河道清淤底泥固化材料正交试验研究

侯 永 成

(山西六建集团有限公司第四分公司，山西 太原 030021)



河道清淤底泥固化材料正交试验研究

侯 永 成

(山西六建集团有限公司第四分公司，山西 太原 030021)

介绍了河道底泥常用的固化方法，通过无侧限抗压强度的正交试验，研究了水泥、粉煤灰、生石灰、沸石对固化底泥强度的影响规律，试验结果表明，掺入水泥、粉煤灰、生石灰、沸石后，固化底泥的强度得到明显改善，在四种固化剂中，水泥对固化土抗压强度的影响处于主导地位，粉煤灰次之，生石灰和沸石最小。

河道底泥，固化材料，正交试验，抗压强度

1 概述

随着经济和社会的不断发展，人们每年需要的用水量和废水排放量也逐年增加，在这样貌似“正常”发展的过程中，出现了一些“不正常”但又可称为“正常”的现象，如废水不断排放至河流中后，河流中的淤泥逐年增多，河流底泥的不断积累可对河流造成不同程度的二次污染。

通常对河道底泥的处理方式有以下几种：

1)制砖。目前制作烧结砖的原材料大多数还是使用粘土进行烧制，采用粘土进行烧制不仅破坏耕地而且造成严重的生态环境破坏。采用河道底泥进行制砖，仅需对底泥进行筛分、晾至一定湿度后可入模进行烧制。底泥内含有大量有机物和磷化物，这些物质烧制时也可产生一定能量，烧制时可节省一部分煤炭，达到节能、废弃物资源再生利用的效果。

2)制陶粒。采用河道底泥烧制陶粒的主要烧制步骤为：先将底泥从河道里挖出，将底泥运送至干燥场进行自然干燥，干燥完成后将底泥破碎筛分后加入一定量的外掺料，将两者搅拌均匀后加入一定量的水继续搅拌，搅拌后筛选球状物入窑预热，之后再进行焙烧、冷却、筛分，最终制得陶粒成品。目前，同济大学对河道底泥制作成陶粒的研究较多，得到的试验结果较好。由于河道底泥中同样也含有一定量的重金属，同济大学的相关研究人员对含有重金属含量的底泥制作成的陶粒成品中进行入水浸出试验后发现重金属溶出量较少，同样对对照组试验进行入水浸泡试验，发现入水一周左右并未有重金属离子析出，因此可得采用河道底泥制作陶粒，并不会对环境造成二次破坏。

3)农用。河道底泥内含有大量的有机物质和无机物，将其当作人工化肥应用到农田中时可节省工业化肥的使用量，从而降低由于制作工业化肥而造成的环境污染。但河道底泥中还含有较多的细菌、重金属等有害物质，因此在应用时不可将其直接应用至农田中，而应对其进行进一步的加药杀菌、混凝去除有害物质、脱水后再拌入一定量的家畜和家禽的粪便，制作成一种新型的有机化肥，最后经卫生防疫站检测后再应用于农田中。若河道底泥中重金属含量超标则不可将其应用于农田和菜地中，但可应用于绿化工程中的花卉和园林中，达到废弃资源最大化利用和降低对人类健康的侵害。

4)掩埋。对河流底泥最常规的处理方式为将其挖出运送至废弃物处理场直接掩埋处理，废弃物处理场周围的屏蔽系统可避免底泥的有害物质扩散出场外，避免场外生态环境被二次破坏。同样，这种处理方式还会在将来成为我国处理河道底泥的主流方式。在对河道底泥进行处理时，要求底泥的无侧限抗压强度大于50 kPa，而直接从河道里开挖出的底泥含水量较高、抗压强度低，在短时间内呈流动状态，因此在填埋前应对其进行预固化或固化处理。对底泥进行固化处理是一种最为廉价和方便快捷的处理方法。

对河道底泥进行固化处理时采用的固化材料主要为水泥，由于河道底泥内含有大量的有机物和其他影响水泥水化反应的物质，导致在进行固化时不能达到理想固化效果，为达到理想效果水泥用量必须增加，从而导致固化成本增加。为解决降低水泥用量的问题，目前我国主流的处理方式是在固化材料中添加粉煤灰、高炉残渣、生石灰、沸石和粘土等辅加剂的方式降低水泥用量，以达到较理想的淤泥固化效果。

本文以常规的固化材料为基准配合比，以生石灰、粉煤灰和沸石为辅加剂，采用正交试验方法研究辅加剂对河道底泥抗压强度的影响，分别研究这三种辅加剂在底泥固化过程中的作用，为以后固化处理河道底泥提供一定参考。

