淤泥固化处理研究进展 （陈萌，杨国录等）(P-147) 陈 萌1，杨国录 2 ，徐 峰 1 ，魏红艳 3 (1.湖北省水利水电规划勘测设计院，武汉 430064;2.武汉大学 水资源与水电工程

陈 萌1，杨国录 2 ，徐 峰 1 ，魏红艳 3
(1.湖北省水利水电规划勘测设计院，武汉 430064;2.武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，武
汉 430072;3.长江科学院水力学研究所，武汉 430010)

作者简介

通讯作者： 

陈萌(1989-),女，河南信阳人，工程师，博士，主要从事防洪排涝、河道整治和泥水环境等方
面的工作。

国家水体污染控制与治理科技重大专项(2014ZX07104-005)

张春雷等[13]通过室内试验研究了初始含水率对水泥固化白马湖淤泥效果的影响，结果表明淤泥固结体的无侧限抗压强度随淤泥含水率的增加呈乘幂关系下降， 且淤泥含水率越高，破坏应变越大，黏聚力越低。王亮等[14]研究了含水率对重塑淤泥不排水强度的影响，得出不排水抗剪强度随含水率与液限比值的增大而减小，在双对数坐标中，两者近似呈线性关系；当含水率与液限的比值相同时， 不同种类的重塑淤泥不排水强度较为接近。 黄英豪等[15]研究了初始含水率对水泥固化南水北调东线工程淮安白马湖淤泥压缩特性的影响， 结果表明淤泥固结体的屈服应力随初始含水率的增加而降低。丁建文等 [16]以水泥和专用固化材料SEU.P(主要成分是磷石膏)为固化剂研究了初始含水率对江苏白马湖淤泥压缩特性的影响，得到与黄英豪学者相似的结论。关于含水率对淤泥固结体强度的影响，各学者的研究成果较为一致，即较高的含水率不利于淤泥固结体强度的发展。

淤泥中黏粒含量较多，一般来说，粘粒颗粒较细，比表面积较大，因此颗粒表面的物理化学作用更明显，对淤泥的压缩性、强度等方面也会有一定的影响。王春义等[17]研究发现土体中黏粒过多或过少均不利于水泥加固土强度的提升， 即存在一个最佳黏粒含量使土体抗压强度达到最大， 且最佳黏粒含量随龄期的延长呈下降趋势。 冯志超等[18]研究了黏粒含量对水泥固化淤泥无侧限抗压强度、凝聚力以及内摩擦角等力学参数的影响，结果表明随着黏粒含量的增加，淤泥固结体的无侧限抗压强度呈现先增大后减小的趋势，即存在一个最优黏粒含量使淤泥的抗压强度最大，且最优黏粒含量随水泥掺量的增加而增大， 龄期对最优黏粒含量基本没有影响； 同样存在一个最优黏粒含量使淤泥固结体的凝聚力最大； 内摩擦角则随黏粒含量的增加而减小。

以上两位学者关于存在最优粘粒含量使淤泥抗压强度达到最大的观点是一致的， 而最佳黏粒含量是否随龄期变化则有不同的意见。结合两位学者的研究成果可知，具有良好级配的淤泥更有利于固化剂发挥效果。

淤泥的固相主要包括矿物、有机物、营养盐和重金属等物质，其中矿物是构成淤泥骨架的物质，其按成因不同可分为原生矿物和次生矿物。常见的原生矿物有石英、长石等；常见的次生矿物主要是铝硅酸盐类矿物，包括高岭石、伊利石和蒙脱石等[19]。研究表明固化剂对不同矿物组成的软土加固效果不同。Croft 等[20]研究了矿物成分对水泥固化土体效果的影响，结果表明石灰对以蒙脱石为主要矿物成分的土体加固效果较好， 而水泥则对以高岭石和伊利石为主要矿物的土体加固效果明显。宁建国等[21]将高岭石和钠蒙脱石按一定比例配制成矿物成分不同的土样，考察水泥掺量对土样抗压强度的影响，结果显示钠蒙脱石含量较高的土样生成的水化产物量较少，强度较低。 He 等[22]研究了不同矿物经水泥固化后的效果，具体表现为钙蒙脱石经水泥固化后抗压强度最高，其次是伊利石，接着是高岭石、钠蒙脱石，强度最低的是海泡石。因此，淤泥固化时，可先分析其矿物组成，然后根据矿物成分有针对性的选择适宜的固化剂。

