河道淤泥固化土干湿耐久性试验分析

吴亚玉

（深圳市海平峰水务技术工程有限公司，广东 深圳 518000）

0 引 言

与自然沉积形成的淤泥相比，河道淤泥含水量高，力学性能极差，有机质含量高，且颗粒成分以黏粒和粉粒为主，并包含有毒有害污染物，很难直接作为工程材料使用。当前，学术界已经开始关注固化剂种类及掺量对淤泥固化土干湿耐久性影响的研究，但有关土性参数影响的分析较少。为此，本文针对我国南方某城市河道，选择有机质含量不同的两种典型淤泥材料，进行干湿循环试验和无侧限抗压强度试验，以研究淤泥固化土干湿耐久性受固化剂类型及掺量影响的分析，为淤泥固化利用提供一定思路。

1 试验方案

1.1 试验材料及试样制备

从我国南方某城市河道清淤场地取A淤泥和B淤泥两种典型材料进行干湿强度试验，以检测河道淤泥固化土的稳定性和耐久性。因物质来源和沉积环境不同，故两种淤泥材料成分方面存在一定差异，尤其是有机质含量差异较大。针对这种情况，为优化淤泥固化处理效果，应采用掺加固化剂的方法进行固化处理。

在所取得的淤泥材料中分别掺加普通硅酸盐水泥、生石灰、粉煤灰、减水剂等固化材料制备试件。水泥固化剂淤泥试样制备流程具体见图1，除去淤泥中的上清液后按照100kg/m3、150kg/m3、200kg/m3三个配比掺加水泥，制备出淤泥和水泥混合物，持续搅拌10min后抽真空30min，以便将混合物内的气泡全部消除。此后，将混合物装入尺寸为61.8mm×20mm环刀，边装料边振动，以制出紧致密实的环刀试样。将试样置于20℃±2℃、湿度至少为95%的恒温箱内持续养护28d。养护期结束后进行抽真空饱和处理，最终制成饱和固化淤泥试样。其他固化剂淤泥试样制备时只需要将水泥换成相应的固化材料即可，流程完全一致。

1.2 试验方法

干湿循环试验属于室内加速试验，主要进行环境温度及气候变化对淤泥固化土长期性能影响的分析。干湿循环包括吸湿和脱湿两个环节，根据美国材料与试验协会《固体废物润湿和干燥试验的标准试验方法ASTM D4843-88(2016)》，淤泥经固化处理并作为土工填料时，主要采用单向毛细入渗吸湿方式，将脱湿温度设定为45℃，以体现我国南方城市河道环境温度及气候条件[1]。

待完成试样养护后，将塑料薄膜脱去，上下分别放置透水石，并置于饱和器内，加水至没过下端透水石后每间隔60min便向试样顶面洒水，持续24h。待吸湿过程结束后，将表面水分擦除并静置60min，此后称量试样质量。以这种情况为初始状态，循环次数为0次。此后将初始状态试样置于45℃±3℃的烘箱内持续烘烤24h，干燥后进行称重，并继续实施以上吸湿试验，此时即为完成1次干湿循环。为充分反应淤泥固化土物理力学性能的变化，共进行5次干湿循环试验，且每次试验后均应测量淤泥试样质量、几何尺寸，并计算质量损失率和体积变化率。

通过万能试验机对淤泥试样展开无侧限抗压强度测试，加载速率5mm/min，并从各破坏试样中心位置取50～80g土体后置于烘箱内，在65～70℃的温度下持续烘烤48h，进行含水率检测。

2 淤泥的基本特性

2.1 淤泥物化属性

两种典型淤泥材料的物理性质具体见表1。河道淤泥相对密度明显比常见土体相对密度小，有机质性质活跃且成分复杂，对河道淤泥物理属性存在较大影响：有机质亲水性和吸附性较强，其含量的增大将明显提升淤泥塑限和液限；有机质相对密度通常为1.7～1.9g/cm3，在淤泥矿物成分无较大变化时，淤泥土相对密度处于稳定状态，但随着有机质含量的增大，淤泥相对密度减小[2]。

