洞庭湖北部垸内沟渠淤泥固化土物理力学性质试验研究

田 大 作

(湖南省水利水电科学研究院，长沙 410007)

0 引 言

近年来，随着对农村以及城镇交接地区环境保护意识增强和饮用水质量改善要求的提高，人们开始有计划的对区域内沟渠进行清淤处理。目前，我国渠道淤泥处理的主要方式为堆放填埋[1-3]和抛弃入海[4-6]两种。但需要注意的是，现有处理方法尚会带来一定的不良影响。首先，渠道淤泥数量大、具有一定污染性，堆放填埋会占用大面积土地，浪费土地资源，运输成本等也相对较高[7,8]；其次，大量污染物富集在沟渠水底沉积形成的淤积泥沙中，具有较强污染性，抛入外海或填埋均会造成环境的二次污染[9]。因此，如何提出一种高效、简单又环保的淤泥处理措施已成为渠道疏浚工程普遍存在的难点之一，而考虑渠道疏浚工程项目的不断增多，课题研究具有显著的工程价值和现实意义。

目前，欧美国家提出了采用固化处理淤泥的方法，且将固化处理后的淤泥用于建筑工程中，如将处固化处理后的淤泥用于路基填筑、制作砖等[10]。因此，若将固化技术引进渠道淤泥处理中，不仅有利于环境保护，同时可降低工程成本、提高工程效益，既可解决淤泥的处理问题，也有着良好的工程效益和积极的社会意义。

鉴于此，本文以洞庭湖北部垸内沟渠淤泥为研究对象，采用水泥加偏铝酸钠对沟渠淤泥进行固化试验，测定其不同龄期的无侧限抗压强度，渗透系数等物理力学指标，获得淤泥固化土的最优配比，并对其进行电镜扫描，获得其微观结构。

1 现场调研与淤泥性能测试

1.1 现场调研与分析

为了深入了解洞庭湖北部垸内沟渠情况，对垸内沟渠进行了现场调研。现场调研发现，洞庭湖北部区垸内沟渠存在沟渠淤塞、水质恶化，岸坡杂乱等问题。

通过现场调研分析，洞庭湖北部垸内沟渠出现上述现状的原因主要为：①垸内沟渠由于上游农田水土流失，沟渠局部被人为筑坝拦断，水流流速小，沟渠两岸杂草影响等原因，造成沟渠泥沙淤泥严重，沟渠过水能力减弱；②部分地区畜牧养殖业的废物、废水直接排放至沟渠 ，在高气温、低流速、无处理的情况下，沟渠水质恶化严重，水环境亟需改善；③沟渠数量巨大，专业人员少、经费匮乏等客观原因，导致沟渠长期处于疏于管理甚至无人管理的状态，日常维护基本缺失，导致沟渠环境日渐恶化。

随着洞庭湖治理的不断深入，出于保护环境和改善水质条件的目的，必须对这些沟渠进行清淤处理。但需要注意的是，大量污染物富集在沟渠水底沉积形成的淤积泥沙中，具有较强污染性，故不能直接采用还田方法以免对农作物生产产生安全隐患，且可能造成沟渠水体环境的二次污染；而将清出的淤泥运出处理，不仅增加运输成本，而且确保弃土区及对弃土区的环境影响也是必须要面对的问题。因此，若能将清出的淤泥进行固化处理，不仅有利于环境保护，同时可降低工程成本、提高工程效益。

1.2 淤泥性能测试

通过对洞庭湖北部垸内沟渠淤泥进行现场取样，对淤泥进行密度、含水率、界限含水率、孔隙比、饱和度、级配特征等物理特性测试，并对淤泥进行矿物成分分析。

(1) 含水率。含水率对淤泥性能有显著影响，参考《土工试验方法标准》(GB/T50123-1999)测得淤泥的含水率，测试结果见表1。

表1 淤泥含水率

(2) 密度。淤泥湿密度和干密度采用环刀法进行了测定，测试结果见表2。

表2 淤泥湿密度和干密度 g/cm3

(3) 孔隙比及饱和度。淤泥孔隙比的大小能反映淤泥的松、密程度，淤泥的孔隙比越大，淤泥越疏松，反之则淤泥越密。而淤泥的饱和度能反映淤泥的湿润程度。故根据获得的含水率、密度与比重等结果，根据式(1)、(2)可计算获得孔隙比与饱和度见表4。

e=ρwGs(1+ω0)/ρ0-1

(1)