以上研究主要集中在水泥、石灰、石膏和粉煤灰等掺量较多的主固化剂上，还有一些学者研究了在主固化剂的基础上，掺量较小的添加剂对固化效果的影响。

程福周等[41]研究了以水泥为主固化剂， 添加剂硅酸钠对淤泥固结体强度的影响， 结果表明，不同水泥掺量下，淤泥固结体的 28 d 强度均有明显增加，最高可达无硅酸钠时的 3.6 倍，可见硅酸钠对淤泥固结体 28 d 强度有明显的促进作用；同时，他还指出水泥掺量一定时，存在最佳硅酸钠掺量，例如水泥掺量为 12%时，硅酸钠的最佳掺量为水泥的 6%。叶观宝等[42]研究了 SN-Ⅱ型高效减水剂、氢氧化铝和氯化钙三种添加剂对水泥固化淤泥质粘土抗压强度的影响，结果表明在水泥作用下，氢氧化铝和氯化钙对各个龄期阶段固化淤泥的强度均有所改善，而 SN-Ⅱ型高效减水剂只对 28 d 强度有促进作用， 7 d 和 90 d 强度反而下降。金裕民等[43]研究了以水泥为主固化剂， 三乙醇胺、 硫酸钠和氯化钠等添加剂对温州龙湾区某滩涂淤泥固化效果的影响， 结果显示各添加剂的掺量均存在临界值(临界值分别为 0.05%、 1.5%、0.9%)，在临界值内，固化淤泥的强度随外掺剂的增加而增加，超过该值后，随外掺剂的增加而减小或变化不大。杨爱武等[44]研究了添加剂氢氧化钠和碳酸钠对水泥固化天津滨海新区海积软土的效果，他指出碱性外加剂有助于提高水泥固化软土的强度，且添加剂含量在0.5%~0.8%左右时效果最佳。陈萌等[45]以水泥和粉煤灰为主固化剂，研究了氢氧化钠对东湖子湖官桥湖淤泥的固化效果， 结果表明淤泥固结体的无侧限抗压强度随氢氧化钠掺量的增加呈现先增大后减小的趋势，且氢氧化钠掺量为 0.4%时，对强度的促进作用最显著。蒲凡[46]研究了在主固化剂水泥、生石灰、生石膏、硅酸钠的基础上，高效减水剂 WL-A-IX、强氧化剂高锰酸钾和强碱氢氧化钠对浙江省椒江海涂淤泥强度的影响，结果表明减水剂 WL-A-IX降低了淤泥固结体的强度；高锰酸钾掺量为 0.5%时的强度与不加高锰酸钾的强度接近，掺量为 1.0%时能促进强度的增长；氢氧化钠能够促进淤泥固结体强度的发展，且掺量为 1.0%时对强度的促进作用比掺量 0.5%时更显著。为了进一步探究氢氧化钠的效果，蒲凡[46]还研究了氢氧化钠对水泥固化淤泥效果的影响，结果显示氢氧化钠掺量低于 0.8%时，淤泥固结体各个龄期的强度与不掺氢氧化钠时接近；氢氧化钠掺量高于 1.6%时，对淤泥固结体强度的促进作用更显著；氢氧化钠掺量为 3.2%时，仍能促进强度的发展。

上述研究中，杨爱武学者认为存在氢氧化钠的最佳掺量 0.5%~0.8%，使固结体的强度最大； 陈萌也认为存在一个氢氧化钠的最佳掺量对强度的促进作用最显著， 最佳掺量为 0.4%；而蒲凡学者的结果则显示淤泥固结体的强度随氢氧化钠掺量的增加而增大，氢氧化钠掺量3.2%时仍能促进强度的发展。 杨爱武、 陈萌与蒲凡学者关于氢氧化钠对固化淤泥强度影响的观点不同，笔者认为有两方面原因，一方面可能与淤泥本身的性质不同有关；另一方面，可能受主固化剂种类和掺量的影响。