2 试验材料和方法

2.1 试验材料

表1 正交试验方案

底泥原材料选自太原某河流河底0 mm～100 mm范围内的沉积物，样本采集点位于水流稳定、缓慢的位置，采样后将样本置于塑料密封袋内，将样本带至实验室内后自然晾干，之后祛除其他杂质，研磨后采用100目的尼龙筛进行筛分，保存小于100目的底泥粉料待用。固化剂为P.O42.5普通硅酸盐水泥，固化辅加剂采用生石灰、粉煤灰和沸石。

2.2 试验方法

按照设计配比，将水泥、粉煤灰、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，将搅拌均匀的混合料分三层置入φ45×80 mm的桶形模具内，每层入模后将其置于振动台上振动2 min后再浇筑第二层，浇筑完成后将试验模具和试块置于恒温、恒湿(20 ℃±2 ℃、湿度>95%)的养护箱(室)内24 h后脱模，脱模后继续在此环境中养护至指定龄期(7 d，14 d和28 d)，养护至指定龄期后分别对试块进行无侧限抗压强度测试。

2.3 正交试验设计

选用L16(44)正交表安排试验，选择水泥、粉煤灰、生石灰和沸石作为试验变量，正交试验具体配合比如表1所示。

3 计算结果及分析

采用不同辅助固化材料和不同掺量的固化材料的无侧限抗压强度计算结果如表2，表3所示。从表2的试验结果可得：当其他参数相同时，无侧限抗压强度随着龄期的增长而增长；当龄期相同时，1号～4号试验组的无侧限抗压强度基本呈现递增的趋势，有同样增长趋势的试验组还有5号～8号和9号～16号；随着养护龄期的增长和辅助固化剂的增长，底泥无侧限抗压强度呈直线型增长，这说明随着龄期的逐渐增长固化剂在底泥中的水化反应更完全，使得底泥的无侧限抗压强度更高，固化效果更完全，同理随着固化剂掺量的增加，固化剂的作用同水泥基本相同，固化体积更大，使得无侧限抗压强度更高。

表3 结果分析表

从表3中可以看出，在所有龄期下，各因素的极差大小排序为A>B>D>C，从而可以确定，影响无侧限抗压强度的因素从大到小的排序分别为：水泥>粉煤灰>沸石>生石灰。

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B4A2C4D4，即为：粉煤灰16%，水泥12%，生石灰8%，沸石8%。

从养护龄期为14 d的试验结果可以看出，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A4B3C1D3，即为：水泥24%，粉煤灰12%，生石灰2%，沸石6%。

从养护龄期为28 d的试验结果可以看出，最佳方案为A4B4C2D3，即为：水泥24%，粉煤灰16%，生石灰4%，沸石6%。

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，粉煤灰次之。但也有一个特例，固化剂中含有粉煤灰且养护龄期为7 d的固化土中对强度影响最为明显的是粉煤灰，这说明水泥对固化土早期强度的贡献较小。随着养护龄期的增长，水泥对强度的影响明显增加，增加水泥的掺入量可有效提高底泥固化土的强度。随着龄期的增长，生石灰和沸石的作用逐渐减弱，因此在最佳配比中这两种固化剂的最佳掺入量降低。

4 结语

1)掺入水泥、粉煤灰、生石灰、沸石固化材料后，底泥的强度得到明显改善，同时粉煤灰、生石灰、沸石的添加不仅可提高底泥的强度，还可有效降低单独添加水泥时的费用。

2)通过正交试验确定了各固化剂的最佳配比方案。底泥固化块随养护龄期的增长而增大，水泥的用量对底泥的无侧限抗压强度的影响最大，粉煤灰的用量对其抗压强度的影响次之，沸石和生石灰的用量对其抗压强度的影响最小。

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Research of river dredging sediment curing materials orthogonal experiment

Hou Yongcheng

(TheFourthBranchofShanxi6thConstructionGroupCo.,Ltd,Taiyuan030021,China)

Introduced the common solidification method of river sediment, through the unconfined compressive strength of the orthogonal experiment, cement, fly ash, lime and zeolite was studied the influence law of the strength of solidified sediment. The test results show that the mixed with cement, fly ash, lime, zeolite, the strength of the solidified sediment are obviously improved. In the four types of curing agent, cement effect on compressive strength of solidified soil in a dominant position, the influence of fly ash, lime and zeolite is minimal.

river sediment, curing materials, the orthogonal experiment, compressive strength

2016-06-16

侯永成(1974- )，男，工程师

1009-6825(2017)04-0205-02

TU502

A