鋼渣—疏浚淤泥混合固化土制備及性能研究

石 宇 汪 瀟

江蘇坤澤科技股份有限公司

1 引言

為了保證航道的通暢，每隔一段時(shí)間都需要對(duì)河道進(jìn)行疏浚清淤，因此將產(chǎn)生大量的疏浚淤泥。疏浚淤泥的含水率高、強(qiáng)度低、土力學(xué)性能差，難以進(jìn)行開發(fā)利用。化學(xué)固化是目前國(guó)內(nèi)外較為認(rèn)可的疏浚淤泥固化處理方法，通過(guò)向疏浚淤泥中添加固化劑（主要為水泥等無(wú)機(jī)膠凝材料），使淤泥、水、固化劑之間發(fā)生一系列的水化反應(yīng)，提高土體密實(shí)度，改善土的力學(xué)性能[1]。劉立新[2]等研究了水泥、石灰與粉煤灰對(duì)衡陽(yáng)雁棲湖疏浚淤泥固化效果的影響，當(dāng)水泥、石灰和粉煤灰的摻量分別為5%、2.5%、2.5%時(shí)，淤泥固化7d后，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到327.8kPa，能夠達(dá)到填埋的要求。但由于疏浚淤泥自身含水率高，僅通過(guò)膠凝材料的水化膠結(jié)作用實(shí)現(xiàn)淤泥固化往往需要較大的固化劑用量，固化成本很高。

鋼渣是煉鋼中的副產(chǎn)品，屬于固體廢棄物，這些廢棄物的排放、堆積不僅占用大量寶貴的土地資源，還會(huì)對(duì)大氣、土壤、水源產(chǎn)生極大地環(huán)境負(fù)擔(dān)。已有研究資料表明，鋼渣具有良好的顆粒級(jí)配、強(qiáng)度高、硬度大等特點(diǎn)，同時(shí)在堿性條件下具有一定的水化活性[3]，在道路、水泥、建筑、土木工程等領(lǐng)域都可以實(shí)現(xiàn)資源化利用。

本文基于以廢治廢的理念，利用鋼渣的骨架作用以及與固化劑的協(xié)同作用將其摻入疏浚淤泥中，改善淤泥的土力學(xué)性能，將其轉(zhuǎn)化成優(yōu)良的土工材料進(jìn)行再利用。

2 實(shí)驗(yàn)材料及方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)所采用的鋼渣由山東省日照鋼鐵控股集團(tuán)有限公司提供，鋼渣的主要化學(xué)成分通過(guò)X 射線熒光光譜（XRF）進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果如表1 所示，鋼渣的粒徑分布如表2 所示。疏浚淤泥來(lái)源為江蘇省連云港市某河道，其主要物理性能指標(biāo)如表3所示。從表3可以看出該淤泥的含水率達(dá)到109%，塑性指數(shù)達(dá)到23.7，按照《巖土工程勘察規(guī)范》[4]（GB 50021—2001）中土的分類規(guī)定，該淤泥塑性指數(shù)＞17，屬于黏土。固化劑為江蘇坤澤科技股份有限公司自主研發(fā)生產(chǎn)的KZJ-P01 型粉體固化劑，主要成分為硅酸鹽、鋁酸鹽、硫酸鹽、氧化鈣等，密度為2.98g∕cm3。

表1 鋼渣的化學(xué)組成∕%

表2 鋼渣的粒徑分布

表3 淤泥的主要物理性能指標(biāo)

2.2 配比

實(shí)驗(yàn)采用基本組和對(duì)照組，其中基本組A為純淤泥；對(duì)照組B 中鋼渣摻入量為5%；對(duì)照組C 中鋼渣摻入量為10%。此外，3個(gè)組中還分別加入相同摻量的固化劑，固化劑摻量以每立方米鋼渣與淤泥混合物中加入的固化劑質(zhì)量計(jì)算，本實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)2種摻量，分別為80kg∕m3以及100kg∕m3。通過(guò)測(cè)定固化土的3d、7d、14d及28d的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，比對(duì)鋼渣的摻量比以及固化劑摻量對(duì)固化土強(qiáng)度發(fā)展的影響。各組實(shí)驗(yàn)配比如表4所示。

