降低。对有机物含量较大的土壤，使用通常的水泥固化效果往往不佳。原料土的颗粒构成也对水泥土的强度有明显的影响，但情况比较复杂。实践表明，水泥的种类与原料土种类之间存在着组合是否合适的问题。

（7）环境气温高，水泥土的早期强度增长快，但对长期强度的影响不大。水泥土的强度随龄期的增长而增加，一般会延续至十几年以上。

（8）在水下施工时，若因施工方法不当而引起明显的颗粒分散时，则水泥和土中的细粒会从水泥土中逸脱出来，浮在周围的水体中，这种现象肯定会造成水泥土强度的大幅度下降。

4 结论

无论是港航工程疏浚还是生态清淤疏浚，河湖疏浚底泥的资源化问题已发展成为疏浚领域关注的热点。面临工程用土资源的匮乏，固化处置技术是一个非常重要的解决方向。研究固化过程机理，在传统固化工艺的基础上，开发新型的固化材料，同时创新适合我国工程实践的河湖疏浚底泥固化工艺，不但能够实现环境友好，而且对于资源节约具有非常重要的实际意义。

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