廢棄工程泥漿資源化技術研究

摘要：我國每年產生工程泥漿量大，隨意棄置可能存有潛在生態風險。本研究以基坑泥漿（JK）和疏浚底泥（DN）搭配常用建筑原料制成資源化產品（免燒生態步道磚），并進行抗壓強度測試。結果表明，以廢棄工程泥漿部分替代建筑原料，在粗砂（CS）組中，JK較DN效果好，資源化產品28d抗壓強度均超過10MPa，達到MU10標準GB/T 8239-2014。用黃砂（HS）、清砂（QS）、機制砂（JZS）進行配比，當DN添加量為30%、HS添加量為50%時，抗壓強度最高，達到MU15標準GB/T 8239-2014；當DN添加量為40%時，不同砂料抗壓強度區別較小。另外，泥漿與砂料組成的骨料體系中，既受到硅（Si）和鋁（Al）等含量的影響，又受到鈣硅比（C/S）的耦合影響。

關鍵詞：基坑泥漿；疏浚底泥；資源化產品；抗壓強度

引言

我國工程泥漿的年產量達數10億m3，產生量大，隨意棄置可能存有潛在生態風險[1～3]。廢棄工程泥漿性質類似黏土，有很大的潛在價值，其作為一種可利用資源，在國外發達國家和地區已得到了一定的資源化利用，隨著我國對節能減排和生態環保的重視，工程泥漿資源化技術也在不斷發展[4～9]。目前，國內外有學者就廢棄泥漿制備免燒生態磚進行了試驗與研究，并取得了一些關于材料配比方面的成果[10][11]，但現有研究所采用的添加材料經濟成本偏高、泥漿添加比例較低、實際推廣應用價值不高，亟需進行研究改善。本研究通過比較2種廢棄工程泥漿作為替代骨料后的資源化產品性能，并從經濟性角度和適宜推廣角度研究相關添加材料配比等，以期為工程泥漿資源化產品規模化應用提供研究基礎。

1實驗參數

1.1 工程泥漿參數

工程泥漿概念較為寬泛，主要為工程項目實施過程中不可避免產生的一些固體廢物，本實驗選取的是目前產生數量較大的2類工程泥漿，即基坑泥漿（JK）和疏浚底泥（DN），取自某隧道工程基坑泥漿和鄰近湖泊疏浚底泥，相關參數見表1。

平均粒徑一般以Dv50表示，DN平均粒徑小于JK，顆粒較細，但二者平均粒徑均小于75μm，按照《土的工程分類標準》（GB/T 50145-2007），二者均屬于細粒（粉粒）。JK有機質含量較高，可能是由于樹枝花草等落入其中腐爛后導致。另外，如圖1a所示，DN中硅（Si）、鋁（Al）含量較高，鈣（Ca）含量較低。

1.2 砂料參數

砂料根據粒徑及來源來看，品種較多，本實驗所用砂料均購自某建材市場，分為粗砂（CS）、黃砂（HS）、清砂（QS）和機制砂（JZS），相關參數見表2。

CS、HS和QS均屬天然砂料，JZS是通過相關設備把石頭或其他材料等破碎后形成的粒徑比較均勻的人為制造砂料，相比其他天然砂料更加可控，本實驗中所用JZS平均粒徑最小，CS平均粒徑最大。另外，如圖2a所示，4種砂料中，JZS因屬人工砂料，Si含量最低，Al含量最高；CS的Si含量最高，為59.5%；QS是經水洗過的砂，Ca含量在4種砂中最高。

2研究方法

2.1 技術流程

①準備工作：將JK與DN進行自然風干，錘擊后使用干濕球磨機（群英小型）進行磨細，球磨時間為20～30min。②混合階段：將磨細后的工程泥漿與砂、水泥（SN華新325）和自來水（WA）按一定比例混合。③成型階段：使用液壓成型機（九譽靜壓機）靜壓成型，形成資源化產品（免燒生態步道磚）。④養護階段：將免燒壓制成型產品用保鮮膜包好，放入標準養護箱內，設置養護箱溫度為20℃，濕度為90%，養護28d后檢測其抗壓強度。

2.2 檢測方法

①粒徑：使用激光衍射法粒度分析儀（Mastersizer 3000E），通過顆粒的衍射或散射光的空間分布（散射譜）來分析顆粒大小及分布。②有機質：采用《土壤檢測第6部分：土壤有機質的測定》（NY/T 1121.6-2006）方法。③X射線熒光光譜分析（XRF）：通過PANALYTICAL X射線熒光光譜儀測定樣品中各組成成分的含量。④抗壓強度：采用YAW-2000全自動壓力試驗機進行資源化產品的抗壓強度檢測。

