城市河道淤泥固化技术试验研究

张志勇 严娟

摘要：为了实现内陆城市河道疏浚淤泥的资源化利用，以武汉市黄孝河西段黑臭河道治理工程为研究对象，对淤泥在拌入一定量周边土料的同时，加入一定比例的JCW软土固化剂作为固化胶结材料进行固化试验。探讨了JCW软土固化剂添加量、淤泥有机质含量对固化效果的影响，以及其固化作用机理。试验结果表明：淤泥的有机质含量对固化淤泥的强度影响较为明显;JCW软土固化剂固化淤泥的效果优于水泥、石灰类固化剂;当有机质含量为8%，固化剂干掺量为10%时，固化土28 d无侧限强度达到520 kPa以上。

关 键 词：河道淤泥; JCW软土固化剂; 有机质; 无侧限抗压强度; 固化试验; 黑臭河道

中图法分类号： TV523

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.12.032

0 引 言

随着中国环保产业的蓬勃发展，尤其是环境治理“重水轻泥”的理念逐步向“泥水并重”的理念转变[1]，大量受污染的河湖相疏浚淤泥如处置不当（如填埋、直接外弃抛海）将带来严重的如占用土地、污染河流、影响海洋生态环境等问题[2]。使用胶结固化的处理方法，将处理后的疏浚淤泥转化为建设材料进行利用，可以有效解决疏浚淤泥的出路问题，还可缓解土地资源紧缺的矛盾[3]。此外，胶结固化处理方法能将淤泥中有毒有害物质封固在晶体结构中，防止其再次释放到环境中，从而避免造成二次污染[4-6]。目前，用作淤泥胶结固化的工程材料，仍普遍以水泥、石灰、石膏等传统的胶凝材料，或在此基础上改进的材料为主，仍然存在一些弊端[7]。JCW软土固化剂[8]是一种环境友好型功能性材料，其水化形成三维网络结构物能有效固结淤泥，在工程指标性能、稳定性、环境影响等方面均优于水泥类和石灰类固化剂。

疏浚淤泥最好的处理方法是将其转化为土工或建筑材料进行再生利用[9-12]。因此，试验针对武汉市黄孝河西段整治工程产生的河道黑臭淤泥理化特征，采用固化方法，将淤泥改性成为具有一定承载力的固化土，从而实现疏浚淤泥的资源利用。

1 试验方法

1.1 原材料

（1） 河湖底泥。试验研究所用淤泥为河床底泥，其主要化学成分分析结果见表1，淤泥土工试验指标见表2。

从表1可以看出，该河湖底泥的烧失量达19.02%，属高有机质含量泥炭质土;其主要化学成分为SiO2、Al2O3、CaO，含量分别高达56.06%，14.05%和3.80%;此外，含有一定量的Fe2O3、MgO、K2O、Na2O，以及微量的SO3和P2O5。由此判断，该淤泥的主要矿物成分为硅酸盐和硅铝酸盐。

由表2淤泥土工試验物理指标可知，该河湖底泥液限高达55.87%，且塑性指数高达31.42，属于高液限黏土;其中d90为53.56 μm，显然属于细粒土，由此可定义该淤泥为高含水高液限高有机质泥炭土。

（2） 干土料。取自黄孝河道附近黄土，其有机质含量为0.5%，并将其在60～70 ℃恒温干燥箱内烘干备用。

（3） JCW软土固化剂。试验所用固化剂为JCW软土固化剂，其为利用低品位工业废渣为主要原材料制备的一种新型硅铝基胶结材料，基本参数见表3。

1.2 试验过程

试验首先测定排明水后淤泥的含水率，按照要求的配合比，用电子称分别称取淤泥、干土料、固化材料和水，将称量的混合料充分搅拌至均匀（约4 min），注意底部不能有聚集的固化材料;将搅拌均匀的混合料注入预先备好的模具（模具尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm）中进行试件制作，将制好的试件放入标准养护室进行养护。待试件养护到试验要求的龄期（7，14，28 d）后，进行试件的抗压强度测试。