表1 淤泥材料的物理性质

沿水流方向的河道淤泥试样各粒组百分含量变化规律详见图1，由图可知，河道上游淤泥中粉粒含量高、砂粒和黏粒含量低，胶粒含量最低；河道中下游粉粒含量持续减少，砂粒含量持续增多，黏粒和胶粒减少后基本处于稳定状态。结合碎屑物运移沉积规律，砂粒粒径较大，在河道水流流速较小的情况下易于沉积，运移距离短，排污水及雨水地表径流携带碎屑颗粒是其主要来源。黏粒和胶粒粒径小，具有较为明显的电化学性质，絮凝市通常伴随物理化学反应，沉积慢，故黏粒含量沿水流方向持续减少[3]。A淤泥和B淤泥试样分别取自该河道上游和中游，平均粒径分别为0.0218mm和0.0971mm，说明沉积物颗粒呈粗化趋势；两种淤泥试样不均匀系数依次为14.82和19.04，曲率系数1.54和1.39，说明两种淤泥级配良好。

图1 沿水流向淤泥各粒组的百分含量

通过X射线荧光光谱仪进行两种淤泥材料化学成分及重金属污染物定量测定，检测结果具体见表2。根据测试结果，SiO2是河道淤泥中主要的化学物质，含量在60%～65%之间，A淤泥SiO2含量更高；两种淤泥试样烧失量为10%～20%，且B淤泥烧失量更高。该城市河道周边均为居民生活区域，工况企业为数不多，污染物主要来自生活垃圾和上游重金属，也就是说淤泥固化处理必须充分考虑环境因素。

2.2 热重-差热分析

淤泥试样在加热期间重量变化及相变反应可通过热重-差热曲线体现，A淤泥试样和B淤泥试样热重差热曲线具体见图2。示差扫描量热法曲线（DSC Curve）主要反应试样加热期间与标准样品热量补偿程度，波峰向上为吸热，波峰向下为放热。热重分析曲线（TG Curve）则体现淤泥试样加热期间质量方面的变化[4]。

图2 淤泥热重-差热曲线

由图可知，A淤泥试样质量损失所对应的温度区间依次为20～194℃、194～608℃、908～776℃，对应的质量损失分别为2.89%、7.58%、3.01%。DSC Curve主要存在2个温度为81℃和721℃的吸热峰和1个309℃的放热峰。第一阶段2.89%的质量损失对应着80℃的吸热峰，由于淤泥试样内结晶水和结合水量减少，故主要表现为吸热和脱湿；第二阶段存在一处明显放热峰，质量损失为7.58%，是有机质烧失、黏土矿物相变转化的体现；第三阶段对应的吸热峰在721℃，主要因为硫酸盐和碳酸盐的分解而引发质量损失。

与A淤泥不同，B淤泥试样质量损失较大。第一阶段对应的温度区间依次为25～179℃，质量损失3.54%，DSC Curve主要存在2个放热峰，因部分矿物结晶水和结合水蒸发分解而失重；第二阶段失重量在总失重量中占比较大，在309℃和466℃处出现明显放热峰，因有机质烧失而释放热量，作为淤泥热处理的热量源，减少了能源消耗。第三阶段试样失重4.25%，对应571℃和746℃两个吸热峰，两者分别因黏土矿物相变转化及硫酸盐和碳酸盐的分解，而释放出SO2和CO2气体。

通过分析可知，两种淤泥试样总质量损失均不断增大，其中有机质的加热分解是造成第二阶段质量损失的主要原因，而造成第一阶段质量损失的原因是淤泥脱水。故可以从以上两个方面加速河道淤泥固化速度。

3 干湿耐久性试验结果及分析

3.1 干湿循环试验及结果

根据干湿循环试验，在初始状态，淤泥固化土抗压强度随着固化剂掺量的增加而增大。当固化剂配比相同时，A淤泥固化土抗压强度明显大于B淤泥固化土，说明有机质含量等土性条件对淤泥固化效果影响明显。

干湿循环对淤泥固化土存在两个方面的影响：一是随循环次数的增加，固化土抗压强度下降，且第一次降幅最大，此后逐渐减小；水泥掺量为5%的淤泥固化土经过1次干湿循环后完整性几乎完全丧失；二是对于固化剂掺量较高的情况，随循环次数的增加，淤泥固化土抗压强度先升后降。整体来看，峰值强度所对应的循环次数随固化剂掺量的增大而增大，且对于固化剂掺量相同时，A淤泥固化土峰值强度所对应的干湿循环次数明显大于B淤泥固化土。说明固化剂加固有机质含量更高的B淤泥，固化效果更佳。

