淤泥固化材料研究进展

2021-04-01董明荣赵海燕凌升河崔新忠高越青

广东建材 2021年3期

董明荣赵海燕凌升河崔新忠高越青

（1 绍兴市建设工程质量安全管理中心；2 绍兴市科技产业投资有限公司)

(3 绍兴市城投再生资源有限公司；4 绍兴文理学院土木工程学院）

随着我国建设进程的不断加快，在水利工程建设以及河流湖泊等生态环境治理的过程中，产生了大量的疏浚淤泥。淤泥主要是由水与黏土颗粒及有机质组成的粘稠悬浮液，具有含水率高、强度低、稳定性差、有机质含量多并含有较多重金属污染物等特点[1]。长久以来，近海抛填和陆地堆放是处理淤泥的最主要方法[2]。堆放和填埋等处理方法严重污染环境，不仅与我国绿色发展的道路不符，并且受到了人们的强烈反对。因此，淤泥固化及其资源化利用迫在眉睫。淤泥固化处理就是将固化材料与淤泥进行混合，经过充分搅拌使固化材料和淤泥中的水分以及其他物质发生反应，从而使土颗粒之间连接的更加紧密，以达到提高强度的目的[3,4]。因地制宜地选择合适的固化材料，对淤泥固化效果及处理成本起到了决定性作用。经过多年的发展，出现了各类固化材料，大致可分为有机类固化材料、无机类固化材料、生物酶类固化材料和复合类固化材料等。

1 无机类固化材料及其固化效果

目前主要以水泥、石灰、粉煤灰和矿渣等作为固化淤泥的无机类固化材料。无机类固化材料具有固化强度高、耐久性强、易获取、固化速度快等优点；但无机类固化材料的生产具有能耗大、排放高等特点，同时资源短缺以及施工成本的增加，也成为目前不得不考虑的因素[5]。选择不同固化材料的等级、品种、掺入比、强度和龄期对固化淤泥的力学性能和耐久性能影响显著。陈达等[6]研究表明：普通硅酸盐水泥和矿渣硅酸盐水泥作为固化材料能够很好地达到固化效果；矿渣硅酸盐水泥的耐腐蚀性较强；抗硫酸盐水泥能够较好地抵抗SO42-的侵蚀作用；膨胀水泥具有较好的抗干缩性能。因此，在不同的固化环境下，选择不同的水泥品种对固化淤泥的效果有着不同的影响。Chen[7]利用碱活化矿渣对含铬元素的淤泥进行固化，结果表明：液固比、碱活化矿渣掺量显著影响固化淤泥的强度和铬元素的浸出速度，随碱活化矿渣掺量增加及养护时间的增长，矿渣和淤泥的水化产物能很好地固化稳定铬元素。Tang[8]研究了在粉煤灰中掺少量的水泥对淤泥固化效果的影响，分析表明：15%的水泥掺量就可达到很好的工程应用效果，经粉煤灰固化后的淤泥沉积物中，C-S-H 凝胶的形成是固化淤泥强度发展和重金属污染物稳固化的主要原因。

无机类固化材料中含有较多的氧化物以及硅铝酸盐等物质。无机类固化材料同淤泥中的水发生水化反应，元素之间的离子键、共价键断裂重组，形成诸如水化硅酸钙、水化铝酸钙等纤维状或网络状结构，稳定了淤泥中的有害物质以及游离的离子；凝结形成具有胶凝性质的水化产物；水化产物的产生填充了淤泥土颗粒中的空隙，提高固化淤泥的强度和密实性；粉煤灰、矿粉等无机类固化材料具有火山灰活性，可进一步提升土颗粒间的粘结作用，增强固化效果[9]。

2 有机类固化材料及其固化效果

有机类固化材料主要包括水玻璃类材料、环氧树脂和有机高分子等材料。使用较少的有机类固化材料就能达到较佳的淤泥固化效果，并且在施工中便于控制，加快施工进度；但固化淤泥水稳定性较差、后期强度效果不佳、且固化效果受环境影响较大等缺点制约了有机类固化材料在工程中的应用[10]。许惠[11]等试验研究了聚丙烯酰胺对固化淤泥质土孔隙结构的影响，结果表明：有机高分子聚合物加入淤泥质土，能够产生一定的絮凝作用，增强土颗粒之间的胶结性能，从而减少淤泥固化体的孔隙比，增强结构的稳定性。Zhang[12]制备了一种基于二乙烯基苯、苯乙烯和丙烯酸丁酯的新型高分子聚合物，并用于固化油性污泥，该固化剂可以固化不同含油量的油性污泥，并且固化效果稳定。王东星等[13]研究了水玻璃对淤泥的固化效果，结果表明：水玻璃的掺量越多，生成的N-A-S-H 胶凝越多，通过粘结和填充土颗粒之间的孔隙，使固化淤泥的微观结构更加致密，以提高固化淤泥的力学性能。韦猛等[14]发现吸水树脂中含有较多的亲水基团，可以快速的实现从流动状态到可塑状态的转变；并且吸水树脂中的极性基团可以较好地产生絮凝作用，以实现淤泥的快速固化。

