浅述疏浚淤泥的固化技术

李正昊 季晓檬（江南大学环境与土木工程学院，江苏 无锡214122）

1 前 言

我国幅员辽阔，河流湖泊众多，因此而产生的疏浚淤泥的数量也是一个极大的数字，所以疏浚淤泥的处理和合理应用是我们必须要面对的一个很现实的问题，因此这是一个有很大使用和发展价值的创新环保领域。

我国对淤泥利用的研究起步较晚，但在西方的发达国家中，早就重视起了对淤泥固化的各种研究，并且在实际生活中也有较好地应用。例如：英国、荷兰、法国、瑞典和澳大利亚等国家，早在20世纪80年代末就开始利用淤泥为主要原料，制造高效净化燃料，其热值比普通煤高出30%，而且燃烧过程中不会排放出有害气体。德国目前已有5家淤泥收集、处理工厂，每年处理淤泥300万吨。在日本，淤泥已被用来生产各类建筑材料，以淤泥为主要原料制成的砖块透气性好，重量轻，容易制出不同的色彩，很适宜用于建筑物的装饰，已成为国际市场的畅销货[1]。

淤泥因为本身含水率过高、力学性能较差等原因，必须通过合理的固化处理，将上述两种弊端很好的解决掉，才能投入使用。一般情况下，固化之后的淤泥可作为土建原材料，在生产建筑材料的领域内得到利用。本文浅要论述国内现存的主要的淤泥固化技术。

2 淤泥及其固化

淤泥是粘土矿物等细小颗粒在粒间静电力和分子引力的作用下, 经物理化学和生物化学作用，在海洋或湖泊地区等缓慢或静止的流水环境中发生沉积所形成的絮状和蜂窝状结构物，是各种胶体有机质及其吸附的金属元素、微生物病菌、虫卵等物质的综合固体物质[2]。主要的化学成分包括：SiO2、Al2O3和其他一些碱金属氧化物。

淤泥固化就是指：在淤泥原料中加入各种固化材料，通过搅拌、加热烧结等操作，极大地降低含水率，使材料获得足够的强度。目前我国主要的淤泥固化方法有：利用固化剂固化淤泥。最为传统的固化剂是水泥，近年来国内也逐渐开展了较多关于新型固化剂固化淤泥的研究，特别是针对利用工业废料，如矿渣、粉煤灰等作为固化材料的研究[3]-[4]。除此之外，对淤泥的固化处理还有物理脱水固结法和高温烧结法。这三种固化方向是国内对淤泥进行固化处理的主要研究方向。

2.1 水泥固化

作为最早投入使用的固化材料，水泥的固化效果，特别是对淤泥材料强度的增强效果已经得到了大众的认可，针对利用水泥固化淤泥的研究也较多。一般认为水泥固化淤泥的强度主要来源于两部分水化物的胶结作用，即水泥本身水化产物的胶结作用和水泥水化时产生的 Ca(OH)2与淤泥中活性物质之间的硬凝反应所产生水化物的胶结作用[5]。其中前者构成水泥土强度的主要部分。

2.1.1 水泥固化效果的影响因素

影响水泥固化淤泥效果的因素很多，实验研究表明，比较主要的因素有：水泥的掺量、养护龄期、淤泥的初始含水率、水泥的标号等[6]-[8]。

水泥掺入量的确定十分重要，水泥加入过多或过少都会对加固效果产生影响。研究指出水泥加固的淤泥抗压强度随水泥掺入量的增加而增长，但超过一定掺入量后又会呈下降趋势[9]。朱伟等人的研究表明，水泥的掺量也同时存在一个最低值，当掺入水泥量少于该值时，水泥基本没有固化效果。并且得出了水泥掺量与强度之间的一个定量关系式：qu=k(ac-a0)[6]。式中ac为水泥掺加量；k为水泥固化系数，反映出水泥固化的效果好坏；a0为最低水泥掺加量，当水泥掺加量低于a0时，固化土几乎没有强度。根据这个关系式，对一种淤泥和水泥只要进行几组配比试验，就可以确定出k和a0，进而对实际工程进行有效的指导。

养护龄期对抗压强度影响的表现为：对于不同的水泥掺量，强度并不与养护龄期线性关系，当水泥掺量较少时，强度随龄期增大而增大的速率较小；当水泥掺量较大时，强度增大的速率较大。

研究发现，固化淤泥的无侧限抗压强度随淤泥含水率的增加呈乘幂关系下降，随着初始含水率的增加，固化淤泥的塑性增加，破坏应变增加，而黏聚力降低。随着初始含水率的增加，水分过多导致水化产物在单位体积中的数量较少，难以形成整体强度。在实际工程中，应在满足固化搅拌的施工要求下，尽量降低淤泥的初始含水率以取得较好的经济效益[7]。

2.2 复合固化材料固化

单纯使用水泥进行淤泥固化，存在着很多的弊端，如固化后的材料水稳定性差、加工成本较高等，所以在现在的研究实验中，开始越来越多地关注加入各种辅助固化材料的复合固化剂。与仅使用水泥的固化材料相比，复合固化材料能提高固化效果，大幅度节省水泥的用量。目前研究表明，添加后效果较为优良的有二灰（粉煤灰、石灰）和矿渣。使用这些工业废弃物作为固化剂，在达到预期目的的同时还能起到环保的作用。但是，添加到淤泥中的辅助固化材料种类不应太多、太复杂，因为固化材料的复杂化必然会增加原料的复杂性和应用的局限性[10]-[15]。

