河道底泥固化材料正交試驗研究★

葛明星 邵 俐

(上海理工大學環境與建筑學院，上海 200093)

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·建筑材料及應用·

河道底泥固化材料正交試驗研究★

葛明星 邵 俐

(上海理工大學環境與建筑學院，上海 200093)

通過正交試驗及無側限抗壓試驗，研究了水泥、礦渣、生石灰、沸石對固化底泥強度的影響規律，結果表明：水泥對抗壓強度的影響處于主導地位，礦渣對底泥固化的影響相較于水泥處于次要地位，生石灰和沸石對強度的影響效果最差。

底泥，固化材料，正交試驗，無側限抗壓強度

各種污水排放、大氣沉降將很多污染物帶入到水體中，污染物通過物理化學和生物等作用富集于水體底泥，導致河道底泥污染嚴重。固化/穩定化技術主要是向底泥中添加各種固化材料，通過固化材料與底泥的反應形成完整的固化體，改善廢物的力學性，降低其中污染物的溶出從而減少對周圍環境的污染。因為水泥具有廉價性、易用性等特點而作為最常用的一種固化材料。水泥的固化機理主要是通過水化反應形成的水化產物將廢物顆粒膠結、包裹，形成整體性較好的固化產物，從而可以改善廢物的力學性質[1，2]。

通常的辦法是在向底泥摻加水泥的同時，摻入輔助添加劑，以減少水泥的用量。常用的輔助添加劑有粉煤灰、高爐殘渣、粘土等。目前國內外眾多學者基本采用1種～3種材料單獨或者混合對污泥固化后的強度進行了研究[3-6]，但較少對3種以上類型的固化材料進行研究分析，所以，本文在添加水泥的基礎上，選取礦渣、生石灰、沸石作為輔助添加劑，通過設計室內正交試驗，研究了這3種類型固化輔助材料對污泥強度的影響，定性分析了各類材料在固化過程中的作用，為實際工程中材料的選取提供了參考。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗所用的底泥取自上海黃浦江某河道處底泥，一般取河底表層0 cm～10 cm的沉積物，在底泥沉積穩定和水流緩慢區域設置采樣點，采集后的污泥保存在塑料存儲箱內。底泥的主要化學成分見表1。

表1 底泥的化學成分

固化劑采用水泥、礦渣、生石灰、沸石。水泥為42.5號普通硅酸鹽水泥。礦渣為上海市某鋼鐵廠冶煉過程中所產生的并加工而成的超細礦渣粉。固化劑的化學成分如表2所示。

表2 固化劑的化學成分 %

1.2 試驗方法

將污泥在自然條件下風干，去除底泥中其他雜質，研磨過100目尼龍篩。

按照設計配比，將水泥、礦渣、生石灰和沸石與底泥充分混合，控制含水量為78%，加入水充分攪拌均勻，將攪拌后的固化底泥分3層裝入內徑為4.5 cm、高8.0 cm的特制模具內，每層振動2 min后裝入下一層。制樣完成后將試樣置于溫度(20±2)℃、濕度大于95%的養護箱中養護至24 h后脫模，繼續在相同的養護條件下養護至試驗齡期7 d，14 d，28 d，然后測定每組試樣的無側限抗壓強度值。

無側限抗壓強度試驗設備為微機控制全自動壓力試驗機，每組取3個試樣進行平行試驗，當3個樣的無側限抗壓強度值誤差在±5.0%時，取其平均值作為該配比的無側限抗壓強度值。

1.3 正交試驗方案

選取水泥、礦渣、生石灰和沸石為因素，分別以7 d，14 d和28 d的無側限抗壓強度作為考察指標，采用正交表L16(44)，做四因素四水平正交試驗。正交試驗方案見表3。

表3 正交試驗方案

2 試樣結果與討論

固化材料處理后底泥固化土的無側限抗壓強度值和正交分析結果見表4，表5。

表4 底泥固化土的無側限抗壓強度

表5 結果分析表

從表4中可以看出，固化劑中含有礦渣的底泥固化土的無側限抗壓強度隨著養護齡期的增加而逐漸增強。在同一齡期，試驗號1～4內的無側限抗壓強度呈上升趨勢，同理，試驗號5～8，9～12，13～16均有此規律。同時隨著齡期的增長，固化劑量的增加使得固化塊的無側限抗壓強度增長更為迅速，這說明齡期的增長，使得固化劑的固化效果得到了進一步的發揮。