2 试验结果及分析

2.1 有机质含量影响试验结果及分析

鉴于原状淤泥的有机质含量过高的情况，使用添加干土料调配不同有机质含量的混合料（其中干土料的添加量分别为淤泥干物料质量的0～20%），配制完成的混合料浆液的有机质含量分别为18.9%，17.5%，13.2%，11.5%，10.5%，9.5%，8.3%，7.7%，7.8%，6.7%，固化剂掺量为干物料总量的10%，含水率为淤泥的初始含水率85.9%。随后在不同养护龄期下取样测定固化土有机质含量及其无侧限抗压强度。图1为固化土在不同养护龄期的无侧限抗压强度受有机质含量的影响对比图。从图1中可以看出，随着有机质含量的增加，固化土抗压强度呈逐步降低趋势，且当有机质含量超过10%时，抗压强度急剧下降;当有机质含量增至19.7%时（即保持原有的有机质含量不变），强度几乎降为有机质含量最低组的20%。这是因为有机质具有较强的吸附能力，当有机质含量达到10%时，淤泥颗粒表面的有机质吸附量达到饱和，严重阻碍固化剂与淤泥颗垃的有效接触，从而大幅度降低固化土的无侧限抗压强度。由此可见，有机质含量对淤泥改性固化效果的影响显著。

根据养护龄期28 d的试验结果，绘制有机质含量对固化土28 d无侧限抗压强度影响的变化趋势，如图2所示。从图2中可以看出，有机质对固化淤泥28 d无侧限抗压强度的影响呈现二次函数变化趋势，拟合公式为Y=2.327 3x2-94.889x+1 130.72。由公式可以推导出，当有机质含量为8%时，养护28 d的固化土无侧限抗压强度将达到520 kPa，符合作为回填碾压土标准，可作为回填土资源化利用。

2.2 固化剂掺量影响试验结果及分析

根据2.1节的试验方法和结果，将淤泥有机质含量调整为8%，含水率调整为淤泥的初始含水率85.9%，添加不同掺量的固化剂（掺量为淤泥干重比例的2%～13%逐步增加），进行固化剂掺量单因素试验，具体试验结果如图3所示。从图3中可以看出，随着固化剂掺量的增加，固化土的无侧限抗压强度呈现逐步增加趋势;且当掺量小于4%时，固化土几乎无强度，这是因为固化剂掺量过低，在高含水状态下，颗粒间溶液中的离子浓度不足以析出能形成有效接触的晶簇或胶凝体，从而不能形成完整的固结体，导致强度不足。

将养护龄期28 d的试验结果绘制固化剂掺量对固化土28 d无侧限抗压强度影响的变化曲线，如图3所示。从图中可以得出固化土无侧限抗压强度呈二次函数变化趋势，拟合公示为Y=31 161x2+1 882.6x+30.77。由公式可以推导出，当固化剂掺量为10%时，养护28 d的固化土无侧限抗压强度将达到530 kPa，基本和2.1节的拟合数据吻合，且符合作为回填碾压土的标准，可作为回填土资源化利用。

2.3 固化剂种类影响试验效果及分析

根据2.1节和2.2节的试验结论，将有机质含量调整为8%，固化剂干掺量为10%。制备固化土试样，其中分别使用P·O32.5、P·O42.5、石灰和JCW软土固化剂做为固化剂，进行对比试验。如图4所示，其中JCW软土固化剂的固化效果明显优于传统固化材料（其固化土28 d无侧限抗压强度值为P·O32.5水泥固化土的1.9倍、P·O42.5水泥固化土的1.5倍、石灰固化土的2.5倍），且石灰的固化效果最低，基本为石灰水化吸水产生的脱水固结效果。这是因为石灰为气硬性胶凝材料，在水化时吸收自身重量35%的水分，生成的Ca（OH）2在高含水状态处于非饱和离子状态，离子浓度过低而未能激发黏土颗粒活性，且晶体析出量较少，因此，固结效果最差。水泥自身的水化反应生成水化硅酸钙凝胶充填淤泥颗粒空隙，因此，能形成一定的固结强度。JCW软土固化剂则能激发淤泥颗粒表面部分活性，使其参与反应，从而在淤泥颗粒表面析出圆体晶体，增大颗粒间的有效接触，获得较高的固结强度。

3 作用机理分析

淤泥固化效果的影响因素复杂多变，根据上述试验情况可知，主要因素为固化剂的参数（种类和掺量）和淤泥的组成（有机质含量、含水率、黏土胶团的结构等），混合料浆为各组分水解形成的多组分离子溶液体系，因此，通过调控该混合体系离子浓度，激发多种因素协同作用将有效提升固结效果。