除上述添加剂外，一些学者引入高分子材料、纳米材料等新型材料来探究对淤泥固结体力学特性的影响。曹玉鹏等[47]在传统水泥、生石灰固化的基础上，引入高分子添加剂来改善淤泥的固化效果，结果表明，水泥掺量 7%、生石灰掺量 11%时，新型固化材料仅添加 1‰，处理初始含水率 2 倍液限的高液限淤泥，早期强度可达到大于 0.5 MPa， 28 d 强度可达到大于 1 MPa。肖继强等[48]以水泥作为主固化剂，研究了纳米 SiO2 和纳米 Al2O3 对湖州地区河湖疏浚淤泥固化效果的影响，结果表明纳米 SiO2 能够促进淤泥固结体 7d 和 14d 龄期无侧限抗压强度的发展；纳米 Al2O3 对 7d 龄期抗压强度起促进作用，对 14d 龄期抗压强度的影响与 Al2O3掺量有关，14d 龄期抗压强度随着纳米 Al2O3掺量的增加呈现先增加后减小的趋势。高术森[49]探讨了以水泥为主固化剂， 聚丙烯纤维掺量和长度对淤泥固结体性质的影响， 结果表明随着聚丙烯纤维含量由 0%增加至 0.3%，淤泥的无侧限抗压强度显著增大，而抗剪强度指标的黏聚力逐渐增大，内摩擦角逐渐减小；随着聚丙烯纤维长度从 0mm 增加到 12mm，淤泥固结体的无侧限抗压强度逐渐增大。付广义[4]研究了以水泥为主固化剂，三种高分子聚合物聚丙烯酸酯(AR)、乙烯醋酸乙烯聚合物(EVA)和聚乙烯醇(PVA)在佛山市汾江河淤泥固化中的效果，研究表明，三种聚合物对固化淤泥的强度均有明显的促进作用，且固化后的淤泥表现出良好的持久性和耐酸性；三种聚合物中， PVA 处理后的淤泥表现出更好的强度特性，而 EVA 处理后的试样表现出更好的持久性和耐酸性。

丁建文[59]通过扫描电镜试验从微观结构层面研究了淤泥固化的机理，他指出淤泥经水泥和专用固化材料固化后，生成大量纤维状、针棒状胶结物质，这些胶结物质改变了淤泥颗粒的连接方式，使颗粒间连接更紧密，同时这些胶结物质不断延伸填充到孔隙中，使孔隙减小，密实度增加，即淤泥固结体强度增加的主要原因是固化材料水化产物的化学胶结作用和填充密实作用。高术森[49]通过扫描电镜法研究了聚丙烯纤维促进固化淤泥强度发展的机理，他指出聚丙烯纤维在淤泥固结体中的三维乱向分布作用形成了网状结构， 这种网状结构能够有效的阻止裂缝的发展，因此能在一定程度上提高淤泥的无侧限抗压强度和凝聚力。张丽娟等[60]通过对水泥、减水剂、水玻璃、石膏和石灰几种固化剂进行组合，得到促进强度发展的最优配比和次优配比，并在此基础上分析固化淤泥微观结构的变化进而阐明固化机理，结果表明，与原状淤泥相比，最优配比和次优配比下淤泥固结体的颗粒个数和颗粒分布分维有所增大，孔隙率、孔隙个数和孔隙分布分维有所降低，其中最优配比下淤泥固结体的孔隙率减小 59.8%。陈萌等[61]通过扫描电镜法研究了淤泥经水泥和粉煤灰固化后，无侧限抗压强度和分形维数的关系，结果表明原状淤泥及其固结体均具有多重分形特性，且淤泥固结体的强度特性与多重分形特性关系密切，无侧限抗压强度随容量维、信息维和关联维的增大而增大。

X 射线衍射法(XRD)可以用来研究晶体物质的生成、消失和晶体结构的变化。 Rekik 等[62]研究了水泥对法国兀斯特罕海港淤泥的加固效果， 并采用 X 射线衍射法分析了相关机理，他指出水泥固化后生成了新物质水化硅酸钙，从而提高了强度。李志威等[63]通过 XRD 试验研究了 HAS 高强耐水固化剂固化淤泥的机理，结果表明淤泥固化后生成的水化碳铝酸钙(3CaO·Al₂O₃·CaCO₃·12H₂O)能够促进强度的发展。甘雅雄等[64]通过 XRD 试验研究了硫铝酸盐水泥相对于硅酸盐水泥在固化淤泥时具有早强性能的机理，结果表明在养护初期，普通硅酸盐水泥固化土中只有 CSH 凝胶出现，而硫铝酸盐水泥固化土中不仅有 CSH 生成，还有钙矾石(Aft)生成，即结晶态钙矾石的生成是硫铝酸盐水泥在固化淤泥时具有早强性能的原因。王朝辉等[65]借助 TEM 试验、 XRD 试验和 FTIR 试验分析了蛭石粉固化淤泥的机理，结果表明蛭石粉能均匀分散在淤泥颗粒周围，且能有效吸收淤泥中的水分，在蛭石固化淤泥的过程中，没有发生化学反应产生新物质，而只是物理吸水过程。童琦[66]借助扫描电镜(SEM)和 X衍射射线(XRD)试验，通过分析疏浚淤泥固化前后孔隙和产物的变化阐明固化的机理，他指出淤泥固化后晶相的种类和数量增多(固化前晶相主要有石英和斜方钙沸石，固化后晶相主要有石英、钠长石、正长石、钠沸石和水钙沸石)，且固化后淤泥孔隙减少，结构更紧密，即物相中的晶相是促使结构密实、改善淤泥力学性能的主要原因。Chew 等[67]通过 SEM、XRD、MIP 等方法研究了水泥固化新加坡海洋淤泥的机理，他指出固结体强度的发展主要来源于四个方面，即水化反应生成的氢氧化钙促使淤泥中的伊利石黏土颗粒发生聚集，高岭石与钙离子发生火山灰反应，水化产物在粘土絮团表面沉积并填充孔隙，以及粘土絮团对水分的封闭作用。

