淤泥固化材料研究進展

董明榮 趙海燕 凌升河 崔新忠 高越青

（1 紹興市建設工程質量安全管理中心；2 紹興市科技產業投資有限公司)

(3 紹興市城投再生資源有限公司；4 紹興文理學院土木工程學院）

隨著我國建設進程的不斷加快，在水利工程建設以及河流湖泊等生態環境治理的過程中，產生了大量的疏浚淤泥。淤泥主要是由水與黏土顆粒及有機質組成的粘稠懸浮液，具有含水率高、強度低、穩定性差、有機質含量多并含有較多重金屬污染物等特點[1]。長久以來，近海拋填和陸地堆放是處理淤泥的最主要方法[2]。堆放和填埋等處理方法嚴重污染環境，不僅與我國綠色發展的道路不符，并且受到了人們的強烈反對。因此，淤泥固化及其資源化利用迫在眉睫。淤泥固化處理就是將固化材料與淤泥進行混合，經過充分攪拌使固化材料和淤泥中的水分以及其他物質發生反應，從而使土顆粒之間連接的更加緊密，以達到提高強度的目的[3,4]。因地制宜地選擇合適的固化材料，對淤泥固化效果及處理成本起到了決定性作用。經過多年的發展，出現了各類固化材料，大致可分為有機類固化材料、無機類固化材料、生物酶類固化材料和復合類固化材料等。

1 無機類固化材料及其固化效果

目前主要以水泥、石灰、粉煤灰和礦渣等作為固化淤泥的無機類固化材料。無機類固化材料具有固化強度高、耐久性強、易獲取、固化速度快等優點；但無機類固化材料的生產具有能耗大、排放高等特點，同時資源短缺以及施工成本的增加，也成為目前不得不考慮的因素[5]。選擇不同固化材料的等級、品種、摻入比、強度和齡期對固化淤泥的力學性能和耐久性能影響顯著。陳達等[6]研究表明：普通硅酸鹽水泥和礦渣硅酸鹽水泥作為固化材料能夠很好地達到固化效果；礦渣硅酸鹽水泥的耐腐蝕性較強；抗硫酸鹽水泥能夠較好地抵抗SO42-的侵蝕作用；膨脹水泥具有較好的抗干縮性能。因此，在不同的固化環境下，選擇不同的水泥品種對固化淤泥的效果有著不同的影響。Chen[7]利用堿活化礦渣對含鉻元素的淤泥進行固化，結果表明：液固比、堿活化礦渣摻量顯著影響固化淤泥的強度和鉻元素的浸出速度，隨堿活化礦渣摻量增加及養護時間的增長，礦渣和淤泥的水化產物能很好地固化穩定鉻元素。Tang[8]研究了在粉煤灰中摻少量的水泥對淤泥固化效果的影響，分析表明：15%的水泥摻量就可達到很好的工程應用效果，經粉煤灰固化后的淤泥沉積物中，C-S-H 凝膠的形成是固化淤泥強度發展和重金屬污染物穩固化的主要原因。

無機類固化材料中含有較多的氧化物以及硅鋁酸鹽等物質。無機類固化材料同淤泥中的水發生水化反應，元素之間的離子鍵、共價鍵斷裂重組，形成諸如水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等纖維狀或網絡狀結構，穩定了淤泥中的有害物質以及游離的離子；凝結形成具有膠凝性質的水化產物；水化產物的產生填充了淤泥土顆粒中的空隙，提高固化淤泥的強度和密實性；粉煤灰、礦粉等無機類固化材料具有火山灰活性，可進一步提升土顆粒間的粘結作用，增強固化效果[9]。

2 有機類固化材料及其固化效果

有機類固化材料主要包括水玻璃類材料、環氧樹脂和有機高分子等材料。使用較少的有機類固化材料就能達到較佳的淤泥固化效果，并且在施工中便于控制，加快施工進度；但固化淤泥水穩定性較差、后期強度效果不佳、且固化效果受環境影響較大等缺點制約了有機類固化材料在工程中的應用[10]。許惠[11]等試驗研究了聚丙烯酰胺對固化淤泥質土孔隙結構的影響，結果表明：有機高分子聚合物加入淤泥質土，能夠產生一定的絮凝作用，增強土顆粒之間的膠結性能，從而減少淤泥固化體的孔隙比，增強結構的穩定性。Zhang[12]制備了一種基于二乙烯基苯、苯乙烯和丙烯酸丁酯的新型高分子聚合物，并用于固化油性污泥，該固化劑可以固化不同含油量的油性污泥，并且固化效果穩定。王東星等[13]研究了水玻璃對淤泥的固化效果，結果表明：水玻璃的摻量越多，生成的N-A-S-H 膠凝越多，通過粘結和填充土顆粒之間的孔隙，使固化淤泥的微觀結構更加致密，以提高固化淤泥的力學性能。韋猛等[14]發現吸水樹脂中含有較多的親水基團，可以快速的實現從流動狀態到可塑狀態的轉變；并且吸水樹脂中的極性基團可以較好地產生絮凝作用，以實現淤泥的快速固化。

