高含水量河道淤泥固化处理技术研究及环境安全评价

汪吉青

（中冶天工集团有限公司，中国 天津300308）

0 引言

伴随着我国工业化进程和经济的高速发展，工业污染物和生活垃圾的排放量也不断增加。早期由于缺乏生态环境保护理念，城市湖泊河流的淤泥中，存在大量的有机质和重金属。通过检测，直接挖出的河床淤泥的含水量通常在40%～60%，其含水量远超土的液限。由于河床淤泥含水量高、力学性能差等缺点，不适合采用低含水量淤泥固化处理的方法使用；但淤泥处理不当，很容易造成二次生态污染。探索一种快速降低淤泥含水量、有效提高淤泥承载力、降解淤泥中有机质和浸出重金属等有毒物质的处置方法，以满足工程需求和生态环境需要。

为了改良淤泥的性质，国内外研究人员着眼于在高含水量淤泥中添加固化剂，并取得了众多的研究成果。东南大学丁建文团队以水泥和工业废料磷石膏作为固化剂，对高含水率疏浚淤泥的抗压强度进行了试验，分析了影响淤泥质固结土抗压强度的主要因素和变化规律，确定了淤泥质固结土的3种破坏模式，并从反应机理角度对工业废磷石膏固化剂存在最佳掺量进行了阐述。袁飞飞研究了宁波高含水率潮滩淤泥固结土的物理特性、无侧限抗压强度特性和抗压固结特性，根据添加掺料固化后淤泥的液塑限规律，对高含水量滩涂淤泥固化填筑道路路基技术的结构特性进行了分析。Lorenzo GA等研究发现，高含水率条件下水泥掺合淤泥强度和压缩性的基本参数，如固化后孔隙比和水泥掺量，可以表征固化后淤泥的强度和压缩性，并通过对无侧限抗压试验结果的分析，证明了淤泥含水率、水泥掺量和养护时间对淤泥强度的影响。Kaniraj SR使用淤泥和粉煤灰以不同比例混合，同时添加3%～9%的水泥以稳定粉煤灰-淤泥混合物。在最佳含水率和最大干密度条件下制备圆柱形样品，并进行不同时间的固化；并通过无侧限压缩试验，建立了无侧限抗压强度和割线模量与养护时间、粉煤灰掺量和水泥掺量的函数关系；此外还建立了含水率随养护时间和水泥掺量之间的关系。

固化添加剂的种类和用量的不同，对高含水量淤泥产生的固化效果也不同。本实验使用不同配合比的石灰和垃圾炉渣作为固结添加剂，垃圾炉渣的活性组分与粉煤灰相似，含水量低，吸水能力好。使用垃圾炉渣代替粉煤灰与石灰联合作为固结剂处理高含水量淤泥，在有效降低淤泥的含水率的同时，由于石灰、废渣与淤泥的物理化学反应，混合体的承载能力也得到提升。并对固结后淤泥土壤中重金属的溶解情况进行环境风险评价，为疏浚淤泥的回收利用提供依据，同时为土壤环境管理提供参考。

1 工程概况

大邑县隶属于四川省成都市，距成都市区48 km，位于成都平原西部，西北面紧靠成温邛高速公路，东面邻近斜江河。大邑经开区滨江路道路工程，项目场地内多条道路纵横交错，交通十分方便。滨江路道路起点K0+000接光华大道交叉口，K0+468.601处与敬业路相交，终点K0+806.148处与兴业八路相交。滨江道道路全长806.148 m，道路红线宽度12 m,设计时速为30 km/h，为城市支路。

道路路面标高以下地层为素填土及粉土，由于粉质土具有颗粒细、水稳性差、毛细作用大等特点，并非良好的路基填筑材料。在本工程中，将土基上20 cm的粉土道路基层，换填改为固结处理后的淤泥层，利用工程周边河道淤泥节约工程造价。实施路面的桩号为K0+480—K0+780。

2 淤泥的物理化学特性

为掌握淤泥的物理化学特性，在添加固化剂之前，对斜江河中的淤泥土样进行实验室试验。通过实验研究，得到斜江河淤泥的基本物理力学特性参数，详见表1，淤泥中重金属含量见表2。