3.2 无侧限抗压强度试验及结果

根据试验结果，不同固化剂下龄期分别为3d、7d、14d、28d的淤泥试样无侧限抗压强度只的变化情况详见图3。由图可知，不同固化剂下淤泥无侧限抗压强度均随固化剂掺量剂养护龄期的增大而提升，但是提升幅度受到固化剂类型的影响较大；淤泥试样龄期为3d时，固化剂对淤泥试样无侧限抗压强度影响的次序为：水泥＞生石灰＞减水剂＞粉煤灰，而在其余龄期下，影响的次序为：水泥＞减水剂＞生石灰＞粉煤灰。试验开始时淤泥试样强度随着龄期的增大而快速增长，而当龄期超出14d后，淤泥试样的无侧限抗压强度增速减缓，这也意味着淤泥固化反应主要发生在龄期14d及以前的阶段。

图3 淤泥试样无侧限抗压强度的变化趋势

随着水泥和减水剂掺加量的增大，淤泥试样无侧限抗压强度呈线性增长趋势，水泥是引起淤泥强度增大的主要原因，且龄期越长，这种增强效果越明显。随着粉煤灰和生石灰掺量的增大，淤泥试样无侧限抗压强度增长趋势持续减缓，生石灰只是在龄期较短情况下对淤泥强度的提升有明显作用。所以，出于增强淤泥固化土强度及节省处理成本方面的考虑，应合理控制粉煤灰和生石灰掺量。

3.3 击实试验及结果

通过击实试验所得到的不同龄期不同固化剂下淤泥试样含水率测试结果详见图4，由图可知，淤泥试样含水率受固化剂种类和龄期的影响较大；随着龄期和固化剂掺量的增大，淤泥试样含水率均呈降低趋势，其中固化剂对淤泥试样含水率的影响次序为：生石灰＞水泥＞减水剂＞粉煤灰。在试验开始之初，淤泥试样含水率随龄期增大而快速降低，而当龄期超出7d后，降速开始减缓，也就是说固化剂的吸水效应主要出现在7d及以前龄期。掺加水泥、生石灰和减水剂后淤泥试样含水率变化趋势较为接近，其中生石灰影响效果最为明显；粉煤灰对淤泥试样含水率的影响程度最小。

图4 淤泥试样含水率变化趋势

以上结果的形成主要因为不同固化剂具有不同的反应机理。水泥水化后会在一定时间内生成坚硬、致密且具有胶结作用的C-S-H物质，促使淤泥试样强度提升；生石灰遇水会快速生成Ca(OH)2碱性物质，同时释放热量，并加速水泥生成C-S-H物质，所以生石灰掺加后能使淤泥含水率快速降低，强度快速提升；粉煤灰自身活性差，早期主要起到填充淤泥固化土孔隙的作用，随着龄期增长，其中的可溶性物质便与Ca(OH)2发生反应，生成胶凝物质，增强淤泥固化土强度；减水剂具有调节反应面积、增强活性的作用，可充分激发水泥的水化作用，降低淤泥含水率，提升强度。

4 结 论

综上所述，对于河道淤泥而言，有机质含量对水泥水化过程起到抑制作用，故在其他条件相同的情况下，有机质含量越低的淤泥固化土干湿耐久性越好。高含水率河道淤泥经过改性、固结处理后能作为工程土料使用，可达到淤泥资源化利用的目的，淤泥固结土物理力学属性主要受固化剂类型、掺量及养护龄期等的影响。对于常见的水泥、生石灰、粉煤灰、减水剂等固化剂，在强度方面，水泥效果最优，且淤泥固化土强度随水泥掺量的增多而线性增长；在含水率方面，生石灰吸水效果最显著，且淤泥固化土含水率下降速率随生石灰掺量的增大而增加。对于具体工程而言，必须充分考虑处治效果、造价、工期等因素，选择切实可行的固化剂配方，取得最优的河道淤泥固化处治效果。