礦渣摻量對燒結淤泥性能的影響

李正昊 季曉檬 李 成

(江南大學環境與土木工程學院，江蘇無錫 214122)

0 引言

我國幅員遼闊，河流眾多，近年來由于污染漸趨嚴重，河流的清淤成為河流治理中必不可少的內容，我國每年展開大規模的疏浚和清淤工程，產生大量的疏浚淤泥［1，2］。如何合理利用這一數量龐大的資源，成為我們必須要面對和解決的問題。當前疏浚泥的主要應用技術有:固化填方技術、燒磚技術、燒制陶粒技術、制作水泥熟料技術、農林應用技術、制氫技術和生態濕地及棲息地建設應用技術等［3］。但是清理出的淤泥一般呈流塑狀，幾乎沒有什么承載能力，不能直接利用。因此對疏浚淤泥的固化成為首先需要解決的問題。常用的固化方法有:物理脫水固結法、化學固化法以及高溫燒結固化法。

之前研究較為成熟的是使用水泥作為固化材料的化學固化技術，而事實證明水泥的固化效果也確實很好。但是使用水泥固化同時又存在著很多的問題，比如成本高，材料水穩定性差，特別是用水泥加固有機質含量較高的淤泥時，其強度一般都比較低，這是因為有機質的存在阻礙了水泥水化反應的進行［4］。而淤泥通過高溫燒結法進行固化轉化為土木工程材料時，其產品的附加值較高，是將淤泥資源化行之有效的辦法。因此與化學固化法相比，燒結固化法表現出更大的優勢。燒結固化法是通過高溫處理，使疏浚淤泥脫水，有機成分分解，顆粒之間粘結，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［5］。同時，由于工業廢渣，如粉煤灰、礦渣等在生產不同性能的水泥時就發揮了很大作用，因此很多研究也將工業廢渣引入，達到改善燒結固化效果的目的。本文涉及到的實驗研究采用的方法是摻入工業廢渣條件下的燒結固化法。

1 實驗材料及方法

將礦渣磨成細粉作礦物細摻料直接用于混凝土生產，是可持續發展和降低混凝土生產成本的重要技術路線［6］。因此礦渣更多的是摻加到水泥中作為礦物摻合料使用，而礦渣的摻量對水泥石的強度也有著重大的影響，實驗表明:礦渣占混合固化劑的質量比在一定區間內(40%～70%)對水泥土強度的增強效果顯著，而且低于10%時基本不會顯示出效果［7］。但是將礦渣摻加到淤泥中，固化加以利用的研究還不是很多。本文主要通過在太湖淤泥中摻加不同量的礦渣，燒結固化，研究其對淤泥固化效果的影響。

1.1 實驗材料

淤泥:淤泥取自無錫白旄淤泥堆場。將疏浚淤泥在烘箱中105℃條件下烘12 h，表面呈黃褐色。粉碎篩分，粒徑0.05 mm。經XRF測定，淤泥樣品的相關化學性質見表1。

表1 淤泥樣品的化學組成 %

不難看出，在淤泥中SiO2含量最多，可以保證燒結制品足夠的強度;CaO含量很低，則坯體在焙燒過程中不易變形［8］。

礦渣:工業廢渣，白色。

溶液:1 mol/L的NaOH溶液。

試塊成品規格:φ100 mm ×50 mm，每塊質量 m=0.64 kg，密度 ρ=1.63 g/cm3。

1.2 實驗方法

將烘干粉碎好的淤泥粉末與不同摻量的礦渣混合均勻，然后加入NaOH溶液攪拌，控制含水率在15%左右;然后將攪拌好的試樣裝入擊實儀中擊實;擊實后干燥放置3 d;最后放入馬弗爐中，在1000℃下恒溫加熱2 h;最后取出試塊檢測分析。

流程可用圖1表示。

圖1 實驗流程圖

2 實驗結果和分析

2.1 礦渣摻量對燒結疏浚淤泥的無側限抗壓強度的影響

2.1.1 實驗數據

本次實驗主要研究礦渣在低摻量和高摻量情況下，對燒結淤泥的無側限抗壓強度的影響。低摻量分為:0%，3%，5%，10%四組;高摻量則為:20%，40%，60%三組。最后分別統計兩組實驗數據，見圖 2，圖 3。

