彭旭更;胡保安
【摘 要】通过固化处理将河湖疏浚底泥转化为固化土是目前一种有效的资源化利用途径.文章在总结分析国内外疏浚底泥固化技术的基础上,系统地介绍了物化反应、水分转化和骨架构建3种固化过程机理,并对影响固化土力学性质的影响因素进行了讨论分析,主要包括有机质含量、固化材料掺加量、含水量、养护龄期与粘粒含量,同时介绍了目前固化工艺的工程实践,分析了面临的问题,得出了工程经验.通过对研究成果的总结,探讨了河湖疏浚底泥固化工艺的发展趋势.%Through solidification process,the transformation from sediment to the solidified soil was one of the available recycling treatment.The sediment solidification technologies for dredging sediment were summarized and analyzed in this paper,and the three kinds of process mechanism were presented,including physical and chemical reaction model,water transformation model and skeleton construction model.Several important influence parameters for solidification were discussed,which included organic matter content,mixing amount of solidification material,water content,curing age and clay content.Engineering app lication and experiences of solidification technologies were also introduced and obtained in this paper.Through summarizing the research findings, the development tendency of solidification technologies were discussed in the end.
【期刊名称】《水道港口》
【年(卷),期】2011(032)005
【总页数】6页(P367-372)
【关键词】疏浚;河湖底泥;固化
【作 者】彭旭更;胡保安
31au【作者单位】中交天航南方交通建设有限公司,深圳518040;中交天津港航勘察设计研究院有限公司,天津300450
【正文语种】中 文
cnc真空吸盘【中图分类】X524
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河湖疏浚底泥是一种高含水率的工程垃圾土，其颗粒细小，有机质含量高，处于流动状态，几乎没有强度，不能直接为工程所用［1］。固化技术源于20世纪50年代被用于处理放射性固体废弃物，并在近年来被广泛的应用于污染土的处理处置。面向河湖环保疏浚工程产生的大量底泥，固化处理可以将其转化为工程性质良好的工程用土，是实现其有益利用的一个重要方向［2］。
1 河湖疏浚底泥固化机理研究现状
目前，通过在底泥中加入水泥类固化材料或石灰类固化材料，进行混合搅拌，是一种相对成熟的固化工艺。黄新［3］、李俊才［4］、李文斌［5］、王星华［6］、荀勇［7］、Hirokazu［8］、Yin［9］、Masaharu［10］、Diamond［11］、张春雷［12］等分别利用扫描电镜、X-射线衍射以及水分转化的角度成分分析对固化机理进行了研究。根据原理侧重点的不同，主要有3种机理，即基于固化剂与底泥的物化反应机理、水分转化模型机理和骨架构建模型机理。
1.1 基于物化反应机理的研究
疏浚底泥呈流动态几乎没有强度，固化后其强度主要来源于水化产物的作用。泥浆体的水分有不同的存在形式，其中强结晶水以OH-状态存在，并占有晶格上的固定位置，脱水过程将使晶格遭受破坏，结合力极强。该机理下的固化过程是固化类材料与水反应形成水化产物从而起到加固的作用，其中主要会发生以下3种反应。
虚拟性成瘾（1）水化反应。当水泥类材料接触到水分时，发生水化反应生成各种水化产物，当有石膏存在时还会生成钙矾石结晶物质。如硅酸三钙的水合反应、铝酸三钙的水合反应等。部分反应如下