Sr=ω0/[ρw(1+ω0)/ρ0-1/Gs]

(2)

(4)颗粒级配。考虑到淤泥颗粒大小较小，故仅采用密度计法测定0.075 mm以下的土颗粒级配，测得的粒径组成见表4。

表4 淤泥粒径组成

颗粒级配分析可知，淤泥粒径分布范围较为广泛，颗粒级配良好。其中，粒径小于0.075 mm占比100%，粒径小于0.005 mm的占比20.74%，淤泥试样中粉粒、黏粒含量高。

(5) 有机质含量和化学组成。淤泥有机质含量和化学组成对其固化效果存在一定影响，经检测试验所选淤泥有机质含量达到了7.26%，淤泥的化学组成为二氧化硅60%、三氧化铝17%、三氧化二铁10%、氧化钙10%、氧化镁2%、硫化物1%。

通过实验结果可知，洞庭湖北部垸内沟渠淤泥主要化学成分为二氧化硅和三氧化铝，含水量超过75%，有机质含量大于5%，粒径小于0.075mm占比100%，粉粒、黏粒含量高。

2 试样制备及试验方法

2.1 试验材料

(1)淤泥。取自洞庭湖北部安乡县垸内沟渠内淤泥，并将杂物等去除。

(2)水泥。水泥为普通硅酸盐水泥R42.5，细度通过80 μm方孔筛的筛余量不大于5%，性能满足GBl75-2007标准的有关要求。

(3)固化剂。根据淤泥的物理特性、有机质含量和化学组成，选取偏铝酸钠作为固化剂，购自天津某化工厂。

2.2 试验设计

采用正交试验方法进行试验设计，为了便于制样，先将淤泥加水制成泥浆，测得相应比重后再与水泥与固化剂进行混合。本试验采用比重为1.0、1.2、1.4、1.6的泥浆8 L；水泥0.43、0.64、0.87、1.07 kg；偏铝酸钠0.43、0.64、0.87、1.07 g进行三因素四水平正交试验。

2.3 试样制备

将水泥、偏铝酸钠与泥浆按一定配比在铁桶中混合，利用机械进行搅拌，并采用压力试验机压实，每组制作6个平行试样，共96个试样，具体过程如下。

(1) 按照试验配比称量泥浆、水泥和固化剂；

(2) 将水泥、偏铝酸钠加入定量泥浆中，用搅拌机低速搅拌5 min 后得拌和料；

(3) 将拌和料倒入直径50 mm高100 mm 圆柱体试模中，使00块外露4 cm。在 1 h 内用压力试验机将000块压入试模，维持压力5 min，试验设置压力为 200 kN；

(4) 试样24 h后进行脱模，称取的记录各试件质量，测量试件高度，质量损失不能超过10 g，高度误差为0.2～0.2 cm。舍去质量及高度不合格试件，并立即用密封袋将试件密封，放入标准养护箱养护，养护温度为20 ℃，湿度为 95%以上。

2.4 试验方法

参考《土壤固化剂应用技术导则》对固化淤泥进行性能测试。 试验测试固化土14d 龄期无侧限抗压强度，以每组6个试样的平均值作为该组固化土强度值，舍去测试值与平均值相差超过10%的试样。

3 试验结果与分析

本次试样的淤泥固化土用于路基填筑，其固化效果评价主要为无侧限抗压强度，通过对泥浆、水泥掺量、偏铝酸钠掺量的正交试验结果进行14 d的无侧限抗压强度的极差分析，见表5。

由极差分析结果可知，泥浆掺量、水泥掺量、偏铝酸钠掺量极差分别为0.17、0.795、0.05。故该试验 3个影响因素中水泥掺量对淤泥固化土的抗压强度影响最大，其主次关系为水泥掺量>泥浆掺量>偏铝酸钠掺量。