3結果與分析

3.1 不同泥樣資源化產品分析

樣品檢測參數顯示，廢棄工程泥漿的礦物組成主要是二氧化硅（SiO2）、氧化鋁（Al2O3）和氧化鈣（CaO）等，與砂料等骨料相似度很高，詳見圖1b和圖2b。本實驗將工程泥漿作為代替部分砂料的原料進行研究，并且基于成本考慮，采用華新325水泥作為膠凝材料，SN添加量較少，固定比例為20%，自來水添加量為1000 mL。本實驗先以價格較為便宜的CS作為砂料，通過調整泥漿與砂料的含量，比較不同泥漿的資源化產品性能，設置實驗配比如表3所示。

免燒生態磚的宏觀物理性能，與其水化產物組成、微觀結構有著密不可分的聯系，Si、Al含量、尤其是活性SiO2、Al2O3含量高的泥漿，與SN、CaO和WA反應生成具有一定強度的水化硅酸鈣（C-S-H凝膠）、水化鋁酸鈣（C-A-H）等，在標準養護條件下，逐漸形成相應強度。

由圖3可知，JK組中資源化產品28d抗壓強度均超過10 MPa，達到MU10標準GB/T 8239-2014[12]，JK中Si和Al含量均小于DN，而資源化產品抗壓強度整體呈現高于DN的趨勢，DN組中僅在泥漿添加量較少（30%）時，抗壓強度能達到10.2 MPa，原因可能是JK中活性Si和Al含量較DN中高。本組實驗中最高值出現在40%的JK添加組中，達到14.4 MPa，出現了拐點，分析原因可能是JK與CS組成體系中，40%的JK組鈣硅比（C/S）較30%的JK組大（分別為0.14和0.12），表明泥漿與砂料組成的骨料體系中，除了受到Si和Al含量的影響外，還受到C/S的耦合影響。

3.2 不同砂料資源化產品分析

JK組整體較DN組好，HS、QS和JZS相較于

CS來說品質較好，因此進一步研究DN與HS、QS和JZS的組合中28d抗壓強度。同時，由于DN與CS組中，50%的DN添加量時，28d抗壓強度僅為7.3MPa，因此本組實驗中僅設置30%的DN添加量和40%的DN添加量。另外，仍然固定SN比例為20%，自來水添加量為1000 mL。

設置實驗配比如表4所示。

由圖4可知，DN添加量為30%的組次較添加量為40%的組次28d抗壓強度高。當DN添加量為30%，HS、QS、JZS添加量分別為50%時，抗壓強度呈現依次下降趨勢，其中HS添加量為50%時抗壓強度最高，為16.2MPa，達到MU15標準GB/T 8239-2014，表明DN與HS組成的骨料體系強度更高。當DN添加量為40%，HS、QS、JZS添加量分別為50%時，抗壓強度區別較小。

根據相關文獻可知，影響抗壓強度的因素主要是骨灰比和砂率等[11]，在JZS組中，骨灰比一致，添加30%的DN組次中含砂率較高，而抗壓強度反而較添加40%的DN組次低（分別為9.6MPa和10.8MPa），通過計算C/S，發現30%的DN組次較40%的DN組次低（分別為0.135和0.145），表明DN和JZS組成的骨料體系中，受到C/S耦合影響。另外，將DN作為廢棄泥漿與較易獲取的JZS進行組合，更加具有經濟性。

結論

對比JK組和DN組，在與CS組成的骨料體系中，JK組較DN組的資源化產品28d抗壓強度高，均超過10 MPa，達到MU10標準；DN添加量為30%的組次較添加量為40%的組次28d抗壓強度高，當添加DN為30%，添加HS、QS和JZS分別為50%時，抗壓強度呈依次下降趨勢，其中添加HS為50%時的抗壓強度為16.2MPa，達到MU15標準；影響抗壓強度的因素除了骨灰比、砂率及Si、Al含量之外，在一些組次中還受到C/S的耦合影響，進行研究時應綜合考慮；實際應用中，天然砂石價格較高，受政策管控影響較大，而DN作為廢棄泥漿替代砂料，與較易獲取的JZS組合制成資源化產品，更具經濟性和規模化推廣價值；DN每年均由各類疏浚工程產生，數量較大，自然脫水干化效率較低，需要進行機械快速脫水，而在此過程中往往需要添加脫水調理劑，可能會改變DN特性，因此下一步將針對機械脫水后的干化DN以及C/S影響機制進行深入研究。

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作者簡介

張露（1990—），男，漢族，湖北監利人，碩士研究生，工程師，主要從事固廢處理處置方面的研究。

通信作者

李彬彬（1991—），女，漢族，山東菏澤人，碩士研究生，工程師，主要從事污泥資源化利用技術研究。