2.1.2 數據分析

分析實驗得到圖表，可以得到結論:

低摻量(0%～10%)情況下，抗壓強度值都處于較高水平，最高可達14.3 MPa，最低也有13.1 MPa，且其值摻量在4%～5%之間時強度達到峰值。高摻量(20%～60%)情況下，抗壓強度值的變化也呈現拋物線趨勢，且礦渣摻量40%附近時，抗壓強度達到極值。由此還可以看出，低摻量條件下的無側限強度整體高于高摻量的。這也說明，礦渣摻量并不是越高越好，而是存在一個合理的分布區間。

圖2 低礦渣摻量下燒結淤泥的無側限抗壓強度值

圖3 高礦渣摻量下燒結淤泥的無側限抗壓強度值

2.2 礦渣摻量對燒結疏浚淤泥的收縮率、燒失率的影響

礦渣作為摻料加入淤泥中，其影響必然是多方面的。除了上面討論到的對抗壓強度的影響，我們還要研究對燒結淤泥其他性質的影響。根據土木工程中對一般建筑材料，如建筑和裝飾用磚的性能要求，本實驗選擇了收縮率和燒失率作為研究對象。

2.2.1 實驗數據

通過對實驗數據的整理，結果可用表2來表示，變化趨勢由圖4表示。

表2 礦渣摻量對燒結淤泥其他性質的影響 %

圖4 不同礦渣摻量下燒結淤泥的收縮率及燒失率情況

2.2.2 數據分析

通過表2的數據統計，我們可以得出以下結論:

低摻量情況下，收縮率和燒失率都要比高摻量情況下的大了許多。收縮率隨礦渣摻量的增加基本呈現先降后升的趨勢;燒失率隨礦渣摻量的增加所呈現的趨勢要更加復雜，可表述為先下降再上升最后再下降，最后趨于平緩。結合實驗得到的試件情況還可以得出，摻量高時燒結淤泥穩定性要更高一些，經高溫燒結后的試塊表面比摻量低時的更為平整，裂縫也更少。綜合考慮兩種因素的影響，可看出，摻量在5%附近時，兩種指標的值都相對較小。

3 結論與展望

通過對摻礦渣疏浚淤泥燒結后的抗壓強度、收縮率及燒失率等指標的研究，可以得出以下幾點結論:

1)礦渣摻量對燒結疏浚淤泥的無側限抗壓強度的影響并不是簡單的摻量越高，強度越大，而是低摻量的情況下抗壓強度更為理想。

2)礦渣摻量對燒結疏浚淤泥的收縮率、燒失率的影響為:低摻量情況下，收縮率和燒失率都要比高摻量情況下的要大。

3)綜合對比，可以初步給出本實驗情況下的最佳礦渣摻量:礦渣摻量為5%，此時經高溫燒結固化后的淤泥各方面的性能都較理想。無側限抗壓強度可達到13 MPa以上，用來制磚的話，已經可以達到一般土木建筑材料的要求;收縮率為5%，小于8%的一般要求;燒失率小，表明此時的材料性能較為穩定。

由于作者自身知識有限，對通過實驗得出的各項結論還不能給出更具有說服力的機理闡述，因此這里只是將實驗成果展示如上，并對數據加以初步分析。但是隨著更多的研究者加入到淤泥燒結再利用的研究中來，相信試驗中涉及到的相關內容都會得到解決，從而也會使燒結淤泥能夠得到更好的發展利用。

［1］陳 萍，張振營，李小山，等.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.

［2］朱 偉，張春雷，劉漢龍，等.疏浚泥處理再生資源技術的現狀［J］.環境科學與技術，2002(4)：39-41.

［3］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.

［4］王曉東，蔣 建.淤泥處理技術研究綜述［J］.科技資訊，2009(10)：154-155.

［5］趙慶祥.污泥資源化技術［M］.北京：化學工業出版社，2002.

［6］萬惠文，陳學兵，王 君.礦渣成分及結構對潛在活性的影響［J］.武漢理工大學學報，2009，31(4)：101-103.

［7］蘭 凱，黃漢盛，鄢泰寧.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(5)：115-119.

［8］袁永兵，陳洪齡，呂志剛，等.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)：179-182.