工业废渣复合固化盐渍疏浚淤泥机理及强度研究

彭以舟，杨 洁，陈晓波

(1.浙江交通职业技术学院, 杭州 311112；2.浙江恒立交通工程有限公司,宁波 315192)



工业废渣复合固化盐渍疏浚淤泥机理及强度研究

彭以舟1，杨 洁1，陈晓波2

(1.浙江交通职业技术学院, 杭州 311112；2.浙江恒立交通工程有限公司,宁波 315192)

针对盐渍疏浚淤泥特点，开展磷石膏碱渣、废橡胶粉复合固化盐渍疏浚淤泥机理研究，配制复合固化剂。通过强度试验研究，验证复合固化盐渍疏浚淤泥可用作轻质土路基填料。解决了滨海地区道路建设填料需求，实现了工业废渣的“废物利用”。

工业废渣；复合固化；盐渍疏浚淤泥；固化机理；路基填料

0 引 言

随着海洋经济发展战略的实施，疏港公路、海涂围垦、吹填造陆等建设任务日益繁重，建设任务的实施需要大量性能良好的填料。我国沿海地区河网密布，河网疏浚产生了大量盐渍疏浚淤泥。盐渍疏浚淤泥具有含水率高，流动性强等特点，给疏浚淤泥处置带来较大困难，占用大量处置堆场；盐渍疏浚淤泥还具有盐胀性、溶陷性、腐蚀性和强烈的吸湿特性，给其工程利用带来困难。工业生产产生大量废弃物，如电石渣、磷石膏、高炉渣和碱渣等，不仅占用大量空间，而且污染环境、破坏生态。工业废渣固化高含水率疏浚淤泥研究较多[1-3]，但滨海盐渍疏浚淤泥固化研究较少。为解决滨海地区道路建设中的土石方需求并实现工业废渣的“废物利用”，针对盐渍疏浚淤泥特点，开展了磷石膏碱渣、废橡胶粉复合固化盐渍疏浚淤泥研究，验证了工业废渣废橡胶粉复合固化疏浚淤泥作为轻质土路基填料是可行的。

1 复合固化机理分析

1.1 磷石膏碱渣化学固化

磷石膏、碱渣是高Ca2+基材料[4-5]。疏浚淤泥中黏粒含量较高，工程性质趋同于胶结粉土。疏浚淤泥掺入磷石膏碱渣发生以下作用：

(1)阳离子交换作用。磷石膏中的Ca2+与土颗粒表面的阳离子(如：Na+，K+，H+)发生交换作用，使疏浚淤泥黏土颗粒表面双电层中的扩散层变薄，黏土颗粒相互作用减弱、吸引成团。疏浚淤泥的分散性、坍塌性和亲水性降低，塑性指数降低，因而易稳定成型，形成早期强度，工程性质提高。

(2)胶凝作用。离子交换作用后，疏浚淤泥中硅胶、铝胶与磷石膏进一步反应，形成含水硅酸钙、铝酸钙等水化产物。在水环境下发生硬化，凝胶在土颗粒外围形成粘结力较强的网状保护膜，促使固化淤泥的强度增长并保持长期稳定。同时，保护膜还可隔离水分使固化淤泥获得水稳定性。

(3)碳酸化作用。磷石膏掺入疏浚淤泥后，还会与空气中CO2发生化学反应生成碳酸钙(CaCO3)晶体。而碳酸钙具有较高的强度和水稳定性，对减小疏浚淤泥的触变性和流变性起主要作用。此外，碳酸钙的胶结作用使疏浚淤泥形成石灰类稳定土，具有较高的后期强度。

1.2 废橡胶粉物理改良

废旧轮胎橡胶粉具有自重轻、高弹性、理化性质稳定等特性。比重瓶法测得橡胶颗粒密度为1.25g/cm3，约为土颗粒密度的1/2，因此，用废橡胶粉替代部分原料土，可配制橡胶颗粒轻质土，达到减轻路基自重的作用。

常温条件下橡胶粉理化性质稳定，而且具有高弹性、高韧性和抗冲击性等特点。通过路拌或厂拌处理，废橡胶粉和固化淤泥的黏土基团均匀混合，填充部分淤泥孔隙，使得塑性指数大幅降低，稳定性提高。

从微观上讲，废橡胶粉比表面积大，与基团接触面积大，接触面上摩阻力增加，抗剪强度提高；废橡胶粉中所含约3%的纤维具有较大的表面粗糙度，增大了胶粉与基团的界面摩擦效应。盐渍土基团发生盐胀、溶陷和吸湿反应时，纤维与基团界面产生摩阻力，消耗部分胀缩内力，有效减小盐渍土的胀缩势能，从而有效约束盐渍土基团胀缩作用。另一方面，掺入废橡胶粉亦可以改善抗氯离子渗透性能，减小废橡胶粉的粒径，加大废橡胶粉掺量可更明显降低氯离子渗透性[6]。

