疏浚淤泥的固化試驗研究

1、第23卷第9期2007年9月農(nóng)業(yè)工程學(xué)報T r ansactions of the CSA E V ol.23N o.9Sep.2007疏浚淤泥的固化試驗研究邵玉芳1,龔曉南2,鄭爾康3,劉增永4(1.浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程系,杭州310029;2.浙江大學(xué)土木工程學(xué)系,杭州310027;3.鐵道部第四勘察設(shè)計院杭州分院,杭州310017;4.浙江省紹興市公路管理處,紹興312000摘要:采用一種成分可調(diào)的水泥系土壤固化劑對太湖清淤工程的3種代表性淤泥質(zhì)土(HH -4、HH -10、L M -2進行了固化試驗,以研究太湖淤泥固化后用于路基填筑的可行性,確定固化劑各組分的質(zhì)量分數(shù),摻入固化劑的最佳

2、質(zhì)量分數(shù)以及固化土的強度變化特性。結(jié)果表明:當固化劑質(zhì)量分數(shù)為6%時,3種固化土均能滿足路堤填料的規(guī)范要求,但加固HH-10土樣時,需要提高固化劑中A 、D 、F 組分的質(zhì)量分數(shù)。由于土樣顆粒級配和化學(xué)成分的不同,HH -4固化土具有較高的早期強度,L M -2固化土具有較高的后期強度。疏浚淤泥固化并用于路基填筑,避免了淤泥的長期占地堆放,既減少了環(huán)境污染,又保護了土地資源,經(jīng)濟和社會效益顯著。關(guān)鍵詞:土壤固化劑;疏浚淤泥;路基;擊實試驗;無側(cè)限抗壓強度試驗中圖分類號:T U 472.5文獻標識碼:A 文章編號:1002-6819(20079-0191-04邵玉芳,龔曉南,鄭爾康,等.疏浚淤泥

3、的固化試驗研究J.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2007,23(9:191-194.Shao Y ufang,Gong Xia onan,Zheng Er kang,et al.Ex per imental study on stabilizatio n of dr edg ed siltsJ.T ra nsactio ns of t he CSA E ,2007,23(9:191-194.(in Chinese with English abst ract 收稿日期:2006-09-11修訂日期:2007-08-05基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(50678158作者簡介:邵玉芳(1970-,女,浙江杭

4、州人,博士,主要從事農(nóng)業(yè)水利工程的教學(xué)科研工作。杭州浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院,310029。Email:shaoyf0引言河道、港口需要定期疏浚以凈化水質(zhì)和保障水路暢通,從而產(chǎn)生大量含有各種污染物的廢土。以前疏浚淤泥的處置方法一般是倒入海洋或沖填在山谷等空地,嚴重影響海洋及堆放場地周圍的環(huán)境。因此,歐盟已制定相關(guān)法律,規(guī)定疏浚淤泥必須作為污染廢棄物加以處理,不得向海洋傾倒。美國也制定了疏浚淤泥綜合管理計劃,目的是尋找經(jīng)濟、環(huán)保的處理方法,避免疏浚淤泥的二次污染。解決疏浚淤泥污染最有效的方法是資源化利用。目前國內(nèi)大規(guī)模的公路、房屋等建設(shè)工程需要耗費大量土料,土地資源日益匱乏。若將疏浚淤

5、泥進行處理,代替土料,不但解決了淤泥的占地堆放、環(huán)境污染,還能保護土地資源1-5。土壤固化技術(shù)已成為處理污泥或淤泥的最可靠、經(jīng)濟的方法之一。土壤固化劑由多種無機和有機材料配制而成,其成分可以根據(jù)固化對象進行調(diào)整。固化劑的加固原理是生成膠凝物質(zhì),黏結(jié)土顆粒;降低土孔隙中的動電電位,促使黏土顆粒凝聚;提高固化土系統(tǒng)的比表面積,促進水化反應(yīng)等6-7。Andro malos 等(1995從化學(xué)試劑種類及摻入比、施工設(shè)備以及養(yǎng)護等方面提出了模擬現(xiàn)場條件的疏浚淤泥固化方法8。Ago stini 等(2007、Lafhaj 等(2007提出了污泥處理的Novo sol 法,即采用Ca 5(PO 43OH (

