矿渣掺量对烧结淤泥性能的影响

李正昊 季晓檬 李 成

(江南大学环境与土木工程学院，江苏无锡 214122)

0 引言

我国幅员辽阔，河流众多，近年来由于污染渐趋严重，河流的清淤成为河流治理中必不可少的内容，我国每年展开大规模的疏浚和清淤工程，产生大量的疏浚淤泥［1，2］。如何合理利用这一数量庞大的资源，成为我们必须要面对和解决的问题。当前疏浚泥的主要应用技术有:固化填方技术、烧砖技术、烧制陶粒技术、制作水泥熟料技术、农林应用技术、制氢技术和生态湿地及栖息地建设应用技术等［3］。但是清理出的淤泥一般呈流塑状，几乎没有什么承载能力，不能直接利用。因此对疏浚淤泥的固化成为首先需要解决的问题。常用的固化方法有:物理脱水固结法、化学固化法以及高温烧结固化法。

之前研究较为成熟的是使用水泥作为固化材料的化学固化技术，而事实证明水泥的固化效果也确实很好。但是使用水泥固化同时又存在着很多的问题，比如成本高，材料水稳定性差，特别是用水泥加固有机质含量较高的淤泥时，其强度一般都比较低，这是因为有机质的存在阻碍了水泥水化反应的进行［4］。而淤泥通过高温烧结法进行固化转化为土木工程材料时，其产品的附加值较高，是将淤泥资源化行之有效的办法。因此与化学固化法相比，烧结固化法表现出更大的优势。烧结固化法是通过高温处理，使疏浚淤泥脱水，有机成分分解，颗粒之间粘结，或无机物发生熔解，然后再通过冷却，使得淤泥熔合成具有相当强度的固体颗粒［5］。同时，由于工业废渣，如粉煤灰、矿渣等在生产不同性能的水泥时就发挥了很大作用，因此很多研究也将工业废渣引入，达到改善烧结固化效果的目的。本文涉及到的实验研究采用的方法是掺入工业废渣条件下的烧结固化法。

1 实验材料及方法

将矿渣磨成细粉作矿物细掺料直接用于混凝土生产，是可持续发展和降低混凝土生产成本的重要技术路线［6］。因此矿渣更多的是掺加到水泥中作为矿物掺合料使用，而矿渣的掺量对水泥石的强度也有着重大的影响，实验表明:矿渣占混合固化剂的质量比在一定区间内(40%～70%)对水泥土强度的增强效果显著，而且低于10%时基本不会显示出效果［7］。但是将矿渣掺加到淤泥中，固化加以利用的研究还不是很多。本文主要通过在太湖淤泥中掺加不同量的矿渣，烧结固化，研究其对淤泥固化效果的影响。

1.1 实验材料

淤泥:淤泥取自无锡白旄淤泥堆场。将疏浚淤泥在烘箱中105℃条件下烘12 h，表面呈黄褐色。粉碎筛分，粒径0.05 mm。经XRF测定，淤泥样品的相关化学性质见表1。

表1 淤泥样品的化学组成 %

不难看出，在淤泥中SiO2含量最多，可以保证烧结制品足够的强度;CaO含量很低，则坯体在焙烧过程中不易变形［8］。

矿渣:工业废渣，白色。

溶液:1 mol/L的NaOH溶液。

试块成品规格:φ100 mm ×50 mm，每块质量 m=0.64 kg，密度 ρ=1.63 g/cm3。

1.2 实验方法

将烘干粉碎好的淤泥粉末与不同掺量的矿渣混合均匀，然后加入NaOH溶液搅拌，控制含水率在15%左右;然后将搅拌好的试样装入击实仪中击实;击实后干燥放置3 d;最后放入马弗炉中，在1000℃下恒温加热2 h;最后取出试块检测分析。

流程可用图1表示。

图1 实验流程图

2 实验结果和分析

2.1 矿渣掺量对烧结疏浚淤泥的无侧限抗压强度的影响

2.1.1 实验数据

本次实验主要研究矿渣在低掺量和高掺量情况下，对烧结淤泥的无侧限抗压强度的影响。低掺量分为:0%，3%，5%，10%四组;高掺量则为:20%，40%，60%三组。最后分别统计两组实验数据，见图 2，图 3。

2.1.2 数据分析

分析实验得到图表，可以得到结论:

