碱渣-矿渣固化疏浚淤泥含水率控制方法研究

何俊 吕晓龙 王文鹏

摘要：

以碱渣和矿渣为固化剂，电石渣为激发剂，通过设置不同含水率，碱渣、矿渣含量，开展固化疏浚淤泥的无侧限抗压强度和击实试验，以及核磁共振（NMR）、X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）测试，研究固化淤泥强度与含水率的关系。试验结果表明：固化淤泥强度随含水率的增加先增后减，可分为高强度段、强度急剧下降段和缓慢下降段，养护14 d时最高强度可达600 kPa以上。为使碱渣、矿渣高效地固化疏浚淤泥，可将含水率控制在淤泥塑限至液限之间，14 d强度不低于345 kPa。强度最优含水率与击实最优含水率相差不大，采用碾压法施工可将含水率控制在最优含水率的±3%范围，使固化淤泥强度处于高强度段；采用流动固化施工时，可根据强度要求，利用急剧下降段和缓慢下降段强度与混合含水率的幂函数公式确定含水率。

关 键 词：

疏浚淤泥； 含水率； 碱渣； 矿渣； 碾压法施工； 流动固化施工

中图法分类号： TU411

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.07.028

0 引 言

城市湖泊和河道的定期清淤将产生数量庞大、含水率高且含污染物的疏浚淤泥。目前，加入固化剂对废弃疏浚淤泥进行固化处理，将其转化为土工材料加以利用，是疏浚淤泥处理的主要方式［1］。疏浚淤泥固化时含水率主要有两种控制方式：碾压施工时控制在低含水率；流动固化（或浇注法施工）时控制在高含水率［1-2］。采用碾压法施工时，首先需对高含水率淤泥进行干化，这涉及到干化设备、场地和时间等问题；采用浇注法施工时，高含水率造成固化淤泥强度较低，通常需增加固化剂掺量以改善其性质。对于含水率变化范围大且脱水困难的疏浚淤泥，研究固化淤泥强度与含水率的关系以合理控制含水率具有重要意义。

固化淤泥应用于回填工程时常采用碾压法施工，含水率通常控制在根据击实试验确定的最优含水率（即击实最优含水率）附近。赵晓晴等［3］对掺磷尾矿粉的水泥固化淤泥研究发现，其强度在击实最优含水率附近达到最大，但从搅拌和流动性等施工要求角度考虑，含水率为60%左右较合适。郭爱国等［4］认为石灰稳定土按击实试验确定最優含水率时没有考虑土料与石灰之间的物理化学作用，施工最优含水率应比击实最优含水率大3%左右，此时无侧限抗压强度达到最大（即强度最优含水率）。王清等［5］利用超疏水乳液处理盐渍土时发现，在击实最优含水率附近，土的应力-应变关系由硬化型变为软化型，略低于该含水率时强度提升率最大。Vu等［6］利用粉煤灰地聚物固化淤泥，发现击实最优含水率与强度最优含水率接近。蔡光华等［7］研究初始含水率为15%～30%的MgO碳化固化粉土时发现，当初始含水率为15%时固化土无侧限抗压强度最大，该含水率低于击实最优含水率约3.6%。轻质（量）土最优含水率问题也得到很多学者的关注，朱伟等［8］对砂土EPS颗粒混合轻质土的研究发现，在强度最优含水率时，水量可满足水泥水化需水量且不存在多余水分，水起到润滑土颗粒和EPS，并提供水泥水化的作用。侯天顺等［9］对黏土EPS颗粒混合水泥轻量土的研究发现，干密度、无侧限抗压强度和比强都随含水率的增加先增后减，三者对应的最优含水率基本相同。可见，当土性、固化剂种类及固化方法不同时，击实最优含水率与强度最优含水率之间的关系可能存在一定差异。