6、羥磷灰石固定鉛、鉻、銅等有害物質(zhì),采用熱處理法去除有機質(zhì),所得到的材料可用于制磚等9,10。Kumar 等(2001用粉煤灰、石灰固化煤礦污泥,所得固化土的標準擊實密度、CBR 、無側(cè)限抗壓強度等均滿足公路填料的要求11。Chitambira 等(2007通過高溫養(yǎng)護研究水泥土的長期強度,根據(jù)無側(cè)限抗壓強度與溫度之間的關(guān)系推導(dǎo)出活化能,活化能越高,水泥土強度隨溫度升高的速度越快,因此,活化能與水泥土的長期強度呈正相關(guān),污染物質(zhì)降低了水泥土的活化能,將污泥碳酸化后,水泥土的活化能顯著提高12。Bro uw ers 等采用水泥和石灰固化疏浚淤泥,發(fā)現(xiàn)水泥與石灰在固定污染物質(zhì)時具有互補性,疏浚淤泥經(jīng)

7、水泥和石灰處理后可作為建筑填料。以上研究對疏浚淤泥中污染物質(zhì)的去除強調(diào)較多,但對固化淤泥的工程性質(zhì)研究還不夠充分。而且不同水系的淤泥其性質(zhì)差別很大。本文著重研究太湖疏浚淤泥固化后的工程性質(zhì),并分析了固化土用作路基填料的可行性13。1材料與方法1.1試驗材料1.1.1土樣取有代表性的3種太湖疏浚淤泥(HH-4、HH-10、LM -2各50kg,密封后運至實驗室,測定重度( 、含水率(天然含水率w 、塑限w p 、液限w L 等基本性質(zhì)指191標,見表1。土樣的化學(xué)組成及pH值見表2。土樣在105 110恒溫下烘干,粉碎,過5m m篩后,密封待用。表1土樣的基本性質(zhì)指標T able1Basic p

8、r opert ies of soil samples 土樣類別 /kN m-3w/%w p/%w L/% HH-4黏質(zhì)粉土17.551.720.330.5 HH-10黏土17.967.818.737.4 LM-2粉質(zhì)黏土18.661.723.832.0表2土樣的主要成分及pH值T able2M ain com po nents and pH va lue of so il sam ples土樣w(S iO2w(Al2O3w(Fe2O3w(CaOw(M gOpHHH-454.711.4 3.20.9 1.0 4.9HH-1057.911.2 3.70.6 1.3 4.1 LM-250.314.

9、6 6.7 1.7 1.1 土壤固化劑采用QS-1水泥系固化劑進行加固,其有效成分主要有:1膠結(jié)土壤顆粒,形成早期強度;2與黏土礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng),形成后期強度,從而最終提高固化土的強度;3具有表面活性作用和緩凝作用,使得成分B更易進入土壤顆粒內(nèi)部,使離子交換反應(yīng)迅速、徹底進行,同時調(diào)整固化劑的延遲時間;4可以防止水對固化土的浸蝕,使固化土強度穩(wěn)定,不泥化;5具有早強作用;6其生成物能填充固化土的內(nèi)部孔隙,使固化土體積膨脹。上述成分可以根據(jù)需要調(diào)整。分析土樣的成分和物理性質(zhì),調(diào)制了5種固化劑配方進行初步篩選試驗,選出1#配方用于HH-4和LM-2土樣的固化,2#配方用于HH-10

10、土樣的固化。2#配方與1#配方相比,主要是提高了成分A、D和F的質(zhì)量分數(shù)。1.2試驗儀器和用具1.2.1標準擊實儀配備2.5kg擊錘、導(dǎo)桿、套筒、小型擊實筒、底板、墊塊等。1.2.2萬能試驗機微機控制電子式萬能試驗機,最大壓力50kN,精度0.01kN。1.2.3其他恒溫干燥箱;電子天平:感量0.01 g;臺秤:稱量15kg,感量5g;圓孔篩:孔徑40、25mm或20、5mm各1個;抗壓強度試模:直徑和高度均為5cm的圓筒形試模;另需攪拌鍋、碾土器、量筒、脫模器、修土刀、凡士林、平直尺、鋼絲鋸等。2擊實試驗水泥土的最佳含水率接近于素土,此處采用水泥系固化劑,可認為固化土的最佳含水率也近擬于素土