2 复合固化剂配制

2.1 试验材料

(1)疏浚脱水淤泥

代表性土样取自杭州湾新区疏浚淤泥吹填堆场，吹填淤泥天然含水率达100%以上，采用快速泥水分离装置分离水份后含水率为40%～55%，呈黑臭状，质地细腻均匀。对土样进行土工试验[7]，表1是杭州湾新区疏浚淤泥的液限、塑限、相对密度等物理特性。

表1 杭州湾新区疏浚淤泥的物理特性

由表1参数可知，疏浚淤泥不能直接作为路基填料[8]，须经技术处理。

(2)工业废渣

磷石膏是磷肥生产过程中产生的工业废渣，目前国内堆存的磷石膏渣已超过1.2亿吨，并且每年仍要产生5000多万吨。磷石膏的堆放会引起土壤、水系、大气的严重污染，但磷石膏中CaSO4·2H2O含量高达90%，是一种可利用资源。本试验磷石膏取自安徽某磷肥厂，天然含水率27%左右，5mm筛余量小于1%，表2是磷石膏的主要化学成份。

表2 磷石膏的主要化学成份(%)

目前,我国氨碱法生产纯碱约300多万吨, 占世界产量的10%。每年产生废液3000多万立方, 碱渣近300万吨 。本试验碱渣取自江西某碱业有限公司，粒径小于3.14μm大于80%,粒径较细,比表面积大,具有胶体性质。表3是碱渣主要化学成分。

表3 碱渣主要化学成分(%)

本试验粉煤灰取自杭州某火电厂湿排低硫高钙粉煤灰，属于Ⅱ级粉煤灰。

废橡胶粉：选用20目废旧轮胎橡胶粉(粒径约0.83mm)，废旧轮胎橡胶粉中约含3%以上的纤维。

2.2 固化剂配制

磷石膏、碱渣作为Ca2+基材料，粉煤灰为辅材，MgO为激发剂。首先将比表面积大于450m2/kg的碱渣与矿渣微粉、粉煤灰进行混磨，然后再加入磷石膏及激发剂进行机械混合，即得到磷石膏碱渣土壤固化剂。通过凝结时间、7d无侧限抗压强度试验确定Ca2+基材料：粉煤灰：激发剂质量比，推荐Ca2+基材料∶粉煤灰∶激发剂=60∶30∶10的配比制成工业废渣固化剂。

试验研究表明：与单一钙基材料相比，复合固化剂具有凝结时间可调、强度高和黏结性好等优点，非常适用于处治滨海氯盐渍软基。

3 复合固化疏浚淤泥强度试验

3.1 室内承载比CBR试验

(1)复合固化疏浚淤泥配合比

在配合比设计过程中，橡胶颗粒与脱水疏浚淤泥按体积比进行配合(堆积体积)。而磷石膏碱渣固化剂与联合固化疏浚淤泥(即橡胶颗粒与脱水疏浚淤泥)按质量比进行配合。

磷石膏碱渣固化剂用量=石膏碱渣固化剂质量/(石膏碱渣固化剂质量+联合固化疏浚淤泥质量)。联合固化疏浚淤泥试验参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)执行，相关的最大干密度和最佳含水率由重型击实试验确定。

(2)最佳含水率和最大干密度测试。根据原材料密度以及轻质材料设计要求，初选脱水疏浚淤泥与橡胶颗粒掺入比，范围介于80∶20与60∶40之间；依据技术经济原则，推荐磷石膏碱渣固化剂掺量变化范围4%～6%。依据不同配合比制作室内测试试样，进行重型击实试验，用以测定不同配比条件下轻质土的最佳含水率和最大干密度变化曲线。

(3) 室内承载比CBR试验

在固化疏浚淤泥拌和过程中，淤泥、固化剂和橡胶颗粒应该按照合理顺序进行投料搅拌。若橡胶颗粒先于固化剂添加，则搅拌过程中橡胶颗粒易被淤泥包裹起来，由于淤泥对橡胶颗粒与固化剂的隔离作用，造成三者间无法发生应有的凝结硬化反应，导致混合物内部薄弱部位增多，强度有所降低。因此，原材料合理添加顺序：脱水疏浚淤泥→石膏碱渣固化剂→废弃轮胎橡胶颗粒。

