河道底泥固化材料正交试验研究★

葛明星 邵 俐

(上海理工大学环境与建筑学院，上海 200093)



·建筑材料及应用·

河道底泥固化材料正交试验研究★

葛明星 邵 俐

(上海理工大学环境与建筑学院，上海 200093)

通过正交试验及无侧限抗压试验，研究了水泥、矿渣、生石灰、沸石对固化底泥强度的影响规律，结果表明：水泥对抗压强度的影响处于主导地位，矿渣对底泥固化的影响相较于水泥处于次要地位，生石灰和沸石对强度的影响效果最差。

底泥，固化材料，正交试验，无侧限抗压强度

各种污水排放、大气沉降将很多污染物带入到水体中，污染物通过物理化学和生物等作用富集于水体底泥，导致河道底泥污染严重。固化/稳定化技术主要是向底泥中添加各种固化材料，通过固化材料与底泥的反应形成完整的固化体，改善废物的力学性，降低其中污染物的溶出从而减少对周围环境的污染。因为水泥具有廉价性、易用性等特点而作为最常用的一种固化材料。水泥的固化机理主要是通过水化反应形成的水化产物将废物颗粒胶结、包裹，形成整体性较好的固化产物，从而可以改善废物的力学性质[1，2]。

通常的办法是在向底泥掺加水泥的同时，掺入辅助添加剂，以减少水泥的用量。常用的辅助添加剂有粉煤灰、高炉残渣、粘土等。目前国内外众多学者基本采用1种～3种材料单独或者混合对污泥固化后的强度进行了研究[3-6]，但较少对3种以上类型的固化材料进行研究分析，所以，本文在添加水泥的基础上，选取矿渣、生石灰、沸石作为辅助添加剂，通过设计室内正交试验，研究了这3种类型固化辅助材料对污泥强度的影响，定性分析了各类材料在固化过程中的作用，为实际工程中材料的选取提供了参考。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

试验所用的底泥取自上海黄浦江某河道处底泥，一般取河底表层0 cm～10 cm的沉积物，在底泥沉积稳定和水流缓慢区域设置采样点，采集后的污泥保存在塑料存储箱内。底泥的主要化学成分见表1。

表1 底泥的化学成分

固化剂采用水泥、矿渣、生石灰、沸石。水泥为42.5号普通硅酸盐水泥。矿渣为上海市某钢铁厂冶炼过程中所产生的并加工而成的超细矿渣粉。固化剂的化学成分如表2所示。

表2 固化剂的化学成分 %

1.2 试验方法

将污泥在自然条件下风干，去除底泥中其他杂质，研磨过100目尼龙筛。

按照设计配比，将水泥、矿渣、生石灰和沸石与底泥充分混合，控制含水量为78%，加入水充分搅拌均匀，将搅拌后的固化底泥分3层装入内径为4.5 cm、高8.0 cm的特制模具内，每层振动2 min后装入下一层。制样完成后将试样置于温度(20±2)℃、湿度大于95%的养护箱中养护至24 h后脱模，继续在相同的养护条件下养护至试验龄期7 d，14 d，28 d，然后测定每组试样的无侧限抗压强度值。

无侧限抗压强度试验设备为微机控制全自动压力试验机，每组取3个试样进行平行试验，当3个样的无侧限抗压强度值误差在±5.0%时，取其平均值作为该配比的无侧限抗压强度值。

1.3 正交试验方案

选取水泥、矿渣、生石灰和沸石为因素，分别以7 d，14 d和28 d的无侧限抗压强度作为考察指标，采用正交表L16(44)，做四因素四水平正交试验。正交试验方案见表3。

表3 正交试验方案

2 试样结果与讨论

固化材料处理后底泥固化土的无侧限抗压强度值和正交分析结果见表4，表5。

表4 底泥固化土的无侧限抗压强度

表5 结果分析表

从表4中可以看出，固化剂中含有矿渣的底泥固化土的无侧限抗压强度随着养护龄期的增加而逐渐增强。在同一龄期，试验号1～4内的无侧限抗压强度呈上升趋势，同理，试验号5～8，9～12，13～16均有此规律。同时随着龄期的增长，固化剂量的增加使得固化块的无侧限抗压强度增长更为迅速，这说明龄期的增长，使得固化剂的固化效果得到了进一步的发挥。