表4 各組實(shí)驗(yàn)配比

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

試樣制備過(guò)程先將鋼渣與淤泥按照表4所示的比例混合，然后在混合材料中按表4的摻量添加固化劑并利用攪拌設(shè)備充分?jǐn)嚢杈鶆颍袒瘎┑膿搅堪凑彰苛⒎矫卒撛?淤泥混合料中加入固化劑的質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算。攪拌后的鋼渣-淤泥混合固化土分三層裝入圓柱體模具中（直徑39.1mm、高度80mm）制作成無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試件，每個(gè)配比制備3組平行試件。試件制備完成后置于恒溫恒濕箱（溫度20±2 ℃，相對(duì)濕度＞95%）中，養(yǎng)護(hù)24h 脫模，脫模后的試件密封浸入20±2 ℃水中養(yǎng)護(hù)至設(shè)定齡期后測(cè)試無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用YYW-2 型應(yīng)變控制式無(wú)側(cè)限壓力儀。試驗(yàn)前需對(duì)試件進(jìn)行預(yù)處理，刮平試件上下表面，然后按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[5]（GB∕T 50123—2019）進(jìn)行測(cè)試，每組測(cè)定3個(gè)平行試件，取其平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

將 ABC3 組固化土試件分別養(yǎng)護(hù)至 3d、7d、14 d 和 28d 后取出，測(cè)試其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如表5所示。

表5 鋼渣—淤泥混合固化土不同齡期下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

從表5 中可以看出：（1）基準(zhǔn)組A 組不摻入鋼渣，由于疏浚淤泥自身含水率和有機(jī)質(zhì)含量高，固化劑早期的固化效果較慢，7d 時(shí)80kg∕m3摻量下淤泥固化土尚未完全硬化，摻量提高到100kg∕m3時(shí)3d 淤泥固化土也未能硬化，直到28d 時(shí)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值也僅達(dá)到82kPa，無(wú)法應(yīng)用于一般填土工程。同時(shí)從表5 中A 組數(shù)據(jù)可以推斷，如果繼續(xù)提高固化劑摻量，淤泥固化土的28d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度也可能獲得小幅度的提高，但是同樣很難滿足填土工程對(duì)強(qiáng)度的要求，且極大增加了固化成本；（2）當(dāng)淤泥固化土體系中引入鋼渣后，鋼渣顆粒改善了整個(gè)體系的顆粒級(jí)配，形成了能夠抵抗外力的骨架結(jié)構(gòu)。同時(shí)固化劑自身的堿性激發(fā)了鋼渣的活性，大大促進(jìn)鋼渣中物相的溶解、水化硅酸鈣及鈣礬石的形成，從而加快了整個(gè)混合體系的固化進(jìn)程。從表5中可以看出當(dāng)鋼渣摻入量達(dá)到5%時(shí)就可以明顯加快固化速率，在1d～2d內(nèi)固化土就能夠硬化產(chǎn)生強(qiáng)度。但是在鋼渣摻入量為5%時(shí)，即使固化劑摻量提高到100kg∕m3，鋼渣-淤泥混合固化土的28d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值也只達(dá)到175kPa，考慮到實(shí)驗(yàn)室試件強(qiáng)度與工程現(xiàn)場(chǎng)固化土實(shí)際強(qiáng)度的差異，仍達(dá)不到淤泥的填埋要求；（3）當(dāng)鋼渣摻入量達(dá)到10%時(shí)，鋼渣-淤泥混合固化土在各齡期下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值均有一定幅度的提升，其中28d強(qiáng)度值可達(dá)到200kPa以上，能夠滿足填埋需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用鋼渣、疏浚淤泥、固化劑為主要原料，制備鋼渣-淤泥混合固化土，通過(guò)分析比較不同鋼渣摻入量比以及不同固化劑摻量的固化土早期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度性能，并進(jìn)一步研究分析，得到以下結(jié)論。

（1）鋼渣具有良好的骨架作用并且和固化劑有較好的協(xié)同作用，與疏浚淤泥混合后能夠顯著加快整個(gè)體系的固化進(jìn)程，提高固化土的強(qiáng)度。

（2）鋼渣摻入量達(dá)到10%，固化劑摻量在80kg∕m3～100kg∕m3范圍內(nèi)時(shí)，鋼渣-淤泥混合固化土28d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值可達(dá)到200kPa以上，可以滿足一般填土工程對(duì)強(qiáng)度的要求。

（3）疏浚淤泥與鋼渣同為固體廢棄物，經(jīng)過(guò)混合固化后作為回填材料使用，以廢治廢，既可以減輕疏浚淤泥與鋼渣對(duì)生態(tài)環(huán)境的負(fù)擔(dān)，又能夠產(chǎn)生優(yōu)良的土工材料，具有較好的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。