在淤泥中加入高分子类或水玻璃类等有机类固化材料，通过发生聚合和缩合反应，生成具有一定粘度和不溶于水的有机大分子链；这些有机大分子链通过降低土颗粒的表面张力提高憎水性，同时填充土颗粒之间的孔隙，由此减少水分子的进入,加强土颗粒之间的粘结，提高淤泥固化体的密实性[15]。

3 复合类固化材料及其固化效果

复合类固化材料一般以传统的固化材料为主，通过混掺或辅以其他激发类材料，按照一定配比进行混合，通过离子交换、火山灰反应等作用而合成的一种环境适应能力较强的新型固化材料。由于其环境适应能力强、比单一固化材料效果好、成本低、固化效果明显而广泛的应用于实际工程中[16]。Ma[17]将氧化镁、氯化镁和水泥按一定的比例混合形成氯氧化镁水泥用于淤泥的固化，结果表明：氯化镁具有极高的吸水能力，并将氧化镁溶解其中，形成氯氧镁水泥胶凝；氧化镁、氯化镁、水泥三者和淤泥混合后，形成了十分坚固的三元铰链体系，极大地提高了强度，并且将重金属离子固化其中。Chen[18]研究了复掺硅粉和镁钾磷酸盐水泥对淤泥的固化效果，测试结果表明：利用30%的硅粉代替水泥后，固化淤泥的抗压强度大幅增加，并且添加硅粉可以有效降低淤泥的含水量和体积收缩率。Zhen[19]使用CaO 和Al2O3作为粘结剂与水泥进行混合，制备了新型铝酸盐水泥，并用于淤泥固化，研究发现：铝酸盐的存在很好地保护了结构体系免于有机物的干扰，并且有效促进了晶体相的形成，从而形成致密的微观结构，提升固化淤泥的强度。Xie[20]将高炉矿渣、电炉钢渣、烟气脱硫渣等工业废弃物和石膏混合，制备了一种新的淤泥固化材料，试验表明：高炉矿渣和烟气脱硫渣的活化作用，以及水泥、石膏等材料所产生的水化产物的填充及胶凝作用，是提高固化淤泥强度的最主要原因。

复合类固化材料的反应机理分为离子交换类和火山灰反应类。离子交换类中往往复掺有激发剂材料，其和淤泥混合后首先发生水解反应，然后通过离子交换作用合成胶凝性水化产物，硬化后形成水稳定的结晶矿物；火山灰反应类通过不同固化材料中含有的较高的火山灰活性物质发生反应，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙等胶凝成分，进一步填充土体间隙，提高土体强度[21]。

4 生物酶类固化材料及其固化效果

生物酶类固化材料是一种在植物中提取、经过催化和发酵而产生的有机类蛋白质。生物酶类固化材料具有环保、无污染、固化效果好、施工便捷等优点，但耐久性和浸水后的强度需要进一步研究[22]。Aziza[23]研究了两种酵母菌株对土壤中重金属离子的浸出特性及酶活性的影响，结果表明：酵母菌株的引入能够很好的固化铬、铜、锌等重金属离子；酶活性与有机物的含量呈线性关系；酶的加入对生态系统的修复有积极的作用。何振华等[24]利用五种不同的生物酶对淤泥土的固化效果进行室内试验，测试结果表明：生物酶的加入能够有效地降低淤泥土的液塑限以及塑限指数，并且大幅度提高淤泥土的剪应力；但淤泥土的最大干密度和最佳含水率不受生物酶掺量的影响。叶学银等[25]测试表明经生物酶固化过后的淤泥质土样更容易被压缩，通过减小土颗粒之间的孔隙，极大地提高了抗剪强度。董辉等[26]以泰然酶、E3酶为试验对象对淤泥质土强度的时效性进行了研究，结果发现：泰然酶与E3 酶通过改变土颗粒的内摩擦角和粘聚力，提高了固化淤泥的抗剪强度；但固化淤泥强度的增加有明显的衰落期与强化期，这为实际工程的应用提供了指导意义。

生物酶类固化材料主要是在淤泥固化中起到了催化作用。由于其具有较多的高价离子，当渗透到土颗粒内部后会置换其中的低价离子，从而减弱土颗粒之间的双电层，降低斥力，使土颗粒排列更加紧密，阻止自由水的进入；在外力作用下加速淤泥水分的排出，降低压缩性，使土体变得更加密实[27]。