丁建文等[68]采用压汞法研究了水泥和以磷石膏为主要成分的专用固化材料固化江苏白马湖淤泥的机理，结果表明淤泥孔隙的体积和 D50 孔径(进汞量为总进汞量 50%时对应的入口孔径)随固化材料的增加、龄期的延长明显减小。张亚灿等[69]研究了水泥掺量和初始含水率对固化淤泥渗透系数的影响，并通过压汞法研究微观孔隙结构，进而阐明淤泥固化的机理，结果表明，随着水泥掺量的增加、初始含水率的降低，淤泥固结体的渗透系数逐渐降低，最可几孔径(孔径分布曲线峰值对应的孔径)逐渐减小，两者具有良好的相关性。

电阻率法已广泛应用于水泥水化过程的研究中， 通过电阻率的变化可以分析水泥基材料的离子迁移和微观化学反应等信息[72]。 目前， 电阻率法用于淤泥固化机理方面的研究较少。程福周等[73]借助无接触电阻率法研究了淤泥固结后的微观反应，他将淤泥固结体内部的化学反应过程划分为 I 溶解期，Ⅱ诱导期和Ⅲ硬化期，其中第 1 阶段主要是水泥颗粒向固化淤泥系统中溶入离子，电阻率下降；第Ⅱ阶段主要是淤泥开始发挥对离子的吸附作用，是淤泥吸附和水泥溶解的动态期，为第Ⅲ阶段准备条件；第Ⅲ阶段是电阻率上升的硬化期，水泥的水化作用消耗了液相中的离子，同时水化产物填充了土颗粒的间隙，这两方面原因使得电阻率上升。国内外学者用电阻率法研究淤泥固化机理的较少，这方面的研究有待进一步加强。

(1)目前淤泥固化大多是在淤泥含水率较高、 呈流动状态下进行的， 这就意味着要加入较多的固化材料，因此不仅固化效果不佳，而且经济适用性差。

(2)由于河流湖泊水体污染严重， 疏浚淤泥大多含有一定量的污染物， 因此淤泥固化土在道路工程、堤防工程等方面应用时，淤泥固结体中的污染物可能会在雨水的作用下释放出来，对地表水和地下水造成二次污染。

(3)关于淤泥固化机理方面的研究主要侧重于定性分析，对于淤泥固化机理的定量研究有待进一步深入。

(4)目前对淤泥固化的研究主要以室内试验为主，对于室外试验以及大规模的应用方面研究较少。同时，相对于淤泥固结体的强度指标来说，在耐久性方面比如抗冻性、耐冲刷性等方面的研究较少。

针对以上存在的问题，今后应加强以下几方面的研究：

(1)进行淤泥脱水——固化——稳定化一体化研究。 先对疏浚淤泥进行脱水， 将含水率降低到一定程度后，再进行固化，从而减少固化剂的掺入量，同时提高淤泥固化的效果。在进行淤泥固化时，要考虑对淤泥稳定化的影响，即在满足强度等力学指标和耐久性的同时，还应研究淤泥固化对污染物的稳定和固定作用。在实际中，应优先选用同时有利于淤泥固化和稳定化的固化材料。

(2)采用多手段联合的方法，对淤泥固化的机理进行定量研究和分析。

(3)淤泥固结体的耐久性方面以及在实际工程中的大规模应用有待进一步深入研究。