（2）离子交换反应。石灰加到底泥中时会与水发生水化反应生成Ca（OH）2可以吸收大量的水分并放热。熟石灰中的Ca2+会与粘土矿物上结合的Na+、K+离子进行交换吸附（图1）。置换出低价的Na+或K+，可以减少电荷吸附水膜的厚度，使土颗粒变得密实。
（3）碳酸化反应。水化产物中游离的氢氧化钙能吸收水和空气中的二氧化碳，发生碳酸化作用，生成不溶于水的碳酸钙，这种反应也能使固化土增加强度。
1.2 基于水分转化模型机理的研究
对底泥固化过程中的水分转化原理进行分析（图2）。底泥在没有加入固化材料时，底泥中的水分可以分为三部分：矿物水、结合水和自由水。当加入固化材料发生水化反应后，假定土颗粒本身含有的矿物水量和结合水量不发生变化，那么在加入固化材料并发生水化反应后，发生变化的只是土孔隙中的自由水的量，这部分自由水一部分由于固化材料释放热量而蒸发到空气中，一部分转化到水化产物中。
同时该机理还表明：（1）固化底泥的破坏模式由塑性向脆性转化，固化底泥的脆性与结合水的量有关，由塑性向脆性的转折点出现在水化产物中的结合水量增长率开始减小的点；（2）固化底泥的无侧限抗压强度、变形系数、屈服应力和粘聚力都与水化产物中的矿物水量和结合水量有关系，随二者的增加而增加。固化底泥的破坏应变、变形系数、初始孔隙比都随水化产物中的矿物水量和结合水量的增加呈递减关系。
1.3 基于骨架构建模型机理的研究
骨架构建模型机理主要包括固化对底泥的骨架支撑效应和填充效应。其中，骨架支撑效应是指固化材料中的硅酸钙类、铝酸钙类和铁铝酸钙类等与水发生如下水解和水化反应，当各种水化物生成后，有的自身继续硬化，与周围土颗粒相结合，形成骨架，有的则与周围
具有一定活性的粘土颗粒发生反应，也参与形成一定量的骨架。固化对底泥的填充效应主要由于混凝反应产生，在水化反应中，在产生胶体形成骨架的同时，随着水化反应的深入，溶液中析出大量的钙离子，当其数量超过离子交换需要量后，在碱性环境中，能使组成粘土矿物的二氧化硅及三氧化二铝的一部分或大部分与钙离子进行化学反应，逐渐生成不溶于水的结晶化合物，这些结晶产物的产生，对底泥间的大量孔隙产生填充作用。
2 固化底泥工艺影响要素及调整
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2.1 固化剂的主要种类
传统的固化材料包括水泥、石灰单独使用或者在其中加入一些工业废料如粉煤灰、高炉矿渣、钢渣、碱渣、废石膏，或者膨润土、水玻璃、硅粉、木质素磺酸钙等材料而得到的复合型固化材料。常见固化材料的主要成分和来源（表1），从表1可以看出传统固化材料的主要成分都是CaO，SiO2，Al2O3，Fe2O3，MgO，FeO等材料的混合物或者化合物。功夫杯
表1 常用传统固化剂的分类与来源Tab.1 Classification and source of commonly used solidifying agent石灰质与粘土质或其有二氧化硅、氧化铝及氧化铁的物质均匀混合，在烧
结温度下的熟料进行粉磨石灰 CaO 石灰石高温锻烧而得粉煤灰 SiO2，Al2O3，Fe2O3，CaO，SO3 燃煤时烟气中具有火山灰性质的残留物冶炼渣（矿渣、钢渣） CaO，A12O3，SiO2，MgO，Fe2O3，MnO等名称 主要成分 主要来源水泥 硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、Fe2O3、石膏等成分氨碱法制碱过程中，为分解NH4Cl，在系统中加入石灰乳进行蒸氨，此过程从蒸馏塔底排出的杂质磷石膏 CaO，Al2O3，Fe2O3，SiO2等 化工厂湿法生产磷酸时产生的工业废料硅粉 SiO2炼钢时用石灰岩作熔剂使铁矿石中含硅铝的物质熔融1 450℃左右温度下排的废料碱渣 CaSO3，CaCO4，CaCl2，CaO，NaCl，Al2O3，SiO2，Mg（OH）2 等硅粉主要是硅铁合金厂和硅金属厂冶炼金属时被收集的粉尘
另一方面，科研人员开发了新型固化材料，它是指各种专用固化剂如液态、高分子、纳米材料等。研究表明，新型固化材料固化效果一般优于传统固化材料，但是成本较高，只适用于处理量较小的特殊地基。对于大量疏浚泥的处理，有必要研究更加经济有效的固化材料。
2.2 有机质含量对固化底泥的力学性质的影响
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