水泥-生石灰双掺处理淤泥含水率变化规律

朱红伟，江帅，张晴波，常防震，王健，刘功勋

（中交疏浚技术装备国家工程研究中心有限公司，航道疏浚技术交通行业重点实验室，上海 201208）

0 引言

采用化学固化剂如水泥和生石灰对高水率淤泥进行处理的技术较为成熟[1-3]。固化处理使得淤泥、水、固化材料之间发生一系列的水解和水化反应，在颗粒表面产生胶凝物质，使颗粒具备一定的水稳定性和强度稳定性。不仅可以增大颗粒的粒径，还可以通过固化材料的水化作用有效地降低淤泥的含水率[4-7]。因此本试验拟结合化学固化的方法对高含水率疏浚淤泥进行处理，降低其含水率。固化试验主要是配合比试验，拟采用水泥和生石灰作为固化材料，主要研究固化剂处理土的含水率变化规律，为疏浚淤泥的工程应用提供技术支持。

1 试验淤泥和试验方案

1.1 试验用淤泥土

试验淤泥取样于浙江温州项目堆场。颗分试验采用Mastersizer Micro激光衍射粒度仪进行测定，粒径曲线如图1所示。液塑限采用100 g锥，锥角为30°的液、塑限联合测定所得，有机质含量采用重铬酸钾氧化法测定。表1给出了试验用淤泥的物理指标。

1.2 试验方案

图1 泥沙级配曲线Fig.1 Sedimentgrading curve

表1 试验用淤泥物理指标Table1 Physicalparametersof dredged sediment

本研究中采用的掺灰比定义为固化剂质量与总质量之比，根据不同初始含水率、不同的掺灰比来确定原泥和固化剂质量。采用人工和机械相结合的拌和方式，搅拌时间约10 min，搅拌均匀后的处理土样采用塑料袋包装，敞口存放在恒温恒湿养护室中养护至规定的龄期，养护温度为（20±1）℃。掺灰比低于15%时，随着掺灰比的增加而呈线性增大，实际工程中固化剂掺灰比不大于13%，因此本研究中掺灰比控制在13%以下[6]。

为比较固化效果，同时进行了单掺水泥、单掺生石灰试验和双掺水泥-生石灰试验。单掺试验中，通过加水调制获得不同含水率的淤泥质土，采用不同的掺灰比对淤泥进行处理，得到淤泥处理土含水率随掺灰比的变化规律。双掺试验中，主要采用了保持掺灰比为10%不变的方法，采用不同的混合掺灰比对淤泥进行处理，得到淤泥处理土含水率随掺灰比的变化规律。试验工况如表2所示，每组工况取3个平行样。

2 试验结果分析

2.1 单一固化剂淤泥处理土含水率的变化规律

图2为采用单一固化剂在掺灰比为1%、4%、7%、10%和13%时，对初始含水率分别为60%、70%和80%的淤泥质土进行处理时含水率的变化。从图2来看，淤泥的含水率随着掺灰比的增加而呈现逐渐降低的趋势。在同一含水率和掺灰比条件下，水泥对淤泥含水率的降低效果要好于生石灰。还可以看出，随着含水率的提高，固化剂对含水率的降低效果略有不同。图2（a）中，当水泥的掺灰比小于4%时，水泥处理效果不如生石灰，而当掺灰比增加到7%时，水泥的处理效果反超了生石灰，并且随着掺灰比的增加，其处理效果一直优于生石灰。从图2（b）中的结果中可以看出，水泥的处理效果是明显好于生石灰的。而在图2（c）中显示，当初始含水率达到80%时，水泥和生石灰处理淤泥的效果大致一样。从图2中生石灰和水泥处理效果来看，说明生石灰的处理效果随着初始含水率的增加而提高。

表2 固化淤泥实验工况Table2 Condition of curing sludge test

2.2 单一固化剂淤泥处理土含水率降低率的变化规律

图2 单一固化剂淤泥处理土含水率的变化规律Fig.2 Change rule of thewater contentof treated soils by single curing agent

图3为采用单一固化剂在掺灰比为1%、4%、7%、10%和13%时，对实始含水率分别为60%、70%和80%的淤泥质土进行处理时含水率降低率的变化。定义含水率降低率为：

式中：DW为含水率降低率；W0为原泥含水率；WT为处理土含水率。

同样地，可以从图3总体来看，淤泥处理土的含水率降低率随着掺灰比的增加也逐渐增加。淤泥的初始含水率对固化剂的处理效果的影响非常大。初始含水率为60%和70%时，水泥的处理效果好于生石灰，而当含水率为80%时，生石灰的处理效果均好于水泥。图3（a）和图3（b） 的结果显示，当掺灰比大于7%时，水泥处理土的含水率降低率大致在25%以上。还可以看出，当掺灰比为7%时，水泥处理土的含水率降低率基本保持不变，说明掺灰比7%是一个比较合适的值。另外，从图3中可以看出，随着淤泥初始含水率的增加，处理土的含水率降低率也随之增加。总体上含水率降低率随着掺灰比的增加线性增加，而图3（c）显示水泥直到含水率达到80%时，其处理土含水率降低率才随着掺灰比的增加而成比例增加。

图3 单一固化剂淤泥处理土含水率降低率的变化规律Fig.3 Change rule of thewater content decrease ratio of treated soilsby single curing agent