因此，试验中应该着重控制水泥掺量这个因素。此外，淤泥固化土试验抗压强度正交试验极差分析结果可以得出抗压强度最优配比为A4B4C1，即泥浆掺量为9.6 kg，水泥掺量为1.07 kg，偏铝酸钠掺量为0.43 g。

4 固化淤泥电镜扫描分析

取最优配比的固化淤泥4次干湿循环后试件进行电镜扫描试验，结果如图1所示。

由图1(a)、(b)可知，固化淤泥在干湿循环4次后形成许多蜂窝状结构物质，它由偏铝酸钠中活性物质聚合后形成，含有较多的疏水基团，具有较小的表面张力而不吸水，具有大小不一的凹孔，只能通过潮气而阻止液态水通过。由图1(c)、(d)可知，水化反应过程中生成了大量的杆状结晶，长径比较大，直接连接两个甚至多个淤泥颗粒，并相互叠加形成了三维网状结构。

图1(e)表明，水化反应过程中也生成了比较多的棒状结晶，与CSH凝胶及淤泥颗粒结合比较紧密。图1(f)表明，水化

表5 无侧限抗压强度侧限正交试验分析

图1 淤泥固化微观分析结果(SEM)

反应过程中存在针状结晶，但数量比较少。对比发现，水化反应中杆状结晶长径比较大，且结晶数量及结构性强于棒状结晶，说明偏铝酸钠能极大地促进水泥水化反应进行，其产物能显著提高淤泥固化淤泥中颗粒间的结合力。

5 淤泥固化土填筑路基施工工序

对于洞庭湖北部沟渠淤泥，当淤泥深度基本相同时，根据淤泥的湿密度1.56 g/cm3，按照质量比泥浆掺量∶水泥∶偏铝酸钠=9.6∶1.07∶0.43，配置水泥偏铝酸钠混合液，采用粉体布料机在淤泥表面喷射，并采用特种淤泥拌和机直接在淤泥区拌和。经拌和均匀后，采用自卸汽车快速运送至工地，进行摊铺碾压，避免运输时间过长，发生摊铺压实困难；现场摊铺可采用推土机、平地机等，按规定的厚度进行施工，摊铺厚度一般为30 cm，松铺厚度根据现场试验确定。施工过程中应严格遵守施工现场设备操作技术规范，杜绝设备带病工作、各种机械的操作人员和机动车辆驾驶人员，必须经过专业培训和考试合格后，方准独立操作。具体施工工艺流程如图2所示。

图2 淤泥固化土填筑路基施工流程图

从经济性方面来讲一般情况下，采用淤泥固化土填筑路基，1 m3的回填单价约为50元，比常规土方回填单价略高，但考虑到淤泥的处治费用，实际成本更低，且淤泥再利用具有良好的社会和环境效益。

6 结 语

(1)通过一系列物理特性测试试验可知，洞庭湖北部垸内沟渠淤泥具有较高的含水量和有机质含量，淤泥粒径分布范围较为广泛，粉粒、黏粒含量高，主要化学成分为二氧化硅和三氧化铝。

(2)提出了采用水泥、偏铝酸钠来固化湖北部垸内沟渠淤泥的处理方法，当泥浆掺量为9.6 kg，水泥掺量为1.07 kg，偏铝酸钠掺量为0.43 g固化获得的固化体强度最高。

(3)偏铝酸钠能有效促进水泥水化生成大量的AFt结晶，并能修复AFt膨胀作用产生的微裂缝。结晶体长径比直接连接两个甚至多个淤泥颗粒， 形成三维网状结构，提高加筋、骨架及填充作用，形成刚性约束，提高固化淤泥强度和抗渗透性能。

(4)采用淤泥固化土填筑路基，1 m3路基的回填单价约为直接成本50元，比常规路基土方回填单价略高，但考虑到淤泥的外运处治费用，实际成本更低。

为就近利用洞庭湖北部垸内沟渠淤泥，考虑将水泥、偏铝酸钠来固化淤泥的方法推广至洞庭湖堤防工程，下阶段拟对其渗透变形特性和耐久性开展进一步研究。

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