高含水率疏浚淤泥往往呈流浆或浮泥态，采用流动固化时通常需要考虑混合土的和易性［2］，含水率对固化淤泥的性质有显著影响。国外很多学者针对水泥土搅拌桩背景下高含水率软土的强度进行研究，得到固化土无侧限抗压强度与水泥掺量、含水率、孔隙比及养护龄期之间的关系表达式［10-11］。张春雷等［12］对初始含水率为93.7%～204%的水泥固化疏浚淤泥研究发现，无侧限抗压强度随含水率的增加呈乘幂关系下降。章荣军等［13］采用归一化方法研究低掺量水泥固化高含水率海泥的强度性质，发现含水率对水泥固化黏土强度的影响是独立的，不同类型土的强度均随含水率的增加呈幂函数减小。郑耀林、徐志豪等［14-15］采用絮凝-固化联合法处理高含水率疏浚淤泥，发现聚丙烯酰胺和水泥的共同作用可大幅提高土的抗剪强度，形成大量水化硅酸钙、水化铝酸钙凝胶和钙矾石等产物，有效填充孔隙，形成密实结构。曹玉鹏等［16］对含水率为120%的疏浚淤泥采用水泥-生石灰-高分子添加剂固化处理，发现复合固化材料可快速降低疏浚淤泥的含水率，短期内大幅度提高无侧限抗压强度。丁建文等［17］对水泥-磷石膏双掺固化疏浚淤泥的研究发现，当初始含水率为2.50～3.25倍液限时，淤泥强度与含水率呈近似线性递减关系。碱渣是氨碱法制碱过程中产生的、具有腐蚀性的工业强碱性废料［18］，笔者对水玻璃-碱渣-矿渣固化疏浚淤泥的研究发现，当含水率从110%降至90%时，淤泥无侧限抗压强度有所增加，继续降至70%时强度大幅增加［19］。

上述文献表明，目前在含水率对固化土性质影响研究方面，仍以石灰及水泥固化土为主。碱渣作为一种特殊的工业固体废弃物，用作疏浚淤泥固化剂时与传统固化剂的差异还有待于深入研究。本文在前期研究基础上，以碱渣、矿渣和电石渣固化疏浚淤泥为研究对象，针对碾压法和浇筑法两种施工方法，开展不同含水率条件下固化淤泥的无侧限抗压强度和击实试验，并结合核磁共振（NMR）、X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）测试，探讨含水率对固化淤泥性质的影响规律及其微观机理，揭示固化淤泥击实最优含水率与强度最优含水率的差异、强度与含水率及固化剂掺量的定量关系。

1 试验方法

试验所用疏浚淤泥取自武汉市巡司河，其天然含水率在160％～180％之间，液限为55％，塑限为38.7％，有机质含量为9.25%，呈灰黑色流塑状态。固化剂由碱渣和矿渣组成，电石渣与碱渣一起作为矿渣的激发剂。试验材料矿物质成分见图1。疏浚淤泥主要矿物成分为石英、白云母、伊利石和钙长石。碱渣主要化学成分为CaO（66.5%）、SO3（11.3%）、SiO2（8.6%）和Cl（6.7%），矿物成分以碳酸钙、二水硫酸钙和氯化钠为主。矿渣中主要化学成分为CaO（38.6%）、SiO2（33.9%）和Al2O3（15.3%），矿物成分以硅酸二钙、铝酸三钙和钙铝黄长石为主。电石渣主要成分为氢氧化钙。

图1 试验材料XRD图谱

Fig.1 XRD spectrum of raw materials

试验时，首先将淤泥风干、碾碎、过1 mm筛后，根据设定含水率加水搅拌；将碱渣、矿渣和电石渣于60 ℃烘干并过1 mm筛后与淤泥搅拌均匀，密封12 h后制样。然后分别进行无侧限抗压强度和击实试验、NMR、XRD和SEM测试。试验方法如下：

（1） 无侧限抗压强度试验。采用分层击实法在内径39.1 mm、高80 mm的钢模具中制样，将混合土分3层击实，击实功为64.65 （N·cm）/cm3，该值接近于标准轻型击实试验的击实功。试样制备完成后放入温度为（20±5） ℃、湿度大于95%的标准养护箱内养护1 d后脱模，然后继续养护至设计龄期14 d。采自YSH-2型应变控制式无侧限抗压强度仪进行无侧限抗压强度试验，结果见表1。淤泥的初始含水率（即水与干土质量之比）设定为淤泥液限的0.7～2.5倍。根据前期试验确定固化剂掺量（固化剂与干土质量之比），矿渣设为10%和6%；为更多地消纳碱渣，其掺量相对较大；为了更好地激发矿渣，电石渣掺量为矿渣掺量的40%，以起到较好的激发效果［20］。每组方案取2个平行试样。

（2） 击实试验。依据GB/T 50123-2019《土工试验方法标准》，采用TDJ-3型多功能电动击实仪进行标准轻型击实试验。击实锤质量为2.5 kg，击实桶内径和筒高分别为102 mm和116 mm，不同配比混合土搅拌均匀并密封12 h后分3层击实，击实功为65.19 （N·cm）/cm3。

（3） NMR测试。采用苏州纽迈股份有限公司的核磁共振岩心分析仪（MicroM12-025VR）进行NMR测试。混合土搅拌均匀并密封12 h后，分2层在内径18 mm、高30 mm的亚克力模具中击实，在标准养护箱内养护至设计龄期后，真空抽气饱和试样。然后将试样装入核磁共振仪试样管中进行测试，反演得到弛豫时间T2分布曲线。