2.2.1 粉煤灰及矿渣的使用

周旻等人通过对湖底淤泥的实验研究认为，灰渣胶凝材料能代替传统固化基材对淤泥进行常温固化处理，固化块的强度、机械性能、抗冻、融性能和耐干、湿性能均满足护坡砖的要求，能用于生产建筑用砖[10]。他们所介绍的灰渣胶凝材料，是一种添加了辅助固化材料的复合型固化材料，其主要成分有：矿渣、脱硫灰渣、石灰、高钙灰等无机工业废料。灰渣胶凝材料能够显著改善固化材料与淤泥反应生成的胶凝物质的性能，同时磨细灰渣对淤泥孔隙的填充效果，又能有效地降低淤泥土的孔隙率。胶凝材料的特性改善以及材料的孔隙率降低都能够很好的提高固化后的淤泥的性质，所以经该材料固化后的淤泥，在前中后期均有较高的强度。

张春雷[12]等人的研究实验第一次利用国产大型淤泥固化处理专用设备和复合型淤泥固化材料，对疏浚出的底泥进行了固化处理和筑堤试验，探索经固化处理之后的淤泥材料的强度、变形、渗透系数等力学性质指标。其实验中应用到的复合固化材料仍是以水泥为主，辅助固化材料为粉煤灰和石膏。使用此种方法处理的淤泥，在强度等方面上可以满足堤防填土的填筑要求。

张大捷[13]等人的研究表明，矿渣在被激发之后，水化产物除了与硅酸盐相同C-S-H凝胶外，还生成高强度、难溶解的沸石类矿物。他们认为矿渣固化淤泥的机制同水泥相一致，但是效果优于水泥的原因可能有以下两点：1、矿渣胶凝材料比水泥材料更细，在参与反应的过程中比表面积也更大，反应会更彻底。2、从水化产物上来看，两者都相同的C-S-H凝胶，但矿渣胶凝材料的水化产物中还出现了斜方硅钙石和白钙沸石，这些细微晶体的强度很高，而且有着极为稳定的热力学性质，同时又极难溶于水，对最终的材料的强度和水稳定性有着十分有利的作用。兰凯[14]等人的实验则分析了混合固化剂掺入比、矿渣占固化剂的质量比和龄期及其交互作用对抗压强度的影响，通过实验建立了具有可信度的模型，最后通过分析得出：矿渣占混合固化剂的质量比在一定区间内(40%～70%)对固化强度的增强效果显著，推荐质量比为65%，这对以后的实验研究和实际生产具有极大的指导意义。

3 其他固化方法

前文中提到，淤泥固化的方法有固化剂固化、物理脱水固结及高温烧结三种方法。第一种方法应用范围最广，前文也进行了相关的介绍。而后两种方法因适用范围、经济性等原因，还没有得到广泛的应用，所以本文对此两种方法只是略作介绍。

3.1 物理脱水固结法

脱水固结是指采用自然风干、离心分离或外力挤压等方法将淤泥孔隙中自由水和吸附水部分或全部脱离出来，使黏土颗粒黏结成密实状态。脱水固结处理方法包括自然风干脱水、机械脱水、堆载预压排水固结等[16]。

物理脱水固结法有一个最大的弊端就是，经此方法处理过的淤泥仍然会具有污染性，因为该方法只是用简单的方法将淤泥中的水份除去，并不会处理到淤泥中各种化学成分，特别是对高污染的淤泥，还必须进行第二次的化学处理，无形之中还是增大了淤泥固化处理的成本。因此次方法的适用范围并不广。

3.2 高温烧结法

高温烧结处理是通过高温处理，使疏浚淤泥脱水，有机成分分解，颗粒之间黏结，或无机物发生熔解，然后再通过冷却，使得淤泥熔合成具有相当强度的固体颗粒。高温烧结法处理的淤泥材料在轻质陶瓷、制砖、熔融微晶玻璃生产等方面都有着很好的适用性，是将淤泥资源合理应用的重要途径，因此开始逐渐引起国内外的高度重视。

高温烧结法固化后的淤泥相对于物理脱水法，最大的优势就在于能够有效地减少原材料中的有害化学成分，起到减污的作用。但是，从另一个角度来说，高温烧结法由于需要将材料加热到很高的温度，所以目前来说经济性不如物理脱水固结法。国内外研究者在这种矛盾的情况下，刻苦钻研，也提出了一些行之有效的处理方法，比如，在进行高温烧结时添加有效的助熔剂，或者对淤泥材料采用低温快烧的方法[17]。从长远的角度来说，高温烧结方法处理后的淤泥在强度性能和质量等方面都要优于其他方法，因此有着更加广阔的应用发展空间。

4 结语

当今世界，各种资源危机已成为迫切需要解决的一大问题，我们应当想方设法将一些目前尚处于被废弃地位但又有广阔利用前景的资源都利用起来。有关环保专家认为，淤泥经固化处理后，可用于市政道路、堤防加固、路基填方工程和建材原料等，不但可有效解决淤泥长期堆放占地和二次污染问题，还可以避免砖瓦窑厂大量挖废耕地、非法取土，缓解城市建设中土方缺口问题[18]。

同时，在固化淤泥的过程中添加各种工业废料作为固化剂，既能改善固化效果、得到更好的实验成果又能够起到环保和废物再利用的作用。这一变废为宝的环保型技术，形成了一个前景广阔、可持续发展的淤泥资源循环综合利用的环保产业，市场前景十分广阔。对创建节约型社会，改善江河湖泊的生态环境和水利治理，有着极为深远的意义。因此，淤泥的固化利用值得我们投入足够的研究精力。

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