在淤泥中加入高分子類或水玻璃類等有機類固化材料，通過發生聚合和縮合反應，生成具有一定粘度和不溶于水的有機大分子鏈；這些有機大分子鏈通過降低土顆粒的表面張力提高憎水性，同時填充土顆粒之間的孔隙，由此減少水分子的進入,加強土顆粒之間的粘結，提高淤泥固化體的密實性[15]。

3 復合類固化材料及其固化效果

復合類固化材料一般以傳統的固化材料為主，通過混摻或輔以其他激發類材料，按照一定配比進行混合，通過離子交換、火山灰反應等作用而合成的一種環境適應能力較強的新型固化材料。由于其環境適應能力強、比單一固化材料效果好、成本低、固化效果明顯而廣泛的應用于實際工程中[16]。Ma[17]將氧化鎂、氯化鎂和水泥按一定的比例混合形成氯氧化鎂水泥用于淤泥的固化，結果表明：氯化鎂具有極高的吸水能力，并將氧化鎂溶解其中，形成氯氧鎂水泥膠凝；氧化鎂、氯化鎂、水泥三者和淤泥混合后，形成了十分堅固的三元鉸鏈體系，極大地提高了強度，并且將重金屬離子固化其中。Chen[18]研究了復摻硅粉和鎂鉀磷酸鹽水泥對淤泥的固化效果，測試結果表明：利用30%的硅粉代替水泥后，固化淤泥的抗壓強度大幅增加，并且添加硅粉可以有效降低淤泥的含水量和體積收縮率。Zhen[19]使用CaO 和Al2O3作為粘結劑與水泥進行混合，制備了新型鋁酸鹽水泥，并用于淤泥固化，研究發現：鋁酸鹽的存在很好地保護了結構體系免于有機物的干擾，并且有效促進了晶體相的形成，從而形成致密的微觀結構，提升固化淤泥的強度。Xie[20]將高爐礦渣、電爐鋼渣、煙氣脫硫渣等工業廢棄物和石膏混合，制備了一種新的淤泥固化材料，試驗表明：高爐礦渣和煙氣脫硫渣的活化作用，以及水泥、石膏等材料所產生的水化產物的填充及膠凝作用，是提高固化淤泥強度的最主要原因。

復合類固化材料的反應機理分為離子交換類和火山灰反應類。離子交換類中往往復摻有激發劑材料，其和淤泥混合后首先發生水解反應，然后通過離子交換作用合成膠凝性水化產物，硬化后形成水穩定的結晶礦物；火山灰反應類通過不同固化材料中含有的較高的火山灰活性物質發生反應，生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等膠凝成分，進一步填充土體間隙，提高土體強度[21]。

4 生物酶類固化材料及其固化效果

生物酶類固化材料是一種在植物中提取、經過催化和發酵而產生的有機類蛋白質。生物酶類固化材料具有環保、無污染、固化效果好、施工便捷等優點，但耐久性和浸水后的強度需要進一步研究[22]。Aziza[23]研究了兩種酵母菌株對土壤中重金屬離子的浸出特性及酶活性的影響，結果表明：酵母菌株的引入能夠很好的固化鉻、銅、鋅等重金屬離子；酶活性與有機物的含量呈線性關系；酶的加入對生態系統的修復有積極的作用。何振華等[24]利用五種不同的生物酶對淤泥土的固化效果進行室內試驗，測試結果表明：生物酶的加入能夠有效地降低淤泥土的液塑限以及塑限指數，并且大幅度提高淤泥土的剪應力；但淤泥土的最大干密度和最佳含水率不受生物酶摻量的影響。葉學銀等[25]測試表明經生物酶固化過后的淤泥質土樣更容易被壓縮，通過減小土顆粒之間的孔隙，極大地提高了抗剪強度。董輝等[26]以泰然酶、E3酶為試驗對象對淤泥質土強度的時效性進行了研究，結果發現：泰然酶與E3 酶通過改變土顆粒的內摩擦角和粘聚力，提高了固化淤泥的抗剪強度；但固化淤泥強度的增加有明顯的衰落期與強化期，這為實際工程的應用提供了指導意義。

生物酶類固化材料主要是在淤泥固化中起到了催化作用。由于其具有較多的高價離子，當滲透到土顆粒內部后會置換其中的低價離子，從而減弱土顆粒之間的雙電層，降低斥力，使土顆粒排列更加緊密，阻止自由水的進入；在外力作用下加速淤泥水分的排出，降低壓縮性，使土體變得更加密實[27]。

5 結語與展望

通過總結分析現行用于淤泥固化的各類固化材料的組成、特點、固化效果及固化機理，得到如下結論與展望：

⑴淤泥具有較高的含水率、有機質和重金屬物質，不同固化材料化學成分不一，固化機制不同，因而其淤泥固化效果也差異顯著。結合處理成本，因地制宜選擇合適的淤泥固化材料尤為重要。

⑵有機類固化材料和生物類固化材料對淤泥固化效果的研究，目前以室內試驗為主，未來需進一步研究其對淤泥在凍融循環、干濕循環、侵蝕性介質等復雜環境下的固化效果。

⑶目前各類淤泥固化材料仍存在不少環境負效應，未來需進一步研發高效環保的新型固化材料。

⑷未來需加強機械脫水固化、化學固化、熱固化等綜合固化法的研究，以提升淤泥固化效果和經濟效益。