（4） XRD测试。强度试验完成后取中部小块试样，经60 ℃烘干并过75 μm筛后，采用日本理学公司的X射线衍射仪（MiniFlex600）进行XRD测试，扫描速度为5°/min，扫描范围5°～75°。随后采用Jade軟件分析矿物成分。

（5） SEM测试。强度试验完成后取中部小块试样，冻干并喷金处理后，采用日本日立公司的高分辨场发射扫描电镜（Hitachi SU8010）进行SEM测试，放大倍数为5 000～20 000倍。

2 试验结果与分析

2.1 含水率对应力-应变关系影响

不同初始含水率下，试样J20K10D4的应力-应变曲线见图2。其他配比试样也呈现出类似变化规律。可以发现：固化淤泥脆性破坏与塑性破坏之间存在分界含水率，与文献［5］一致，本文得到分界点均为66%。当初始含水率>66%时，试样为典型塑性破坏特征，应力-应变曲线较平缓，没有明显应力降，破坏应变大都超过5%，其中初始含水率为110%和137.5%的试样破坏应变约9%。当初始含水率≤66%时，试样为脆性破坏，应力-应变曲线呈软化型，有明显应力降，破坏应变均小于4%，其中初始含水率为41%和44%的试样破坏应变小于2%；与初始含水率为41%和44%试样相比，初始含水率为38.5%的试样强度较低、破坏应变较大。

当初始含水率较低时，固化淤泥中孔隙体积较少，生成的水化产物填充孔隙，试样出现脆性破坏；当初始含水率较高时，孔隙除被水化产物填充外，还存在没有发生反应的自由水，颗粒之间连接较弱，从而呈现强度低、塑性变形大的特点；当初始含水率达到最优时，试样强度最大、脆性破坏最明显。

2.2 含水率对无侧限抗压强度影响

含水率对固化疏浚淤泥无侧限抗压强度的影响见图3，其中图3（a）横坐标为淤泥初始含水率，用直方图展示强度误差线和固化剂掺量对强度的影响；图3（b）横坐标为混合土含水率（水与固体质量之比），以展示固化剂对初始含水率的降低作用和强度随含水率的变化速率。

固化淤泥的无侧限抗压强度随含水率的增加呈先增大后减小的趋势，存在强度最优含水率。试样J20K10D4和J20K6D2.4在初始含水率为44％时强度最大，分别为642.9 kPa和599.2 kPa；试样25K6D2.4和J30K6D2.4在初始含水率为41％时强度最大，分别为694.1 kPa和601.1 kPa。

当初始含水率在38.5%～55％之间时，不同配比试样的强度基本都超过了345 kPa，该值为ASTM D4609推荐的判断固化土中固化剂有效性的强度限值［21］。因此，当初始含水率控制在淤泥的塑限和液限范围内时，这几种掺量用于固化疏浚淤泥是有效的。含水率过高会导致固化淤泥的强度较低；含水率过低则可能使淤泥中黏土颗粒团聚严重，出现土与固化剂拌和困难或不均匀问题。345 kPa对应混合土含水率如表2所列，当混合土含水率低于该值时，固化淤泥强度超过345 kPa。可见，试样J20K10D4的345 kPa对应混合土含水率较高，为43.56%，其他试样约为40%；当碱渣掺量增大时，对应含水率略有降低。

无侧限抗压强度随含水率的变化可分为3个阶段：高强度段、强度急剧下降段和缓慢下降段，如图3（b）所示。在高强度段，强度随含水率的增加先增后减，超过最优含水率后强度有所降低，但整体维持在较高强度水平；在强度急剧下降段，强度随含水率的增加急剧降低；在强度缓慢下降段，强度继续下降，但变化速度趋于平缓。水泥固化疏浚淤泥的无侧限抗压强度随含水率增大呈幂函数形式减小［12-13］，本文结果与之一致：在强度急剧下降段和缓慢下降段，4种配比固化淤泥强度与混合土含水率之间可用幂函数拟合，拟合效果较好。

当初始含水率为38.5%和41%时，不同固化剂掺量的固化淤泥强度变化规律性不强，其原因可能在于低含水率时淤泥、水和固化剂不易搅拌均匀；当初始含水率在44%～99%时，试样J20K10D4的强度高于其他试样，矿渣的固化效果优于碱渣；初始含水率为110%和137.5%时，试样J20K10D4的强度低于其他试样；当矿渣和电石渣掺量不变时，固化淤泥强度随碱渣掺量的增加而增大，表明增大碱渣掺量对固化淤泥的强度具有积极作用。