表1 斜江河淤泥基本物理性质指标

表2 淤泥中重金属含量

由表1可知，斜江河淤泥含水量大，黏粒含量高，降水处理后级配依然不良，工程力学稳定性较差，需对淤泥进行固化技术处理。同时淤泥中有机质含量高，选择添加固化剂时应充分考虑其对有机质的分解作用。淤泥的PH值属于中性偏弱酸性。由于斜江河淤泥具有高含水量，粘聚力差等特性，应选择具有较强的吸水能力，同时能有效改善粉土的力学性能的固化剂。

3 试验材料及方法

使用不同配合比的石灰—垃圾炉渣与淤泥混合作为路基填筑材料，固结剂本身具有含水量低，吸水能力好等优势，在有效降低淤泥的含水率的同时，使固结后淤泥的承载能力得到提升。

3.1 固结剂基本性质研究

添加固结炉渣采用的是生活垃圾焚烧后产生的炉渣，垃圾炉渣中的活性成分主要包括二氧化硅、氧化铝、三氧化二铁、氧化钙和氧化镁等氧化物。垃圾炉渣的物理参数见表3—5。

表3 垃圾炉渣颗粒组成

表4 垃圾炉渣物理性质参数

表5 垃圾炉渣化学性质参数

3.2 固化反应机理研究

3.2.1 水解和水化反应

石灰—垃圾炉渣固化后的淤泥硬化反应，硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙四钙和硫酸钙、铁铝酸与水产生水解和水化反应，生成水化硅酸钙凝胶、氢氧化钙、水合铝酸钙、水化铁酸钙和水化硫铝酸钙晶体。生成的水合物溶于水，直到溶液达到饱和，然后成为凝胶颗粒悬浮在溶液中。凝胶颗粒凝固硬化后形成固化混合淤泥骨架，同时与周围活性淤泥颗粒反应，促进淤泥达到胶结状态。在水解和水化反应过程中形成的水化硅酸钙和水化铝酸钙，将淤泥土颗粒包裹成网状结构。

3.2.2 硬凝反应

硬凝物质是一种含有硅和铝可与氢氧化钙在室温下反应，生成具有凝结作用的物质。垃圾炉渣的水解和水化可以产生大量的硬质固化化合物。加入到淤泥中的氢氧化钙电离出的钙离子，使孔隙水的pH值增加，从而激发淤泥颗粒表面的硅和铝，并逐渐反应生成新的结晶固化产物，水合化合物的硬化使得固化淤泥的强度增大。

3.2.3 离子交换和团粒化作用

淤泥是一种非均质颗粒体，在水结合后具有胶体的属性。淤泥中的二氧化硅与水形成硅酸盐胶体，通过胶结作用较小的土颗粒逐渐形成较大的土团粒，同时与粘土颗粒发生化学反应后，形成具有一定连续性的坚硬骨架。随着石灰水化生成的氢氧化钙等凝胶粒子表面能的增加，吸附活性非常强，导致大量土颗粒形成团聚体。同时，除石灰炉渣水化硬化过程外，石灰渣水化产物还与粘土反应生成更多的固化产物。水化生成的氢氧化钙中的钙离子与粘土颗粒吸收的钠离子，进行等量的离子吸附交换，离子交换反应原理见图1。土团粒的结合，使泥沙颗粒之间以及淤泥颗粒与垃圾炉渣颗粒之间的耦合作用增强。生成的固化混合淤泥为链结构，且密封了土团粒之间的孔隙，形成一个固体粒状结构，减少了淤泥的渗透性和胀缩性。

图1 离子交换反应原理

3.2.4 碳酸化作用

石灰水化物中的氢氧化钙，吸收水中的碳酸氢根和空气中的二氧化碳，进而生成不溶于水的碳酸钙，可以提高淤泥的强度。反应表达式为：Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2O，在此过程中，反应生成的高强度的碳酸钙，可显著提高混合固化淤泥的强度。

4 高含水量淤泥固化试验结果分析

采用石灰-垃圾炉渣混合的固化剂处理淤泥，主要应研究不同掺和比例的垃圾炉渣，对淤泥固化效果的影响。石灰的掺量比例固定为6%，在实验室试验中，垃圾炉渣的用量分别为12%、24%和48%，通过对最佳含水量、最大干密度、液塑限、CBR值等进行试验分析，为高含水量淤泥固化处理提供数据支持。

