淺述疏浚淤泥的固化技術

李正昊 季曉檬（江南大學環境與土木工程學院，江蘇 無錫214122）

1 前 言

我國幅員遼闊，河流湖泊眾多，因此而產生的疏浚淤泥的數量也是一個極大的數字，所以疏浚淤泥的處理和合理應用是我們必須要面對的一個很現實的問題，因此這是一個有很大使用和發展價值的創新環保領域。

我國對淤泥利用的研究起步較晚，但在西方的發達國家中，早就重視起了對淤泥固化的各種研究，并且在實際生活中也有較好地應用。例如：英國、荷蘭、法國、瑞典和澳大利亞等國家，早在20世紀80年代末就開始利用淤泥為主要原料，制造高效凈化燃料，其熱值比普通煤高出30%，而且燃燒過程中不會排放出有害氣體。德國目前已有5家淤泥收集、處理工廠，每年處理淤泥300萬噸。在日本，淤泥已被用來生產各類建筑材料，以淤泥為主要原料制成的磚塊透氣性好，重量輕，容易制出不同的色彩，很適宜用于建筑物的裝飾，已成為國際市場的暢銷貨[1]。

淤泥因為本身含水率過高、力學性能較差等原因，必須通過合理的固化處理，將上述兩種弊端很好的解決掉，才能投入使用。一般情況下，固化之后的淤泥可作為土建原材料，在生產建筑材料的領域內得到利用。本文淺要論述國內現存的主要的淤泥固化技術。

2 淤泥及其固化

淤泥是粘土礦物等細小顆粒在粒間靜電力和分子引力的作用下, 經物理化學和生物化學作用，在海洋或湖泊地區等緩慢或靜止的流水環境中發生沉積所形成的絮狀和蜂窩狀結構物，是各種膠體有機質及其吸附的金屬元素、微生物病菌、蟲卵等物質的綜合固體物質[2]。主要的化學成分包括：SiO2、Al2O3和其他一些堿金屬氧化物。

淤泥固化就是指：在淤泥原料中加入各種固化材料，通過攪拌、加熱燒結等操作，極大地降低含水率，使材料獲得足夠的強度。目前我國主要的淤泥固化方法有：利用固化劑固化淤泥。最為傳統的固化劑是水泥，近年來國內也逐漸開展了較多關于新型固化劑固化淤泥的研究，特別是針對利用工業廢料，如礦渣、粉煤灰等作為固化材料的研究[3]-[4]。除此之外，對淤泥的固化處理還有物理脫水固結法和高溫燒結法。這三種固化方向是國內對淤泥進行固化處理的主要研究方向。

2.1 水泥固化

作為最早投入使用的固化材料，水泥的固化效果，特別是對淤泥材料強度的增強效果已經得到了大眾的認可，針對利用水泥固化淤泥的研究也較多。一般認為水泥固化淤泥的強度主要來源于兩部分水化物的膠結作用，即水泥本身水化產物的膠結作用和水泥水化時產生的 Ca(OH)2與淤泥中活性物質之間的硬凝反應所產生水化物的膠結作用[5]。其中前者構成水泥土強度的主要部分。

2.1.1 水泥固化效果的影響因素

影響水泥固化淤泥效果的因素很多，實驗研究表明，比較主要的因素有：水泥的摻量、養護齡期、淤泥的初始含水率、水泥的標號等[6]-[8]。

水泥摻入量的確定十分重要，水泥加入過多或過少都會對加固效果產生影響。研究指出水泥加固的淤泥抗壓強度隨水泥摻入量的增加而增長，但超過一定摻入量后又會呈下降趨勢[9]。朱偉等人的研究表明，水泥的摻量也同時存在一個最低值，當摻入水泥量少于該值時，水泥基本沒有固化效果。并且得出了水泥摻量與強度之間的一個定量關系式：qu=k(ac-a0)[6]。式中ac為水泥摻加量；k為水泥固化系數，反映出水泥固化的效果好壞；a0為最低水泥摻加量，當水泥摻加量低于a0時，固化土幾乎沒有強度。根據這個關系式，對一種淤泥和水泥只要進行幾組配比試驗，就可以確定出k和a0，進而對實際工程進行有效的指導。

養護齡期對抗壓強度影響的表現為：對于不同的水泥摻量，強度并不與養護齡期線性關系，當水泥摻量較少時，強度隨齡期增大而增大的速率較小；當水泥摻量較大時，強度增大的速率較大。

研究發現，固化淤泥的無側限抗壓強度隨淤泥含水率的增加呈乘冪關系下降，隨著初始含水率的增加，固化淤泥的塑性增加，破壞應變增加，而黏聚力降低。隨著初始含水率的增加，水分過多導致水化產物在單位體積中的數量較少，難以形成整體強度。在實際工程中，應在滿足固化攪拌的施工要求下，盡量降低淤泥的初始含水率以取得較好的經濟效益[7]。