2.3 单一添加剂情况下龄期对水泥处理土含水率变化规律

2.3.1 掺灰比为2%和8%情况下龄期对水泥处理土含水率变化规律

图4和图5分别为采用掺灰比为2%和8%的水泥对初始含水率60%的疏浚淤泥进行处理的含水率随龄期的变化。由图4中的结果显示，水泥处理土的含水率均随着龄期的增加而减小，含水率降低率均随着龄期的增加而增大。前3 d的含水率降低较大，3 d龄期后含水率降低率的增速变缓。

由图5中的结果可见，掺灰比为2%时，1 d、3 d和7 d龄期含水率降低率分别为1.2%、3.5%和7.2%，比掺灰比为8%时的含水率降低率低10%左右。随着龄期的增加，虽然含水率降低速率变缓，但仍然处于较高的水平。尽管如此，从3 d龄期以后，处理土的含水率降低速率基本保持一定的增速，出于试验需要的时间成本分析，可以通过3 d龄期的处理效果推断处理土含水率变化规律。

图4 初始含水率为60%淤泥处理土的含水率随龄期的变化Fig.4 Relationship between water contentand curing time for treated soilsw ith initialwater content of60%

图5 初始含水率为60%淤泥处理土的含水率降低率随龄期的变化Fig.5 Relationship between decreasing ratio ofwater contentand curing time for treated soilsw ith initialwater contentof 60%

2.3.2 不同掺灰比情况下龄期对水泥处理土含水率变化规律

在2.3.1节结果基础上可以得知，扩大了掺灰比的范围，如图6和图7所示。采用掺灰比1%、4%、7%、10%和13%的水泥对初始含水率60%的疏浚淤泥进行处理来研究含水率随龄期和掺灰比的变化。

从图6和图7的结果可以看出，掺灰比在3%以下时，养护时间对含水率的降低率没有明显的影响，而在掺灰比为7%时，处理土养护3 d明显比养护1 d的处理效果要好得多，此时养护1 d和3 d的含水率降低率分别为11%和27%，大致3倍左右。掺灰比在3%以上时，随着掺灰比的增加，处理土的含水率降低率缓慢增加，远没有7%时含水率的降低率的变化大。因此可以推断，一般水泥处理土，含水率一定时，掺灰比为7%和养护3 d时可以达到时间和经济兼顾的处理效果。

2.4 混合固化剂淤泥处理土含水率变化规律

图8和图9中显示了初始含水率为80%的淤泥质土，保持掺灰比10%时，采用多组不同混合掺灰比的处理土含水率变化规律。

图6 初始含水率为60%淤泥处理土1 d和3 d龄期的含水率随掺灰比的变化Fig.6 Relationship between water contentand lime ratio for treated soilsw ith initialwater contentof 60%in curing time of1 d and 3 d

图7 初始含水率为60%淤泥处理土1 d和3 d龄期的含水率降低率随掺灰比的变化Fig.7 Relationship between decreasing ratio ofwater contentand lime ratio for treated soilsw ith initial water contentof60%in curing timeof1 d and 3 d

图8 双掺固化剂时淤泥处理土的含水率随生石灰掺灰比的变化Fig.8 Relationship between thewater contentof treated soilsand the lime ratio ofquick limeby double curing agent

图9 双掺固化剂时淤泥处理土的含水率降低率随生石灰掺灰比的变化Fig.9 Relationship between thewater contentdecrease ratio of treated soilsand the lime ratio of quick limeby double curing agent

由图8和图9中的结果可知，水泥和生石灰掺灰比保持为10%时，随着生石灰掺灰比的变化，淤泥处理土的含水率呈现波形的变化规律。从图8中可以看出，在生石灰的掺灰比由1%增加到9%的过程中，处理土的含水率降低率先增加后减小至最低，此时生石灰掺灰比为5%，当生石灰掺灰比继续增加时，含水率又逐渐增加达到最大值。图8和图9中的结果显示，随着生石灰掺灰比的增加，含水率降低率与含水率变化基本相反，而在生石灰掺灰比最大亦即水泥掺灰比降至1%时，含水率降至最低，而含水率降低率也增至最大。图8和图9还显示出3个最大值出现在水泥和生石灰掺灰比为9∶1，5∶5和1∶9的时候，这说明掺灰比或为最大，或为折中取值。但是在掺灰比最大时，处理土的含水率变化为突变，不利于形成规律性结果，因此水泥和生石灰掺灰比比值为1时，此时处理土处理的效果最好。

3 结语

淤泥的含水率随着固化剂掺灰比的增加而呈现逐渐降低的趋势。在同一含水率和掺灰比条件下，水泥对淤泥含水率的降低效果要好于生石灰。生石灰的处理效果随着初始含水率的增加越来越好，其处理效果逐渐接近于水泥。

水泥处理土的含水率均随着龄期的增加而减小，含水率降低率均随着龄期的增加而增大。当掺灰比在3%以下时，龄期对含水率的变化影响不大。当掺灰比在3%以上时，龄期对含水率降低率的影响加大。3 d龄期时，随着掺灰比的增加，处理土的含水率降低率缓慢增加，掺灰比为7%时含水率降低率最大。

混合掺灰时，随着生石灰掺灰比的变化，淤泥处理土的含水率呈现波形的变化规律。水泥和生石灰掺灰比比值为1时达到最佳处理效果。

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