首先，将称好的脱水淤泥和石膏碱渣固化剂加入搅拌机，开动搅拌机强制搅拌1min以上，至淤泥和固化剂混合均匀时停机。再次，将称好的废橡胶颗粒加入搅拌机，再次强制搅拌1min以上，直至废橡胶颗粒等三者成为均匀的松散状拌和物为止。按《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)进行承载比CBR试验，脱水疏浚淤泥与橡胶颗粒掺入比80∶20，石膏碱渣固化剂掺量4%，压实度96%，击实次数98，室内承载比CBR试验结果见表4。由表4可知，复合固化疏浚淤泥满足公路路基施工技术规范CBR强度要求,可用于各级公路路基填土。

表4 室内承载比CBR试验结果

3.2 无侧限抗压强度试验

慈溪市某道路工程设计要求固化轻质土最大干密度ρdmax≤1.20g/cm3，7d无侧限抗压强度≥0.2MPa，28d无侧限抗压强度≥0.3MPa。经测定脱水疏浚淤泥与橡胶颗粒掺入比60∶40满足该设计轻质土要求，石膏碱渣固化剂掺量试验选用4%、5%和6%。

按照96%压实度标准，计算不同固化剂掺量下联合固化疏浚淤泥干密度；制作室内测试试件，在20±2℃温度下保湿养生6d并浸水24h后，测试7d和28d无侧限抗压强度。不同固化剂掺量固化疏浚淤泥无侧限抗压强度值如表5所示。

表5 不同固化剂掺量固化疏浚淤泥无侧限抗压强度值

由表5可知，石膏碱渣固化剂掺量4%即可满足该道路工程设计要求。通过室内配合比设计试验，确定现场石膏碱渣固化剂的最佳用量，施工剂量允许误差+0.5%～+1.0%。

4 结 语

(1)磷石膏碱渣可对盐渍疏浚淤泥进行化学固化，废橡胶粉可对盐渍疏浚淤泥进行物理改良，磷石膏碱渣、废橡胶粉可实现盐渍疏浚淤泥复合固化；

(2)复合固化疏浚淤泥满足公路路基施工技术规范CBR强度要求,可用于各级公路路基填土；

(3)复合固化疏浚淤泥可满足轻质土路基要求；

(4)复合固化疏浚淤泥可解决滨海地区道路建设中的土石方需求，实现工业废渣的“废物利用”。

[1]桂跃，王其合，张庆.工业废料固化高含水率疏浚淤泥强度特性分析[J].武汉工程大学学报，2012，34(1):36-42.

[2]赵晓晴, 张永宏, 李明东,等.掺磷尾矿的海淤固化土路堤强度影响因素研究[J].公路, 2012, (11): 71-75.

[3]丁建文, 张帅, 洪振舜, 等. 水泥-磷石膏双掺固化处理高含水率疏浚淤泥试验研究[J]. 岩土力学, 2010, 31(9): 2817-2822.

[4]杨沛浩.磷石膏的综合利用[J].中国资源综合利用，2009，27(1):13-15.

[5]刘心中,姚德,董凤芝，等.碱渣(白泥)综合利用[J].化工矿物与加工,2001,30(3):1-4.

[6]郝建民.橡胶粉对再生混凝土围护结构氯离子渗透性的影响研究[J].混凝土，2015，(5):26-28.

[7]JTG E40-2007，公路土工试验规程[S].

[8]JTG D30-2015，公路路基设计规范[S].

Study on the Mechanism and Strength of Compound Stabilized Saline Dredged Sludge by Industrial Waste

PENG Yi-zhou1，YANG Jie1，CHEN Xiao-bo2

(1.Zhejiang Institute of Communications，Hangzhou 311112,China；2. Zhejiang Hengli Traffic Engineering Co. Ltd.，Ningbo 315192,China)

According to the characteristics of saline dredged sludge，study on the mechanism of compound stabilized saline dredged sludge by phosphogypsum residue or soda residue and waste rubber powder.preparate the compound stabilizing agent. The experiments prove it can be used as light subgrades filling，solve the requirement of subgrades construction in coastal area，and realize the waste utilization of industrial waste residue.

industrial waste；compound stabilized；saline dredged sludge；stabilized mechanism；ubgrades filling

2016-05-25

浙江省科技厅公益技术应用研究项目(2014C33036)；浙江省教育厅资助项目(Y201329709)；国家自然科学基金项目(51378472)

彭以舟(1968-)，男，安徽六安人，副教授，高级工程师，E-mail：qyypy@126.com。

U414.1

A

10.3969/j.issn.1671-234X.2016.03.006

1671-234X(2016)03-0025-04

浙江交通职业技术学院学报，第17卷第3期，2016年9月

Journal of Zhejiang Institute of Communications

Vol.17 No.3,Sep.2016