2.2 復合固化材料固化

單純使用水泥進行淤泥固化，存在著很多的弊端，如固化后的材料水穩定性差、加工成本較高等，所以在現在的研究實驗中，開始越來越多地關注加入各種輔助固化材料的復合固化劑。與僅使用水泥的固化材料相比，復合固化材料能提高固化效果，大幅度節省水泥的用量。目前研究表明，添加后效果較為優良的有二灰（粉煤灰、石灰）和礦渣。使用這些工業廢棄物作為固化劑，在達到預期目的的同時還能起到環保的作用。但是，添加到淤泥中的輔助固化材料種類不應太多、太復雜，因為固化材料的復雜化必然會增加原料的復雜性和應用的局限性[10]-[15]。

2.2.1 粉煤灰及礦渣的使用

周旻等人通過對湖底淤泥的實驗研究認為，灰渣膠凝材料能代替傳統固化基材對淤泥進行常溫固化處理，固化塊的強度、機械性能、抗凍、融性能和耐干、濕性能均滿足護坡磚的要求，能用于生產建筑用磚[10]。他們所介紹的灰渣膠凝材料，是一種添加了輔助固化材料的復合型固化材料，其主要成分有：礦渣、脫硫灰渣、石灰、高鈣灰等無機工業廢料。灰渣膠凝材料能夠顯著改善固化材料與淤泥反應生成的膠凝物質的性能，同時磨細灰渣對淤泥孔隙的填充效果，又能有效地降低淤泥土的孔隙率。膠凝材料的特性改善以及材料的孔隙率降低都能夠很好的提高固化后的淤泥的性質，所以經該材料固化后的淤泥，在前中后期均有較高的強度。

張春雷[12]等人的研究實驗第一次利用國產大型淤泥固化處理專用設備和復合型淤泥固化材料，對疏浚出的底泥進行了固化處理和筑堤試驗，探索經固化處理之后的淤泥材料的強度、變形、滲透系數等力學性質指標。其實驗中應用到的復合固化材料仍是以水泥為主，輔助固化材料為粉煤灰和石膏。使用此種方法處理的淤泥，在強度等方面上可以滿足堤防填土的填筑要求。

張大捷[13]等人的研究表明，礦渣在被激發之后，水化產物除了與硅酸鹽相同C-S-H凝膠外，還生成高強度、難溶解的沸石類礦物。他們認為礦渣固化淤泥的機制同水泥相一致，但是效果優于水泥的原因可能有以下兩點：1、礦渣膠凝材料比水泥材料更細，在參與反應的過程中比表面積也更大，反應會更徹底。2、從水化產物上來看，兩者都相同的C-S-H凝膠，但礦渣膠凝材料的水化產物中還出現了斜方硅鈣石和白鈣沸石，這些細微晶體的強度很高，而且有著極為穩定的熱力學性質，同時又極難溶于水，對最終的材料的強度和水穩定性有著十分有利的作用。蘭凱[14]等人的實驗則分析了混合固化劑摻入比、礦渣占固化劑的質量比和齡期及其交互作用對抗壓強度的影響，通過實驗建立了具有可信度的模型，最后通過分析得出：礦渣占混合固化劑的質量比在一定區間內(40%～70%)對固化強度的增強效果顯著，推薦質量比為65%，這對以后的實驗研究和實際生產具有極大的指導意義。

3 其他固化方法

前文中提到，淤泥固化的方法有固化劑固化、物理脫水固結及高溫燒結三種方法。第一種方法應用范圍最廣，前文也進行了相關的介紹。而后兩種方法因適用范圍、經濟性等原因，還沒有得到廣泛的應用，所以本文對此兩種方法只是略作介紹。

3.1 物理脫水固結法

脫水固結是指采用自然風干、離心分離或外力擠壓等方法將淤泥孔隙中自由水和吸附水部分或全部脫離出來，使黏土顆粒黏結成密實狀態。脫水固結處理方法包括自然風干脫水、機械脫水、堆載預壓排水固結等[16]。

物理脫水固結法有一個最大的弊端就是，經此方法處理過的淤泥仍然會具有污染性，因為該方法只是用簡單的方法將淤泥中的水份除去，并不會處理到淤泥中各種化學成分，特別是對高污染的淤泥，還必須進行第二次的化學處理，無形之中還是增大了淤泥固化處理的成本。因此次方法的適用范圍并不廣。