從表5中可以看出，當養護齡期為7 d時，各因素的極差大小排序為A>B>C>D，從而可以確定在7 d的養護周期內，影響固化土抗壓強度因素的大小順序為：水泥>礦渣>生石灰>沸石。各因素的最佳摻入量取Ki最大的水平下的摻入量，因而在7 d的養護齡期內的最佳方案為A4B4C1D1，即為：水泥24%，礦渣16%，生石灰2%，沸石2%。

從養護齡期為14 d的試驗結果可以看出，各因素的極差大小排序為A>B>D>C，從而可以確定在14 d的養護齡期內，影響固化土的抗壓強度因素的大小順序為：水泥>礦渣>生石灰>沸石。各因素的最佳摻入量取Ki最大的水平下的摻入量，因而在14 d的養護周期內的最佳方案為A4B4C1D1，即為：水泥24%，礦渣16%，生石灰2%，沸石2%，與7 d的試驗結果相同。

從養護齡期為28 d的試驗結果可以看出，各因素的極差大小排序為A>B>C>D，從而可以確定在28 d的養護齡期內，影響固化土的抗壓強度因素的大小順序為：水泥>礦渣>生石灰>沸石。各因素的最佳摻入量取Ki最大的水平下的摻入量，因而在28 d的養護周期內的最佳方案為A4B4C1D3，即為：水泥24%，礦渣16%，生石灰2%，沸石6%，與前面兩種養護齡期相比，沸石的摻入量有所上升。

由以上分析可得，生石灰與沸石對固化土無側限抗壓強度增長的貢獻較小，水泥對固化土抗壓強度的貢獻最大，礦渣次之。同時，養護齡期為14 d，28 d時水泥對底泥固化土強度提升幅度遠大于養護齡期為7 d的固化土。

3 結語

1)采用水泥、礦渣、生石灰、沸石作為固化材料固化河道底泥，通過正交試驗得到了各種固化劑對底泥固化土無側限抗壓強度的貢獻，水泥對抗壓強度的影響處于主導地位，礦渣對污泥固化的影響相較于水泥處于次要地位，生石灰和沸石對強度影響效果最差。2)固化劑的最佳配比方案。齡期為7 d下的最佳配比為：水泥24%，礦渣16%，生石灰2%，沸石2%；齡期為14 d下的最佳配比為：水泥24%，礦渣16%，生石灰2%，沸石2%；齡期為28 d下的最佳配比為：水泥24%，礦渣16%，生石灰2%，沸石6%。通過添加水泥、礦渣、生石灰、沸石，提高了底泥的強度，降低了固化處理的費用。

[1] Mlalmstead M J，Bonistall D F，Van Maltby C.Closure of a nine-acre industrial using pulp and paper mill residuals[J].Tappi Journal，1999，82(2)：153-160.

[2] Kamon M，Inazumi S，Rajasekaran G，et al. Evaluation of waste sludge compatibility for landfill cover application[J]. Soils and Foundations，JGS，2002，42(4)：13-27.

[3] Rachana Malviya，Rubina Chaudhary. Study of the treatment effectiveness of a Solidification/stabilization process for waste bearing heavy metals[J]. Journal of Material Cycles and Waste Management，2004，6(2)：147-152.

[4] 朱 偉，林 城，李 磊,等.以膨潤土為輔助添加劑固化/穩定化污泥的試驗研究[J].環境科學，2007，28(5)：1020-1025.

[5] 趙樂軍，張曉鋒，閆澍旺，等.添加生石灰/土、粉煤灰改善污泥填埋特性的研究[J].中國給水排水，2007，23(3)：88-91.

[6] 金 艷，宋繁永，朱南文，等.不同固化劑對城市污水處理廠污泥固化效果的研究[J].環境污染與防治，2011，33(2)：74-78.

Orthogonal experiment study of solidifying materials of sediment from river★

Ge Mingxing Shao Li

(UniversityofShanghaiofScienceandTechnology,SchoolofEnvironmentandArchitecture,Shanghai200093,China)

The effects of cement， slag， lime and zeolite on the strength of solidified sediment was studied by conducting orthogonal tests and unconfined compression test. The results show that cement plays a more important role in enhancing the compressive strength of the sediment compared with slag， while lime and zeolite are least important to the sediment strength.

sediment， solidifying materials， orthogonal experiment， unconfined compressive strength

1009-6825(2016)05-0114-03

2015-12-04★：上海市科學技術委員會重點支撐項目(項目編號：13230502300)

葛明星(1989- )，男，在讀碩士； 邵 俐(1969- )，女，博士，副教授

TU502

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