2.3 击实曲线分析

固化淤泥击实曲线见图4。表2给出了强度最优含水率、击实最优含水率与强度最优含水率的差值及高强度段对应含水率的范围。

固化淤泥的击实曲线与细粒土相似，即存在击实最优含水率和最大干密度。不同之处在于，当含水率低于最优含水率时，击实曲线比较平缓，干密度的变化较小。石灰改性膨胀土的击实曲线也有相似的规律［4］。造成这种现象的原因可能在于固化淤泥混合后闷样12 h即进行击实，固化剂与淤泥及孔隙水之间存在复杂的物理化学反应和相互作用；低含水率时孔径和孔隙体积较小，颗粒之间接触较为紧密，造成干密度的变化不大。

不同配比试样的最大干密度和最优含水率均相差不大；试样J20K10D4最大干密度略低、击实最优含水率略高。强度最优含水率与击实最优含水率相差不大，除试样J20K10D4击实最优含水率比强度最优含水率高2.34%外，其他试样2种最优含水率之差均在±1%之内。当含水率在最优含水率附近时，在电石渣及碱渣对矿渣的激发作用下，矿渣掺量越高，固化剂与土之间的反应越剧烈，这可能导致试样J20K10D4与其他试样存在一定差异。试样J20K10D4與石灰改性膨胀土类似，后者强度最优含水率比击实最优含水率高3%的原因在于，石灰土的强度是由土粒之间的黏结与摩擦力、化学反应形成的胶结作用共同组成［4］。对于矿渣掺量较低的试样J20K6D2.4、J25K6D2.4和J30K6D2.4，胶结作用对强度的影响相对较弱，强度最优含水率与击实最优含水率相差较小。

以最大强度85%范围作为高强度段，可知高强度段对应含水率的变化范围在5.7%～10.0%之间（见表2）。考虑到强度最优含水率和击实最优含水率之间的差异，可以认为：对于碱渣-矿渣固化疏浚淤泥采用碾压法施工，将施工含水率控制在强度或击实最优含水率± 3%的范围内比较可靠，强度能够保持在较高水平，该范围内固化淤泥强度与最大强度相差不大。

2.4 核磁共振分析

不同初始含水率下试样J20K10D4的NMR结果见图5，其中弛豫时间T2可反映孔径大小，积分面积可反映孔隙体积大小。无侧限抗压强度与总积分面积的关系见图6。

不同含水率下试样的T2分布多呈双峰形态。第一峰对应最可几小孔隙孔径集中在T2=1～1.75 ms，随着初始含水率的增加，最可几小孔隙孔径增大；第二峰对应最可几中孔隙孔径在T2=32.75～65.79 ms之间，也随初始含水率的增加而增大。试验测试范围内，初始含水率为77%和99%的试样中还存在孔径更大的孔隙没有完全表示出来。随着初始含水率的增加，小孔隙、中孔隙和总孔隙的体积均增大。

与图3类似，无侧限抗压强度随总积分面积增大，也呈先增后减趋势。当含水率从44%增加至99%时，孔径和孔隙体积增大，结构变得疏松，试样无侧限抗压强度逐渐减小。然而，当初始含水率从38.5%增大至44%时，试样最可几中孔隙孔径增大，小孔隙、中孔隙和总孔隙体积均增大，而无侧限抗压强度却增大，其原因还需要从矿物成分来分析。

2.5 X射线衍射分析

代表性试样XRD图谱见图7。在碱渣和电石渣提供的碱性环境下，疏浚淤泥和碱渣中活性SiO2与Ca（OH）2发生水化反应生成水化硅酸钙（CSH）［22］，活性SiO2和Al2O3还与Ca（OH）2反应生成水钙沸石（CaAl2Si2O8·4H2O）［19，23］；碱渣中CaSO4·2H2O与矿渣中铝酸钙、电石渣中Ca（OH）2等反应生成具有膨胀填孔作用的钙矾石（Ca6Al2（SO4）3（OH）12·26H2O）［22，24］；碱渣中氯盐与Ca（OH）2等反应产生水化氯铝酸钙（Ca4Al2O6Cl2·10H2O）［25］。

初始含水率为44%时，试样J25K6D2.4和J30K6D2.4中CaSO4·2H2O衍射峰明显高于试样J20K10D4，表明含水率低且矿渣掺量较少时，有较多CaSO4·2H2O没有参与反应；初始含水率为110%时，CaSO4·2H2O衍射峰减弱甚至消失，表明高含水率条件为CaSO4·2H2O的反应提供了充足水分，生成的钙矾石衍射峰明显强于含水率为44%的试样。

