基于鈣鎂鹽的底泥高效脫水固化方案

袁立群，陳 儉，林 璇，武博然，趙風(fēng)斌

（1.深圳市市政工程總公司，廣東深圳 518033；2.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092）

水泥系固化劑（水泥、石灰、石膏及其他鈣鎂鹽、鈣鎂氧化物）由于其低廉的價(jià)格、較強(qiáng)的黏結(jié)能力以及水化反應(yīng)產(chǎn)生堿度對重金屬等無機(jī)污染物浸出毒性的降低作用而成為目前較為主流的剩余污泥、疏浚底泥固化劑。由白云石高溫煅燒制成的固化劑（M1）主要成分為CaO和MgO，其固化效果主要是由CaO的水化反應(yīng)生成Ca（OH）2，產(chǎn)生大量熱促進(jìn)水分揮發(fā)，實(shí)現(xiàn)底泥干化；由于Ca（OH）2巨大的比表面積而對底泥顆粒加以吸附，進(jìn)而形成對于底泥顆粒的團(tuán)?；饔?，增強(qiáng)底泥顆粒間相互摩擦力，提高底泥抗剪切強(qiáng)度[1]。其次，當(dāng)Ca（OH）2團(tuán)粒化作用完成后剩余游離Ca2+還會(huì)與底泥SiO2發(fā)生火山灰反應(yīng)，生成3CaO·SiO2·3H2O，更加有效地實(shí)現(xiàn)了底泥固化穩(wěn)定化[2]。因此本文選取M1固化劑與工程應(yīng)用中最為常見的有機(jī)調(diào)理劑聚丙烯酰胺（PAM）進(jìn)行復(fù)配，分析無機(jī)固化劑與有機(jī)調(diào)理劑復(fù)配時(shí)的底泥脫水固化效果，以無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為衡量指標(biāo)，同時(shí)兼顧固化底泥液限、塑性指數(shù)測定結(jié)果，建立底泥固化改性最優(yōu)藥劑投加方案。

1 材料與方法

1.1 底泥采集

底泥采集于浙江省嘉興市某待疏浚河道，采樣點(diǎn)位河流交匯點(diǎn)及污染物排放口下游500～1 000m處，采樣深度為水固相界面以下0～60cm。采集的底泥樣品需避光保存于4℃冰箱中，其基本性質(zhì)如表1所示。

表1 底泥基本性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)方法

M1固化劑由白云石高溫煅燒制成，主要成分為CaO和MgO。由于本文試驗(yàn)用疏浚底泥礦物組成中黏土礦物主要以高嶺石為主，底泥親水性較差，因此選擇有機(jī)調(diào)理劑聚丙烯酰胺（PAM）增強(qiáng)底泥顆粒對水分子的結(jié)合能力。將M1固化劑（投加量為底泥濕基質(zhì)量的0.2%、0.6%和1%）與PAM（投加量為底泥濕基質(zhì)量的0.1%、0.2%和0.3%）投加至含水率90%疏浚底泥，充分?jǐn)嚢韬笥? 000r/min條件下離心10min，棄去上清液，收集脫水后底泥，自然風(fēng)干3-5h后，裝入高70mm，截面直徑35mm的塑料管模中制得圓柱形待測試樣，24h后脫模，于室溫下繼續(xù)養(yǎng)護(hù)（養(yǎng)護(hù)時(shí)間為3d、8.5d和14d），然后測定試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和塑性指數(shù)。

1.3 主要分析方法

固化底泥試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、液限、塑限與塑性指數(shù)測定遵循《土工試驗(yàn)規(guī)程》（SL 237—1999）[3]。

2 結(jié)果與分析

采用Design-Expert8.05軟件進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)，M1投加量、PAM投加量、養(yǎng)護(hù)齡期三因子水平選取及試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。結(jié)果顯示，經(jīng)M1固化劑與PAM調(diào)理劑處理后的底泥其無側(cè)線抗壓強(qiáng)度均≥50kPa，88%處理方式的塑性指數(shù)在15～20，可滿足《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD 30—2004）路基填充土相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求[4]。

