钢渣—疏浚淤泥混合固化土制备及性能研究

石 宇 汪 潇

江苏坤泽科技股份有限公司

1 引言

为了保证航道的通畅，每隔一段时间都需要对河道进行疏浚清淤，因此将产生大量的疏浚淤泥。疏浚淤泥的含水率高、强度低、土力学性能差，难以进行开发利用。化学固化是目前国内外较为认可的疏浚淤泥固化处理方法，通过向疏浚淤泥中添加固化剂（主要为水泥等无机胶凝材料），使淤泥、水、固化剂之间发生一系列的水化反应，提高土体密实度，改善土的力学性能[1]。刘立新[2]等研究了水泥、石灰与粉煤灰对衡阳雁栖湖疏浚淤泥固化效果的影响，当水泥、石灰和粉煤灰的掺量分别为5%、2.5%、2.5%时，淤泥固化7d后，无侧限抗压强度可以达到327.8kPa，能够达到填埋的要求。但由于疏浚淤泥自身含水率高，仅通过胶凝材料的水化胶结作用实现淤泥固化往往需要较大的固化剂用量，固化成本很高。

钢渣是炼钢中的副产品，属于固体废弃物，这些废弃物的排放、堆积不仅占用大量宝贵的土地资源，还会对大气、土壤、水源产生极大地环境负担。已有研究资料表明，钢渣具有良好的颗粒级配、强度高、硬度大等特点，同时在碱性条件下具有一定的水化活性[3]，在道路、水泥、建筑、土木工程等领域都可以实现资源化利用。

本文基于以废治废的理念，利用钢渣的骨架作用以及与固化剂的协同作用将其掺入疏浚淤泥中，改善淤泥的土力学性能，将其转化成优良的土工材料进行再利用。

2 实验材料及方法

2.1 实验材料

本实验所采用的钢渣由山东省日照钢铁控股集团有限公司提供，钢渣的主要化学成分通过X 射线荧光光谱（XRF）进行测定，结果如表1 所示，钢渣的粒径分布如表2 所示。疏浚淤泥来源为江苏省连云港市某河道，其主要物理性能指标如表3所示。从表3可以看出该淤泥的含水率达到109%，塑性指数达到23.7，按照《岩土工程勘察规范》[4]（GB 50021—2001）中土的分类规定，该淤泥塑性指数＞17，属于黏土。固化剂为江苏坤泽科技股份有限公司自主研发生产的KZJ-P01 型粉体固化剂，主要成分为硅酸盐、铝酸盐、硫酸盐、氧化钙等，密度为2.98g∕cm3。

表1 钢渣的化学组成∕%

表2 钢渣的粒径分布

表3 淤泥的主要物理性能指标

2.2 配比

实验采用基本组和对照组，其中基本组A为纯淤泥；对照组B 中钢渣掺入量为5%；对照组C 中钢渣掺入量为10%。此外，3个组中还分别加入相同掺量的固化剂，固化剂掺量以每立方米钢渣与淤泥混合物中加入的固化剂质量计算，本实验中设计2种掺量，分别为80kg∕m3以及100kg∕m3。通过测定固化土的3d、7d、14d及28d的无侧限抗压强度，比对钢渣的掺量比以及固化剂掺量对固化土强度发展的影响。各组实验配比如表4所示。

表4 各组实验配比

2.3 实验方法

试样制备过程先将钢渣与淤泥按照表4所示的比例混合，然后在混合材料中按表4的掺量添加固化剂并利用搅拌设备充分搅拌均匀，固化剂的掺量按照每立方米钢渣-淤泥混合料中加入固化剂的质量进行计算。搅拌后的钢渣-淤泥混合固化土分三层装入圆柱体模具中（直径39.1mm、高度80mm）制作成无侧限抗压强度试件，每个配比制备3组平行试件。试件制备完成后置于恒温恒湿箱（温度20±2 ℃，相对湿度＞95%）中，养护24h 脱模，脱模后的试件密封浸入20±2 ℃水中养护至设定龄期后测试无侧限抗压强度。

无侧限抗压强度试验采用YYW-2 型应变控制式无侧限压力仪。试验前需对试件进行预处理，刮平试件上下表面，然后按照《土工试验方法标准》[5]（GB∕T 50123—2019）进行测试，每组测定3个平行试件，取其平均值作为试验结果。

3 实验结果与分析

将 ABC3 组固化土试件分别养护至 3d、7d、14 d 和 28d 后取出，测试其无侧限抗压强度，结果如表5所示。

表5 钢渣—淤泥混合固化土不同龄期下的无侧限抗压强度

从表5 中可以看出：（1）基准组A 组不掺入钢渣，由于疏浚淤泥自身含水率和有机质含量高，固化剂早期的固化效果较慢，7d 时80kg∕m3掺量下淤泥固化土尚未完全硬化，掺量提高到100kg∕m3时3d 淤泥固化土也未能硬化，直到28d 时无侧限抗压强度值也仅达到82kPa，无法应用于一般填土工程。同时从表5 中A 组数据可以推断，如果继续提高固化剂掺量，淤泥固化土的28d无侧限抗压强度也可能获得小幅度的提高，但是同样很难满足填土工程对强度的要求，且极大增加了固化成本；（2）当淤泥固化土体系中引入钢渣后，钢渣颗粒改善了整个体系的颗粒级配，形成了能够抵抗外力的骨架结构。同时固化剂自身的碱性激发了钢渣的活性，大大促进钢渣中物相的溶解、水化硅酸钙及钙矾石的形成，从而加快了整个混合体系的固化进程。从表5中可以看出当钢渣掺入量达到5%时就可以明显加快固化速率，在1d～2d内固化土就能够硬化产生强度。但是在钢渣掺入量为5%时，即使固化剂掺量提高到100kg∕m3，钢渣-淤泥混合固化土的28d 无侧限抗压强度值也只达到175kPa，考虑到实验室试件强度与工程现场固化土实际强度的差异，仍达不到淤泥的填埋要求；（3）当钢渣掺入量达到10%时，钢渣-淤泥混合固化土在各龄期下的无侧限抗压强度值均有一定幅度的提升，其中28d强度值可达到200kPa以上，能够满足填埋需求。

4 结束语

本文采用钢渣、疏浚淤泥、固化剂为主要原料，制备钢渣-淤泥混合固化土，通过分析比较不同钢渣掺入量比以及不同固化剂掺量的固化土早期无侧限抗压强度性能，并进一步研究分析，得到以下结论。

（1）钢渣具有良好的骨架作用并且和固化剂有较好的协同作用，与疏浚淤泥混合后能够显著加快整个体系的固化进程，提高固化土的强度。

（2）钢渣掺入量达到10%，固化剂掺量在80kg∕m3～100kg∕m3范围内时，钢渣-淤泥混合固化土28d无侧限抗压强度值可达到200kPa以上，可以满足一般填土工程对强度的要求。

（3）疏浚淤泥与钢渣同为固体废弃物，经过混合固化后作为回填材料使用，以废治废，既可以减轻疏浚淤泥与钢渣对生态环境的负担，又能够产生优良的土工材料，具有较好的经济及社会效益。