初始含水率为110%时，与试样J25K6D2.4和J30K6D2.4相比，试样J20K10D4中钙矾石衍射峰较弱，但水钙沸石衍射峰较强，起到一定的胶凝作用［23］。钙矾石的生成消耗大量的液态水［24］，从而使高含水率时碱渣掺量越高试样强度越大，且大于试样J20K10D4。

对于试样J20K10D4，初始含水率从38.5%增大为44%时，CaSO4·2H2O衍射峰减弱；含水率继续增大时该峰几乎观察不到，表明此时碱渣中CaSO4·2H2O反应更充分，生成钙矾石，在高含水率淤泥中起到较好的固化作用，有利于提高淤泥强度。但含水率增加使固化淤泥的孔径和孔隙体积增大、结构变得疏松，导致其强度降低。

与初始含水率为38.5%的试样相比，初始含水率为44%的试样中钙矾石、水化氯铝酸钙和CSH的衍射峰均较强，表明最优含水率附近时试样水化反应相对充分、水化产物的联结作用较强，从而使其具有较高的强度。

2.6 扫描电镜分析

试样J20K10D4的SEM照片见图8。可以看出，两种初始含水率试样中都可以观察到针棒状钙矾石，起到填充孔隙、连接颗粒和胶结作用。含水率为44%的试样中还可观察到絮状CSH，其与针棒状钙矾石等水化产物一起形成致密的结构，孔隙较小；与初始含水率为44%的试样相比，初始含水率为99%的试样单位面积上水化产物较少，结构较为疏松，孔隙较大。SEM观测结果与NMR和XRD测试所得规律一致。

3 结 论

（1） 碱渣-矿渣固化疏浚淤泥无侧限抗压强度随含水率增加呈先增后减趋势，可分为高强度段、强度急剧下降段和缓慢下降段。养护14 d时最高强度不低于600 kPa；当淤泥初始含水率在塑限至液限之间时，14 d无侧限抗压强度不低于345 kPa。

（2） 固化淤泥的强度最优含水率与击实最优含水率相差不大，除试样J20K10D4为前者比后者低2.34%外，其他试样2种最优含水率相差均在±1%之内。碾压法施工时，将施工含水率控制在最优含水率±3%范围内可使固化淤泥处于高强度段。

（3） 在强度急剧下降段和缓慢下降段，无侧限抗压强度随含水率的增加呈幂函数减小，流动固化施工时可用该函数预测强度。

（4） 当初始含水率为44%～99%时，矿渣固化效果优于碱渣；固化淤泥中钙矾石含量等随碱渣掺量的增加而增多，强度随之增大。当含水率超过99%时，增大碱渣掺量可提高固化淤泥强度。从消纳碱渣和强度来看，试样J30K6D2.4较合适。

（5） 随着初始含水率的增加，最可几孔隙孔径和孔隙体积增大，固化淤泥强度减小。在最优含水率附近，试样中生成较多的钙矾石、水化氯铝酸钙和CSH等水化产物，形成致密结构，从而具有较好的固化效果。

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（编辑：胡旭东）

Determination of water content of dredged sludge solidified with alkali slag and blast furnace slag

HE Jun1，LYU Xiaolong1，WANG Wenpeng2

（1.School of Civil Engineering，Architectural and Environment，Hubei University of Technology，Wuhan 430068，China； 2.PowerChina Vibroflotation Construction Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100102，China）

Abstract：

Using alkali slag and blast furnace slag as curing agent and carbide slag as activator，the unconfined compressive strength and compaction test of solidified dredged sludge were carried out by setting different water content，alkali slag and blast furnace slag content，so the relationship between strength and water content of solidified dredged sludge was studied.In addition，nuclear magnetic resonance，X-ray diffraction and scanning electron microscopy tests were carried out.The test results showed that the strength of solidified sludge increased first and then decreased with the increasing of water content，which could be divided into high strength section，sharp decline section and slowly decline section.The maximum strength could reach more than 600 kPa after 14 days of curing.In order to effectively solidify the dredged sludge with alkali slag and blast furnace slag，the water content should be controlled between the plastic limit and the liquid limit of the sludge，and the 14 days strength was no less than 345 kPa.The optimal water content of strength and the optimal water content of compaction had little difference.The water content could be controlled within the range of ±3% by rolling method，so that the strength of solidified sludge was in the high strength section.When the flow curing construction was adopted，the water content could be determined according to the strength requirements by the power function formula of the strength and the mixed water content in the sharp decline section and the slowly decline section.

Key words：

dredged sludge；water content；alkali slag；blast furnace slag；rolling construction；flow curing construction