一种新型土体固化剂用于河道淤泥固化的应用研究

张沈裔 张国防

1.宝钢新型建材科技有限公司

2.同济大学

1 前言

我国很多河道，尤其是城市中的河道污染严重。随着我国生态文明建设推进，河道综合治理日益受到重视。河道中产生的大量淤泥就地原位利用以及作为原材料制备建筑材料是最为常见的利用方式。但由于淤泥中含有大量水分、较多有机质和重金属离子，这两种利用方式都需要将淤泥进行合适处理后方可使用。土体固化剂，是一种由多种无机或有机材料合成的用以固化各类土壤的新型节能环保工程材料，常用于各种土壤的固化处理[1]。已有研究[2-7]利用各种土体固化剂对不同类型土壤进行了固化处理，并取得了较好的效果。

钢铁工业会产生很多的工业固体废弃物，很多无法得到合理的资源化利用，往往通过水泥厂协同处置的方式进行消纳，特别是烧结烟气脱硫灰（简称脱硫灰），它是钢厂烧结工序采用钙法半干法脱硫过程中产生的脱硫副产物，其工业化应用尚未找到合理的资源利用途径，为了拓展工业固体废弃物资源化利用领域，上海宝钢新型建材科技有限公司与同济大学等单位合作开发出应用于基础土体和基坑围护工程土体加固处理用的GS土体固化剂，并已在地基和基坑工程中得到广泛应用。但淤泥与地下基础土壤差别大，尤其是含有较多重金属离子。为拓展GS土体固化剂的应用范围，本文主要研究了两个不同配方的GS土体固化剂对淤泥含水率、无侧限抗压强度和重金属离子溶出量的影响程度，探讨GS土体固化剂应用于河道淤泥固结处理的可行性，以期为GS土体固化剂在河道淤泥处理中的应用提供一定的技术参考。

2 试验

2.1 原材料

（1）淤泥。试验用淤泥为上海宝田新型建材有限公司提供的一种水处理淤泥，为黄褐色硬塑状态,含水率较高，约60%，重金属含量也较高，测试结果如表1所示。

（2）GS土体固化剂。上海宝钢新型建材科技有限公司研发生产的两种GS土体固化剂GSA和GSB，主要是由各种工业废弃物组成，并辅以少量添加剂而形成。

2.2 试验方法

基于本论文研究目的，将两种土体固化剂按照8%、10%、13%、16%和20%掺量掺入淤泥进行淤泥固结处理，研究土体固化剂对淤泥固化土性能的影响规律。

固化土的性能测试包括含水率、7d 和28d 无侧限抗压强度以及重金属离子溶出率。含水率测试是通过烘箱烘干前后质量变化来评价。无侧限抗压强度测试是参照JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》进行。重金属离子浸出试验参考国家标准GB 5085.3—2007《危险废物鉴别标准 浸出毒性鉴别》方法，测定固化土浸泡后的浸出液中重金属离子含量，从而评定土体固化剂对淤泥中的重金属离子固化效果。

表1 土体固化剂固结淤泥后的固化土重金属离子溶出量（单位：mg/kg）

3 结果与讨论

3.1 淤泥固化土含水率

本节研究了土体固化剂掺量变化对淤泥固化后得到的固化土含水率随时间的变化趋势，借此来评级淤泥固化后可用于堆积的最短时间间隔。随着土体固化剂GSA 和GSB 的掺量变化，固化土在养护1d、2d 和3d 后的含水率变化情况分别如图1所示。

图1 土体固化剂GSA和GSB固结淤泥后的固化土含水率变化情况

由图1可知，随着土体固化剂GSA和GSB掺量增大，淤泥固化后的固化土含水率均呈现出逐渐降低的趋势。在土体固化剂掺量8%和10%情况下，固化土含水率基本不变，土体固化剂掺量13%以上时，固化土含水率的降幅逐渐增大。土体固化剂不同掺量情况下，随着养护龄期延长，固化土的含水率显著降低，且土体固化剂掺量越大，固化土含水率降幅越显著。且肉眼观察可知，无论土体固化剂掺量大小，固化土在养护1d～3d情况下均已硬化，产生一定的强度。这表明，土体固化剂GSA 和GSB均能显著降低淤泥固化土的含水率，且在1d时即能达到很好的含水率降低作用，即可实现淤泥的堆积处理，土体固化剂的掺量以13%以上时为佳。

3.2 淤泥固化土无侧限抗压强度

本节研究利用土体固化剂GSA和GSB固化淤泥的无侧限抗压强度，根据上面研究的结果，无侧限抗压强度的GSA和GSB的掺量均采用16%。根据土体固化剂GSA和GSB淤泥固化的无侧限抗压强度检测数据可得，GSA和GSB固化土的7d无侧限抗压强度均较高，分别达3.8MPa和4.7MPa，但二者存在较明显差异；GSA 和GSB 固化土的28d 无侧限抗压强度分别高达6.4MPa 和6.3MPa，且差异很小。固化土的早期无侧限抗压强度变化趋势与土体固化剂自身强度变化趋势相同。这说明，土体固化剂的强度一定程度上影响到淤泥固化土的早期无侧限抗压强度，但对后期无侧限抗压强度的影响相对较小；且本文所用的两个土体固化剂均能使得淤泥固化土具有较高的无侧限抗压强度。

3.3 淤泥固化土重金属离子浸出率

淤泥的处理需满足减量化、稳定化、无害化、资源化的要求，因此固化土浸出液中重金属含量是首要控制的关键指标之一。但由于淤泥的重金属种类和浓度不同，固化土的使用目的不同，对固化土浸出液中重金属含量要求不同。本文研究用淤泥处置后的主要利用途径之一是原位利用，因此首先应能满足国家标准GB 36600—2018《土壤环境质量标准建设用地土壤污染风险管控标准》关于重金属离子含量和溶出量的规定要求。

土体固化剂GSA 和GSB 的掺量均为16%掺入淤泥，固结淤泥后的固化土重金属离子溶出量，测试结果如表1所示。由表1可以看出，该淤泥中的重金属含量虽较高，但均未超过国家标准GB 36600—2018 的规定值；利用土体固化剂GSA 和GSB 固化后的固化土进行重金属溶出试验，测试得到的重金属溶出量更小，均显著低于国家标准GB 36600—2018规定的限制要求，且两个固化土的重金属离子溶出量基本相当。这表明，该淤泥利用土体固化剂固化处理后，其重金属离子溶出量远低于国家标准GB 36600—2018 的限值要求；且虽然土体固化剂不同，但对淤泥固化后的重金属离子溶出量的影响程度相当。

4 结论

（1）土体固化剂GSA 和GSB 均能显著降低淤泥固化土的含水率，且在1d 时即能使得淤泥含水率大幅降低，产生一定的强度，可以堆放，且掺量以13%以上为佳。

（2）土体固化剂GSA 和GSB 均能使得淤泥具有较高的早期和后期无侧限抗压强度。

（3）土体固化剂GSA 和GSB 均对淤泥中的重金属离子具有很好的固结驻留作用，使得固化土中的重金属离子溶出量远低于国家标准限值要求。

（4）基于上述性能研究，土体固化剂GSA和GSB应用于淤泥固化处理具有较好的效果；但河道淤泥原位利用，还需考虑固化土对水体和动植物生长的影响，因此GS土体固化剂应用于河道淤泥处置还需进行深入细致研究。