淤泥颗粒中的黏土成分首先水解，当其片状晶体结构发生断裂时，会产生铝、硅、氧离子的不饱和键（Si4+，Al3+的正电场和O2-的负电场），并在极性水分子作用下，可分别吸附H+和OH-，生成过渡表面化合物[11]。与此同时，JCW软土固化剂开始水化反应，其原材料中含有丰富的玻璃态钙铝黄长石、镁黄长石、钙硅石等，其结构组成主要为-Si-O-Al-序列，在混合体系中，序列发生断裂解离形成二硅酸钙Ca（H3SiO4）2硅氧单聚体、二硅氧体、正硅铝酸盐和铝酸根离子[Al（OH）4]-等离子中间体，其中，正硅酸盐由碱性硅氧体基团（Si-OH）组成，可与铝酸根离子缩聚形成二硅铝体，再进行缩合形成网状结构的矿物聚合物。正铝硅酸盐中的Al-OH和Si-ONa發生缩聚反应，形成环状二硅铝结构，并伴随有NaOH释放，可再次参与反应。环状二硅铝结构再缩聚形成四面体或六面体的水合方钾石网络物[12]。形成的三维网络状地聚合物，可与淤泥细颗粒表面的过渡表面化合物发生键合，从而实现淤泥表面的改性，增加淤泥细颗粒间的有效接触面积，增强固结效果。

4 结 论

（1） 有机质含量对淤泥改性固化效果的影响显著，有机质含量超过10%，将严重影响淤泥固化效果，且当有机质含量增至19.7%时，强度几乎降为有机质含量最低组的20%。

（2） JCW软土固化剂的固化效果优于水泥、石灰，且当淤泥有机质含量为8%，JCW软土固化剂的掺量为10%时，固化土的无侧限抗压强度均大于520 kPa，可用作工程回填土料使用。

（3） JCW软土固化剂能激发淤泥颗粒的过渡表面化合物，使其参与反应，从而在淤泥颗粒表面析出固体晶体，增大颗粒间的有效接触，获得较高的固结强度。

参考文献：

[1] 中国资源综合利用协会.大宗工业固体废物综合利用发展报告[M].北京：北中轻工业出版社，2012.

[2] SAIKIA N J，SENGUPT P.Hydration behaviour of lime-co-calcined kaolin-petroleum effluent treatment plant sludge[J].Cement and Concrete Research，2002，32（2）：297-302.

[3] 姬凤玲，朱伟，张春雷.疏浚淤泥的土工材料化处理技术的试验与探讨[J].岩土力学，2004，25（12）：1999-2002.

[4] 汤怡新.水泥固化土工程特性试验研究[J].岩土工程学报，2000，22（5）：549-554.

[5] 丁建文，刘铁平，曹玉鹏.高含水率疏浚淤泥固化土的抗压试验与强度预测[J].岩土工程学报，2013，35（2）：55-60.

[6] 曹玉鹏，汴夏，邓永锋.高含水率疏浚淤泥新型复合固化材料试验研究[J].岩土力学，2011，32（1）：321-326.

[7] 杨永荻，汤怡新.疏浚土的固化处理技术[J].水运工程，2001（4）：12-15.

[8] 住房和城乡建设部.软土固化剂：CJ/T 526-2018[S].北京：中国建筑出版社，2018.

[9] 朱伟，曾科林，张春雷.淤泥固化处理中有机物成分的影响[J].岩土力学，2008，29（1）：33-36.

[10] 李磊，朱伟，张春雷.污泥固化土的重金属污染控制研究[J].长江科学院院报，2009，26（增1）：62-65.

[11] 李迎春，钱春香，刘松玉，等.粉土固化稳定机理研究[J].岩土工程学报，2004，26（2）：268-271.

[12] XEIDAKIS G S.Stabilization of swelling clay by Mg（OH）2 factors affecting hydroxy-1 Mg-interlayering in swelling clay[J].Engineering Geology，1996，44（2）：96-106.

（編辑：郑 毅）

Experimental study on dredged material solidification technology for urban rivers

ZHANG Zhiyong，YAN Juan

（Center of River & Lake Protection and Safety of Construction and Operation，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，China）

Abstract：

In order to realize the resource utilization of dredged material generated in sediment cleaning engineering of inland urban rivers，based on the Huangxiao River harnessing project in Wuhan city，we mixed a certain amount of surrounding soil and a certain proportion of JCW curing agent into the dredged material to carry out solidification experiment.We discussed the influence of dosage of JCW cementing agent and organic matter on curing effect and the solidification mechanism.The result showed that the organic matter content had a significant effect on the solidification strength，and the JCW cementing agent had a better effect for the mud compared with cement and lime curing agent.The unconfined strength of solidified mixture reached 520 kPa after 28 days when the organic matter content and JCW curing agent content were 8% and 10%，respectively.

Key words：

dredged material;JCW curing agent for clay;organic matter;unconfined compressive strength;solidification test;black-odor rivers