4.1 最佳含水率和最大干密度试验结果与分析

重击击实试验得到最佳含水量和最大干密度结果，见表6。

由试验结果分析可知，随着淤泥中垃圾炉渣固化剂掺量的增加，固化淤泥的最佳含水量先减少再增加；最大干密度则逐渐降低，见图2。

图2 淤泥中垃圾炉渣掺入比例和最佳含水量的关系

产生此结果的主要原因是：垃圾矿渣是一种多孔材料，混合料密度随掺量的增加而减小。当渣含量较小时，混合料的液塑性限仍然较高，因此其最佳含水量也较高。但随着废渣含量的增加，混合料的液塑性极限降低，最佳含水率也降低。随着炉渣含量的增加，需要更多的水来维持土颗粒表面的水膜厚度，最大干密度增加，使土壤颗粒在压实作用下易于移动，从而达到最大密度。见图3。

图3 淤泥中垃圾炉渣掺入比例和最大干密度的关系

4.2 液塑限试验结果与分析

液塑限试验结果见表7。

表7 淤泥中石灰-垃圾炉渣固化剂掺量与液塑限的关系

从试验结果可以看出，垃圾炉渣掺量的增加，导致固化淤泥土的液限和塑性限均呈降低趋势，而塑性指数变化趋势不大。因此，使用石灰-垃圾炉渣混合剂，联合处理高含水量淤泥，对减少淤泥液塑限具有良好的效果。混合剂和液塑限关系见图4、图5。

图4 淤泥中垃圾炉渣掺入比例和液限、塑限的关系

图5 淤泥中垃圾炉渣掺入比例和塑性指数的关系

4.3 加州承载比（California Bearing Ratio）试验结果与分析

CaliforniaBearingRatio简称CBR，测试结果见表8。

表8 淤泥中石灰-垃圾炉渣固化处理后CBR试验结果

试验结果表明：使用石灰-垃圾炉渣联合处理淤泥可明显提高高含水量淤泥的承载力。垃圾矿渣掺量比例的增加，可有效提高固结混合淤泥的承载力，同时固结淤泥在饱水后膨胀不明显，可以在道路工程使用处理后的固结淤泥进行路基填筑。掺入比例和承载力的关系见图6。

图6 淤泥中垃圾炉渣掺入比例和承载力的关系

4.4 重金属毒性浸出试验

固化剂处理后淤泥内重金属浸出浓度见表9。

表9 固化剂处理后淤泥内重金属浸出浓度 单位：mg/L

pH值的增加降低了淤泥中微生物和有机物的含量，可以稳定游离重金属。重金属固结机理：污泥固化体中的重金属，由可溶性离子转化为不溶或复杂的金属氢氧化物和碳酸盐化合物。当pH值大于7时，重金属与钙离子共沉淀形成氢氧化物，或与水化产物形成钙络合物沉淀。此外，这些沉淀在水化硅酸钙凝胶表面的产物，其溶解度比在水溶液中低得多，极易沉淀。

4.5 试验总结

《公路路基设计规范》（JTG D30-2015）中规定，路基填料的液限不应大于50%、塑性指数不大于26、最小强度CBR不小于6%，考虑固化剂处理后淤泥内重金属浸出浓度的要求，确定本项目的试验路段淤泥固化处理的垃圾炉渣掺加量，选取48%更为合理。

5 结论

在对污泥的基本物理性能及重金属含量测试的基础上，研究了添加不同比例的石灰-垃圾炉渣固化剂改善污泥工程力学性能的方法。通过重击压实试验、液塑限试验、CBR试验以及重金属毒性浸出试验，研究了固化剂对淤泥的影响，得到以下结论：

通过液塑限试验和CBR值试验，对不同比例固结剂处理进行了对比分析，表明本工程选取48%更为合理。

石灰-垃圾炉渣固化剂，在降低淤泥含水量的同时，还可以有效提高其承载力，且混合材料的其他路用性能均能满足规范要求。

通过重金属浸出试验以及重金属固结机理分析，可知高比例掺量的石灰和垃圾炉渣使得游离态的重金属得到有效固化，避免对环境的二次污染。