从表5中可以看出，当养护龄期为7 d时，各因素的极差大小排序为A>B>C>D，从而可以确定在7 d的养护周期内，影响固化土抗压强度因素的大小顺序为：水泥>矿渣>生石灰>沸石。各因素的最佳掺入量取Ki最大的水平下的掺入量，因而在7 d的养护龄期内的最佳方案为A4B4C1D1，即为：水泥24%，矿渣16%，生石灰2%，沸石2%。

从养护龄期为14 d的试验结果可以看出，各因素的极差大小排序为A>B>D>C，从而可以确定在14 d的养护龄期内，影响固化土的抗压强度因素的大小顺序为：水泥>矿渣>生石灰>沸石。各因素的最佳掺入量取Ki最大的水平下的掺入量，因而在14 d的养护周期内的最佳方案为A4B4C1D1，即为：水泥24%，矿渣16%，生石灰2%，沸石2%，与7 d的试验结果相同。

从养护龄期为28 d的试验结果可以看出，各因素的极差大小排序为A>B>C>D，从而可以确定在28 d的养护龄期内，影响固化土的抗压强度因素的大小顺序为：水泥>矿渣>生石灰>沸石。各因素的最佳掺入量取Ki最大的水平下的掺入量，因而在28 d的养护周期内的最佳方案为A4B4C1D3，即为：水泥24%，矿渣16%，生石灰2%，沸石6%，与前面两种养护龄期相比，沸石的掺入量有所上升。

由以上分析可得，生石灰与沸石对固化土无侧限抗压强度增长的贡献较小，水泥对固化土抗压强度的贡献最大，矿渣次之。同时，养护龄期为14 d，28 d时水泥对底泥固化土强度提升幅度远大于养护龄期为7 d的固化土。

3 结语

1)采用水泥、矿渣、生石灰、沸石作为固化材料固化河道底泥，通过正交试验得到了各种固化剂对底泥固化土无侧限抗压强度的贡献，水泥对抗压强度的影响处于主导地位，矿渣对污泥固化的影响相较于水泥处于次要地位，生石灰和沸石对强度影响效果最差。2)固化剂的最佳配比方案。龄期为7 d下的最佳配比为：水泥24%，矿渣16%，生石灰2%，沸石2%；龄期为14 d下的最佳配比为：水泥24%，矿渣16%，生石灰2%，沸石2%；龄期为28 d下的最佳配比为：水泥24%，矿渣16%，生石灰2%，沸石6%。通过添加水泥、矿渣、生石灰、沸石，提高了底泥的强度，降低了固化处理的费用。

[1] Mlalmstead M J，Bonistall D F，Van Maltby C.Closure of a nine-acre industrial using pulp and paper mill residuals[J].Tappi Journal，1999，82(2)：153-160.

[2] Kamon M，Inazumi S，Rajasekaran G，et al. Evaluation of waste sludge compatibility for landfill cover application[J]. Soils and Foundations，JGS，2002，42(4)：13-27.

[3] Rachana Malviya，Rubina Chaudhary. Study of the treatment effectiveness of a Solidification/stabilization process for waste bearing heavy metals[J]. Journal of Material Cycles and Waste Management，2004，6(2)：147-152.

[4] 朱 伟，林 城，李 磊,等.以膨润土为辅助添加剂固化/稳定化污泥的试验研究[J].环境科学，2007，28(5)：1020-1025.

[5] 赵乐军，张晓锋，闫澍旺，等.添加生石灰/土、粉煤灰改善污泥填埋特性的研究[J].中国给水排水，2007，23(3)：88-91.

[6] 金 艳，宋繁永，朱南文，等.不同固化剂对城市污水处理厂污泥固化效果的研究[J].环境污染与防治，2011，33(2)：74-78.

Orthogonal experiment study of solidifying materials of sediment from river★

Ge Mingxing Shao Li

(UniversityofShanghaiofScienceandTechnology,SchoolofEnvironmentandArchitecture,Shanghai200093,China)

The effects of cement， slag， lime and zeolite on the strength of solidified sediment was studied by conducting orthogonal tests and unconfined compression test. The results show that cement plays a more important role in enhancing the compressive strength of the sediment compared with slag， while lime and zeolite are least important to the sediment strength.

sediment， solidifying materials， orthogonal experiment， unconfined compressive strength

1009-6825(2016)05-0114-03

2015-12-04★：上海市科学技术委员会重点支撑项目(项目编号：13230502300)

葛明星(1989- )，男，在读硕士； 邵 俐(1969- )，女，博士，副教授

TU502

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