3.2 高溫燒結法

高溫燒結處理是通過高溫處理，使疏浚淤泥脫水，有機成分分解，顆粒之間黏結，或無機物發生熔解，然后再通過冷卻，使得淤泥熔合成具有相當強度的固體顆粒。高溫燒結法處理的淤泥材料在輕質陶瓷、制磚、熔融微晶玻璃生產等方面都有著很好的適用性，是將淤泥資源合理應用的重要途徑，因此開始逐漸引起國內外的高度重視。

高溫燒結法固化后的淤泥相對于物理脫水法，最大的優勢就在于能夠有效地減少原材料中的有害化學成分，起到減污的作用。但是，從另一個角度來說，高溫燒結法由于需要將材料加熱到很高的溫度，所以目前來說經濟性不如物理脫水固結法。國內外研究者在這種矛盾的情況下，刻苦鉆研，也提出了一些行之有效的處理方法，比如，在進行高溫燒結時添加有效的助熔劑，或者對淤泥材料采用低溫快燒的方法[17]。從長遠的角度來說，高溫燒結方法處理后的淤泥在強度性能和質量等方面都要優于其他方法，因此有著更加廣闊的應用發展空間。

4 結語

當今世界，各種資源危機已成為迫切需要解決的一大問題，我們應當想方設法將一些目前尚處于被廢棄地位但又有廣闊利用前景的資源都利用起來。有關環保專家認為，淤泥經固化處理后，可用于市政道路、堤防加固、路基填方工程和建材原料等，不但可有效解決淤泥長期堆放占地和二次污染問題，還可以避免磚瓦窯廠大量挖廢耕地、非法取土，緩解城市建設中土方缺口問題[18]。

同時，在固化淤泥的過程中添加各種工業廢料作為固化劑，既能改善固化效果、得到更好的實驗成果又能夠起到環保和廢物再利用的作用。這一變廢為寶的環保型技術，形成了一個前景廣闊、可持續發展的淤泥資源循環綜合利用的環保產業，市場前景十分廣闊。對創建節約型社會，改善江河湖泊的生態環境和水利治理，有著極為深遠的意義。因此，淤泥的固化利用值得我們投入足夠的研究精力。

[1]王曉東，蔣建.淤泥處理技術研究綜述[J].科技資訊，2009（10）：154-157.

[2]唐強.淺談淤泥的資源化利用[J].水利發展研究，2004（10）：46-49.

[3]駱勇軍，周益安，尹吉.疏浚淤泥處置利用技術研究綜述[J].浙江水利科技，2010（3）：60-61.

[4]尹平，宮曉波.疏浚泥綜合利用現狀[J].能源研究與管理，2011(4)：17-20.

[5]黃新，周國鈞.水泥加固土硬化機理初探[J].巖土工程學報，1994，16(1)：62-68.

[6]朱偉，張春雷，高玉峰，范昭平.海洋疏浚泥固化處理土基本力學性質研究[J].浙江大學學報(工學版)，2005，39（10）：1561-1565.

[7]張春雷，汪順才，朱偉等人.初始含水率對水泥固化淤泥效果的影響[J].巖土力學，2008，29：567-570.

[8]張春雷.淤泥固化土力學性質及固化機理研究[D].南京：河海大學碩士學位文，2003.

[9]何軍志，馮青琴.水泥水化機理和廢棄物的利用與固化[J].安陽師范學院學報，2008（2）：78-81.

[10]周旻，侯浩波，張大捷等人.湖泊底泥改性固化的強度特性和微觀結構[J].巖土力學，2008，29（4）：1010-1014.

[11]仇心金.利用粉煤灰、污泥、淤泥生產超輕和高強陶粒的試驗研究[J].粉煤灰，2009（3）：40-41.

[12]張春雷，朱偉，李磊等人.湖泊疏浚泥固化筑堤現場試驗研究[J].中國港灣建設2007，（1）：27-29.

[13]張大捷，田曉峰，侯浩波等人.礦渣膠凝材料固化軟土的力學性狀及機制[J].巖土力學，2007，28（9）：1987-1991.

[14]蘭凱，黃漢盛，鄢泰寧等人.摻入礦渣的水泥土強度模型試驗研究及其配方優化[J].水文地質工程地質，2007（5）：115-119.

[15]袁永兵，陳洪齡，呂志剛等人.以干化太湖淤泥為原料燒結制磚的研究[J].環境科學與技術，2011，34（5）：179-82.

[16]陳萍，張振營，李小山等人.廢棄淤泥作為再生資源的固化技術與工程應用研究[J].浙江水利科技，2006，（6）：1-3.

[17]劉小娟.低溫快燒結晶釉的研制[D].武漢：武漢理工大學碩士學位論文，2008.

[18]袁裕坤.無錫攻克河湖淤泥固化難題[N].中國環境報，2005-07-06（005）.