11、,因此測定了3種素土的最佳含水率(w0和最大干密度( dm。細粒土的w0約比w p小3%10%,由于土樣的w大大高于w p,因此采用干土法輕型擊實試驗,共取6個點,以2%遞增,分別是w p-8%、w p-6%、w p -4%、w p-2%、w p、w p+2%,按規(guī)范方法測定土樣在上述含水率時的干密度,繪制含水率干密度(w d曲線15,如圖1所示。w0和 dm結(jié)果見表3。表3擊實試驗結(jié)果T able3Results o f co mpact ion tests土樣w0/% dm/kg m-3HH-417.71851.4HH-1015.61791.2LM-219.61883.5圖1土樣的含水率干

12、密度曲線Fig.1w d cur ves o f so il samples3無側(cè)限抗壓強度試驗根據(jù)標準擊實試驗所得到的最佳含水率和最大干密度,初步估算每組試樣所需要的濕土質(zhì)量,再按濕土質(zhì)量分數(shù)的2%、4%、6%、8%、10%,分別稱取固化劑,人工攪拌均勻后分3層壓入試模內(nèi),每一層擊實后,加入下一層土之前,需拉毛表面。試樣制作完畢靜置24h 后脫模,放入標準養(yǎng)護室(室溫20,相對濕度100%內(nèi)養(yǎng)護,試驗前1d取出浸水14。拭去表面水分,用修土刀將試樣上下表面修平,放入萬能試驗機內(nèi)進行抗壓強度試驗,加荷速率為1mm/min。192農(nóng)業(yè)工程學(xué)報2007年圖2、3分別為采用1#和2#固化劑配方時,H

13、H -4、LM -2、HH-10固化土的無側(cè)限抗壓強度(q u 隨固化劑質(zhì)量分數(shù)(w s 及齡期的變化。由圖2、3可見,隨著固化劑質(zhì)量分數(shù)的提高和齡期的增長,q u 增幅逐漸加快,尤其是LM -2固化土。圖1中,3d 的HH -4和LM -2固化土的強度曲線都較平緩,7d 以后q u 曲線逐漸變陡,強度增幅變大,比較兩種固化土,HH -4的早期強度較大,LM -2的后期強度較大。圖3與圖2中q u 的變化規(guī)律基 本相似。圖21#固化劑配方的HH-4、L M -2固化土q u 曲線F ig .2q u curv es of HH -4,L M -2stabilized -so il by 1#

14、stabilizer圖32#固化劑配方的HH-10固化土q u 曲線Fig.3q u cur ves o f HH-10sta bilized-soilby 2#stabilizer4結(jié)論與討論1QS-1水泥系土壤固化劑能有效固化太湖疏浚淤泥。根據(jù)土樣性質(zhì),采用2種不同的固化劑配方,當固化劑質(zhì)量分數(shù)6%時,3種固化土均可用作路堤填料16。固化劑質(zhì)量分數(shù)為6%時,路堤造價約為39元/m 3,與傳統(tǒng)材料(塘渣>40元/m 3相當,但鑒于環(huán)保等原因,固化淤泥用作路堤填料,具有無可比擬的經(jīng)濟和社會效益。2采用1#固化劑配方加固疏浚淤泥時,HH -4固化土的早期強度較大,LM -2固化土的后期強度

15、較大。原因是HH -4土樣中黏粒含量較高,離子交換反應(yīng)較迅速,而LM -2中Fe 與Ca 含量較大,火山灰反應(yīng)對強度增長的貢獻較大,火山灰反應(yīng)需要較長時間。調(diào)整1#固化劑中A 、D 、F 的質(zhì)量分數(shù),得到的2#固化劑,使HH -10固化土的強度得到很大提高,也是由于淤泥化學(xué)組成的影響。以上分析有待進一步試驗驗證。3由于3種疏浚淤泥的含水率都很高,在施工時宜采用路拌法,使淤泥含水率達到最佳含水率時再進行施工,以獲得更好的固化效果。參考文獻1Shan H,M eeg oda J.Co nstr uctio n use o f abando ned so ilsJ.Jo urnal of Hazar

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24、naAbstract:T hr ee ty pical kinds of dr edged silts fro m Taihu Lake,namely HH-4,HH-10,LM-2,w ere stabilized by a ser ies of cem entato ry soil stabilizer w ith adjustable ingredients.Ex perim ents w ere conducted to confirm the feasibility of using the stabilized-soil as ro adbase filling,and determ ine the content of m