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)三因子水平選取及試驗(yàn)結(jié)果

由圖1（a）可知，M1固化劑主要成分為CaCO3、CaO、MgO，Mg（OH）2。CaCO3可實(shí)現(xiàn)底泥孔隙填充，CaO水化反應(yīng)產(chǎn)物及 Ca（OH）2所具有的巨大比表面積使之具備較強(qiáng)的底泥顆粒團(tuán)粒化作用，凝聚底泥顆粒的同時(shí)促進(jìn)游離Ca2+與底泥顆粒表面吸附Na+、K+的離子交換作用，中和底泥顆粒表面電性，利于Ca2+與底泥中SiO2組分的火山灰反應(yīng)，形成致密的微觀結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化底泥脫水固化效果。由圖1（b）可知，M1固化后底泥有大量5CaO·3SiO2·2H2O生成，這證實(shí)了Ca2+與SiO2組分的火山灰反應(yīng)，其次固化后底泥MgSiO3、CaSiO4·1/2H2O組分的生成則交叉填充于底泥間隙，提高固化體內(nèi)聚力，有利于抗壓強(qiáng)度的形成。而PAM的加入可增強(qiáng)底泥顆粒的親水性能，提高底泥塑性指數(shù)，其可能的機(jī)理是PAM長鏈分子中的-NH2可通過氫鍵作用吸附極性水分子，同時(shí)有機(jī)高分子通過分子間作用力吸附底泥顆粒，以上兩種作用綜合使底泥顆粒發(fā)生團(tuán)聚，且團(tuán)聚體與水分子的親和能力較分散于水中的細(xì)小底泥顆粒有所增強(qiáng)，進(jìn)而提高底泥塑性指數(shù)。

圖1 X射線衍射圖譜

圖2顯示了養(yǎng)護(hù)齡期8.5d時(shí)M1固化劑和PAM投加量對固化底泥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨M1、PAM投加量增多而增大，固化劑投加量愈多，水化產(chǎn)物產(chǎn)生量愈大，愈有利于強(qiáng)度形成，PAM投加則有助于底泥凝聚，增強(qiáng)底泥顆粒間機(jī)械作用力，增加底泥抗剪切能力。

圖2 M1投加量和PAM投加量對固化底泥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響的響應(yīng)曲面

圖3顯示了PAM投加量0.2%時(shí)M1固化劑投加量和養(yǎng)護(hù)齡期對固化底泥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨M1投加量增多、養(yǎng)護(hù)齡期延長而增大，養(yǎng)護(hù)齡期延長有助于水化反應(yīng)的充分進(jìn)行，促進(jìn)鈣礬石晶體的形成，對底泥顆粒產(chǎn)生包被抱箍作用，同時(shí)纖維狀晶體填充底泥顆粒間隙，有利于底泥力學(xué)強(qiáng)度的形成。

圖3 M1投加量和養(yǎng)護(hù)齡期對固化底泥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響的響應(yīng)曲面

圖4顯示了M1投加量0.6%時(shí)PAM投加量和養(yǎng)護(hù)齡期對固化底泥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨PAM投加量增多、養(yǎng)護(hù)齡期延長而增大，說明PAM底泥顆粒凝聚效應(yīng)隨時(shí)間推移能夠保持較好的穩(wěn)定性。

圖4 PAM投加量和養(yǎng)護(hù)齡期對固化底泥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響的響應(yīng)曲面

Design-Expert8.05軟件根據(jù)底泥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨M1、PAM、養(yǎng)護(hù)齡期變化趨勢所預(yù)測的最佳工藝條件如表3所示，液限、塑性指數(shù)實(shí)際測定結(jié)果說明該工藝條件滿足路基回填對于固化底泥持水性能的相應(yīng)要求。

表3 疏浚底泥固化改性最佳工藝條件

3 結(jié)論

本研究將M1固化劑與有機(jī)調(diào)理劑PAM進(jìn)行復(fù)配，處理后的底泥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與塑性指數(shù)均可滿足路基回填土的相關(guān)性能要求；復(fù)配試劑最佳工藝條件為M1投加量1.0wt%，PAM投加量0.3wt%，養(yǎng)護(hù)齡期3d，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度預(yù)測值238kPa。