河道淤泥固化技术研究

(新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 引 言

河道疏浚问题一直是我国河道整治的重要难题。为保证河道正常运行，国内近年来进行了大量的河道清淤工程，从而产生了大量的工程淤泥，而对于大面积的淤泥常采用修剪排泥堆场的方法，集中收集淤泥，使淤泥自然干化[1]。但这种方法由于底泥与周围环境直接接触，易造成二次污染，存在着较大弊端。生态治理理念旨在保护环境的前提下，最大程度治理污染，已是现如今治污清淤领域的必然发展趋势[2]。淤泥固化技术近年来被广泛应用于河道清淤疏浚工程中，常用的淤泥固化技术主要包括物理方法、热处理方法和化学方法3大类[3-4]，前两类由于其投资较大，导致应用受限。淤泥固化技术的主要原理是:通过在高孔隙率的淤泥中加入固化材料，使固化材料与淤泥之间发生化学反应，最终形成胶凝结构，使淤泥变为土工材料，达到资源再利用的目的[5]。但淤泥固化技术对不同河道淤泥类型，所要求的固化材料的用量不同，因此通过试验研究河道最优淤泥固化技术具有重要的现实意义。

2 试验设计

该研究选取的淤泥物理指标及淤泥颗粒级配情况分别见表1和表2。在不同梯度水泥掺加量下设置不同石膏掺加量梯度，确定不同固化材料含量下对淤泥固化特性指标的影响，不同石膏掺加量以石膏掺入比来确定。所谓石膏掺入比指的是石膏掺加质量与水泥掺加质量的比值。试验共设置3个不同梯度水泥掺入量，分别为每立方米淤泥掺加30kg、50kg和70kg，设置6个不同梯度的石膏掺入比，分别为0、10%、20%、30%、40%和50%，用不同石膏掺入比的淤泥制作试验试块，分别测定其养护7d和28d时的抗压强度，研究不同石膏掺入比对淤泥固化形成机理，找出最优石膏掺入比。

表1 淤泥基本物理性质参数

表2 淤泥颗粒组成

3 结果与分析

3.1 不同石膏掺入比对淤泥固化强度的影响

图1为不同石膏掺入比和不同水泥掺入量下，淤泥7d和28d的固化强度对比。图1显示，高的石膏掺入比并未带来高的淤泥固化强度，不同水泥掺入量下，淤泥固化强度均随石膏掺入比的增大呈先增大后减小的趋势。在石膏掺入比为30%时，3种水泥掺入量下的淤泥固化强度均达到最高值，7d固化强度分别提高了44.3%、49.7%和62.6%，28d固化强度分别提高了46.9%、47.5%和60.3%。同时，随着水泥用量的提高，淤泥固化强度呈增加趋势，水泥掺入量为70kg时，淤泥7d、28d固化强度在不同石膏掺入比下均达到最高值，因此水泥掺水量为70kg，石膏掺入比为30%时，淤泥强度达最高值。

图1 不同石膏掺入比对淤泥固化强度的影响

3.2 不同石膏掺入比对淤泥固化增强系数的影响

图2为不同石膏掺入比和不同水泥掺入量，对淤泥7d和28d固化增强系数的影响。图2显示，不同处理的淤泥固化增强系数对石膏掺入比的增加呈先增加后减少的趋势。淤泥7d固化系数普遍低于28d固化系数，其中淤泥7d固化系数在石膏掺入比为10%时，水泥掺入量越低，其固化系数越高，随着石膏掺入比的增加，水泥掺入量越大，淤泥固化系数越高；淤泥28d强度下，水泥掺入量为30kg和50kg的淤泥固化系数基本一致，而水泥掺入量为70kg的淤泥固化系数显著提高，较其余处理淤泥固化系数最大提高了63.8%，提高明显，因此水泥掺入量为70kg，对应石膏掺入比为30%时，淤泥7d和28d固化增强系数均最高。

图2 不同石膏掺入比对淤泥固化增强系数的影响

3.3 淤泥固化机理分析

水泥固化淤泥的基本原理是通过水泥的水化作用，形成水化产物，与淤泥颗粒形成胶结结构，从而增加淤泥强度，具体反应公式如下：

水泥水化反应的主要产物为氢氧化钙、水化硅酸钙等，其水中的溶解度较高，与水发生反应后，使水泥颗粒重新与水接触，进一步进行水化反应。水达到饱和后，不再溶解，反应物以胶体颗粒的形式析出，形成胶结结构，增加淤泥强度。

由于单纯的仅靠水泥水化反应产生的水化硅酸钙固化淤泥时，其填充淤泥颗粒之间孔隙的效率较低，而在反应中添加石膏之后，其余水泥发生反应形成钙矾石，钙矾石遇水膨胀，使固化淤泥的孔隙率减小，弥补了水化硅酸钙的不足，进一步促进了淤泥固化。但由于钙矾石的膨胀作用可增加淤泥强度，但无法增加其胶结性能，因此钙矾石的功能具有两重性，过量的施加石膏将降低最终淤泥固化强度。本研究发现：在石膏掺入比为30%时，淤泥固化强度最高；在石膏掺入比为40%和50%时淤泥固化强度反而降低，验证了需提供最佳石膏掺入比的结论，因此为达到最优淤泥固化强度，需保持水泥掺入量和石膏掺入比的合适比例；当水泥掺入量为70kg，石膏掺入比为30%时，淤泥的固化强度最高。

4 结 语

本文通过试验研究的方法，分别设置30kg、50kg和70kg的水泥掺入量，分别对应0、10%、20%、30%、40%和50% 6种石膏掺入比，比较了不同处理对淤泥7d、28d固化强度与固化增强系数的影响，指出在水泥掺入量为70kg，石膏掺入比为30%时，淤泥7d、28d固化强度与固化增强系数最高，可作为淤泥固化的标准技术。但本研究水泥掺入量只设置了3种不同梯度的水泥用量，今后的研究应多设置几组水泥掺入量的水平，得出最优的水泥掺入量，为淤泥固化技术的构建提供基础。

参考文献

[1] 陶琛杰，顾晓惠，周健.浅析河湖生态清淤及淤泥固化技术的研究与运用[J].江苏水利，2014(7)：42-44.

[2] 马丹.生态治理技术在大凌河朝阳段的应用研究[J].水利规划与设计，2017(5)：84-86,145.

[3] 唐晓武.超软弱废弃土的基本性质及其利用[C].第一届全国环境岩土工程与土工合成材料技术研讨会文集，杭州：浙江大学出版社，2002：81-87.

[4] 黄英豪，朱伟，董婵，等.固化淤泥结构性力学特性的试验研究[J].水利学报，2014，45(S2)：130-136.

[5] 丁建文，张帅，洪振舜，等.水泥—磷石膏双掺固化处理高含水率疏浚淤泥试验研究[J].岩土力学，2010，31(9)：2817-2822.