低掺量(0%～10%)情况下，抗压强度值都处于较高水平，最高可达14.3 MPa，最低也有13.1 MPa，且其值掺量在4%～5%之间时强度达到峰值。高掺量(20%～60%)情况下，抗压强度值的变化也呈现抛物线趋势，且矿渣掺量40%附近时，抗压强度达到极值。由此还可以看出，低掺量条件下的无侧限强度整体高于高掺量的。这也说明，矿渣掺量并不是越高越好，而是存在一个合理的分布区间。

图2 低矿渣掺量下烧结淤泥的无侧限抗压强度值

图3 高矿渣掺量下烧结淤泥的无侧限抗压强度值

2.2 矿渣掺量对烧结疏浚淤泥的收缩率、烧失率的影响

矿渣作为掺料加入淤泥中，其影响必然是多方面的。除了上面讨论到的对抗压强度的影响，我们还要研究对烧结淤泥其他性质的影响。根据土木工程中对一般建筑材料，如建筑和装饰用砖的性能要求，本实验选择了收缩率和烧失率作为研究对象。

2.2.1 实验数据

通过对实验数据的整理，结果可用表2来表示，变化趋势由图4表示。

表2 矿渣掺量对烧结淤泥其他性质的影响 %

图4 不同矿渣掺量下烧结淤泥的收缩率及烧失率情况

2.2.2 数据分析

通过表2的数据统计，我们可以得出以下结论:

低掺量情况下，收缩率和烧失率都要比高掺量情况下的大了许多。收缩率随矿渣掺量的增加基本呈现先降后升的趋势;烧失率随矿渣掺量的增加所呈现的趋势要更加复杂，可表述为先下降再上升最后再下降，最后趋于平缓。结合实验得到的试件情况还可以得出，掺量高时烧结淤泥稳定性要更高一些，经高温烧结后的试块表面比掺量低时的更为平整，裂缝也更少。综合考虑两种因素的影响，可看出，掺量在5%附近时，两种指标的值都相对较小。

3 结论与展望

通过对掺矿渣疏浚淤泥烧结后的抗压强度、收缩率及烧失率等指标的研究，可以得出以下几点结论:

1)矿渣掺量对烧结疏浚淤泥的无侧限抗压强度的影响并不是简单的掺量越高，强度越大，而是低掺量的情况下抗压强度更为理想。

2)矿渣掺量对烧结疏浚淤泥的收缩率、烧失率的影响为:低掺量情况下，收缩率和烧失率都要比高掺量情况下的要大。

3)综合对比，可以初步给出本实验情况下的最佳矿渣掺量:矿渣掺量为5%，此时经高温烧结固化后的淤泥各方面的性能都较理想。无侧限抗压强度可达到13 MPa以上，用来制砖的话，已经可以达到一般土木建筑材料的要求;收缩率为5%，小于8%的一般要求;烧失率小，表明此时的材料性能较为稳定。

由于作者自身知识有限，对通过实验得出的各项结论还不能给出更具有说服力的机理阐述，因此这里只是将实验成果展示如上，并对数据加以初步分析。但是随着更多的研究者加入到淤泥烧结再利用的研究中来，相信试验中涉及到的相关内容都会得到解决，从而也会使烧结淤泥能够得到更好的发展利用。

［1］陈 萍，张振营，李小山，等.废弃淤泥作为再生资源的固化技术与工程应用研究［J］.浙江水利科技，2006(6)：1-3.

［2］朱 伟，张春雷，刘汉龙，等.疏浚泥处理再生资源技术的现状［J］.环境科学与技术，2002(4)：39-41.

［3］尹 平，宫晓波.疏浚泥综合利用现状［J］.能源研究与管理，2011(4)：17-20.

［4］王晓东，蒋 建.淤泥处理技术研究综述［J］.科技资讯，2009(10)：154-155.

［5］赵庆祥.污泥资源化技术［M］.北京：化学工业出版社，2002.

［6］万惠文，陈学兵，王 君.矿渣成分及结构对潜在活性的影响［J］.武汉理工大学学报，2009，31(4)：101-103.

［7］兰 凯，黄汉盛，鄢泰宁.掺入矿渣的水泥土强度模型试验研究及其配方优化［J］.水文地质工程地质，2007，5(5)：115-119.

［8］袁永兵，陈洪龄，吕志刚，等.以干化太湖淤泥为原料烧结制砖的研究［J］.环境科学与技术，2011，34(5)：179-182.