固化疏浚土（精选4篇）
固化疏浚土 篇1
在开发建设江、河、湖、海等空间以及围海造田、航道疏浚清淤、开拓新航道的过程中,通常会产生大量的疏浚土,这些疏浚土大多含水率高,有时达80% ~ 150% ,压缩性高、承载能力低,工程力学性质差,不能满足工程需要而被废弃。在使用固化剂将疏浚土固化后,含水率明显下降,力学性能显著提高。由于土体的宏观工程性质在很大程度上受到微观结构的系统状态或整体行为的控制[1],疏浚土固化前后力学性能的显著变化,最终是由其颗粒和孔隙个数、直径、面积、级配等微观结构的变化引起的。疏浚土的微观结构参数具有不规则性、复杂性和无序性等特点,其结构单元体与孔隙均具有自相似性[2]。本文利用分形理论[3,4]对疏浚土固化过程中的微观结构和分维值的变化与龄期和压缩模量Es的关系进行定量研究,深入探讨了疏浚土固化过程中微观结构的变化与土体力学性质之间的联系,对指导工程应用具有重要意义。
1 试验材料、仪器
1. 1 试验材料
1. 1. 1 固化剂
本实验使用日本中央化学研究所于20 世纪90年代研制的WK-G1 固化剂。其固化原理: 腐殖质土壤颗粒具有强烈的水膜吸附能力,在土壤颗粒表面产生的腐殖质酸( R—COOH) 使水泥稳定性增强[5]。固化剂WK-G1 的水溶液作用于分解土壤颗粒表面的水膜并将腐殖酸包裹,如果没有此类腐殖酸在里面,被控制在负电压的土壤颗粒将被直接粘附在液态水泥里的钙离子上。WK-G1 固化剂能与土中Al2O3反应,生成的水合物对土体具有固化作用。另外,土壤颗粒表面的水泥浆体在一段时间内凝固,产生针状钙矾石晶体来填满它们间的孔隙,并在四周时间内达到峰值,这对提高土体工程性质具有重要作用。
1. 1. 2 土样
土样取自上海崇明县横沙岛区的疏浚土,经室内试验分析,为低液限粉土。其基本物理指标,如表1。
1. 2 试验仪器
扫描电子电镜是一种微观形貌观察手段,利用二次电子信号逐点逐行扫描成像,来观察试样的形貌特征,电子扫描( scanning electron micro-scope,SEM) 技术已广泛应用于土的微观结构研究[6],本试验采用低真空超高分辨场发射扫描电子显微镜( LV UHR FE-SEM) 拍摄,如图1 所示。
1. 3 试样制备
1. 3. 1 试验土样制备
分别制备固化剂掺量在0% 、0. 8% 、1. 2% 、1. 5% 的试样,在标准条件下养护7 d、15 d、30 d,为了提高试验的精度,每组试验做3 个试样分别进行固结试验,然后取平均值。固结试验和结果计算方法完全参照《土工试验方法标准》[7]中的规定。
1. 3. 2 SEM样品制备
试样选择固化剂掺量在1. 2% 的固化疏浚土,分别养护7 d、15 d和30 d。将固化土和原状土试样经烘箱干燥后切成直径小于18 mm,高度低于8 mm的土样,再用锋利的小刀将土样切开,暴露出新鲜表面拍摄微观结构图片。先将样品粘在样品架上,喷金使其导电,然后采用扫描电子显微镜( LV UHR FE-SEM) 对样品颗粒和孔隙形貌进行观察,选择具有代表性的区域拍摄图像,图像的放大倍数均为2 000倍,最后得到例如图2 所示的SEM图像。
2 SEM图像处理
利用Media Cybernetics公司开发的专业图像处理软件Image-Pro Plus对SEM图进行处理,此软件有强大的图像处理和分析能力,具有图像采集,图像处理,图像增强,图像数据库,图像标注,目标标定,目标计数,参数测量等一系列功能。目标图像的测量内容包括长度、圆度、角度、孔洞数、圆度、长短轴、光密度比等参数,可以通过直方图和散点图来表达测量结果,还可手动标记和分类目标图像所需测量的参数,测量时会自动编号,可显示每个测量对象的勾选参数,从而有利于局部分析,得到微观结构参数。
具体操作步骤包括图像预处理、图像分割、特征提取、选择测量参数以及结果输出等。其中,图像分割须将灰度图像分割成黑白二值图像,目的是区分孔隙和颗粒,图像中灰度高于某个阈的区域视为颗粒,灰度低于该阈值视为孔隙。图像分割是保证分析结果真实反映孔隙结构的关键[13],但现有的图像处理方法中,还没有一个确定阈值大小的标准。而目视分割法是一种简单而又有效的图像分割方法,为了减少人为误差,本文采用多人多次对图像进行分割,然后取平均值来确定图像分割的阈值,其他步骤可参考文献[8—12],最后得到例如图3 所示的二值化图像,图像放大倍数均为2 000 倍。
3 固化剂对疏浚土压缩特性的影响
固化疏浚土不同龄期和固化剂掺量下的压缩固结试验结果如表2 所示。
由图4 可知,固化疏浚土压缩模量Es随固化剂掺量的增加而逐渐增大,随着固化剂掺量的增加,压缩模量Es增加速度加大。固化疏浚土压缩模量Es与养护龄期的关系可见图5,3 种固化剂掺量下的固化疏浚土压缩模量均随着龄期增大。7 d龄期时,增长速度很快。7 d龄期后,压缩模量增加速度开始变缓,养护30 d后三种掺量下的压缩模量分别是原来的2. 5 倍、2. 7 倍和2. 9 倍。
4 固化疏浚土微观结构的选取与测试
4. 1 颗粒和孔隙的形态特征
4. 1. 1 颗粒和孔隙的个数
通过分析疏浚土固化过程中不同龄期下的颗粒和孔隙的个数,可以直观的反应出疏浚土固化过程中微观结构的变化。
4. 1. 2 颗粒和孔隙平均半径
在固化疏浚土SEM图所分析的区域中,所有与颗粒面积相同的等效圆的半径的平均值。
式中Ri是与颗粒面积相等的等效圆的半径,Ai单个颗粒面积Ai,A颗粒总面积,孔隙平均半径算法与颗粒类似。平均半径可以反应颗粒或孔隙的大小。
4. 1. 3 颗粒和孔隙平均面积
颗粒平均面积是所有颗粒面积之和除以颗粒的个数,孔隙平均面积与此相同,可以反应颗粒和孔隙大的大小。
4. 2 颗粒分维指标与计算方法
4. 2. 1 粒度分维( Dps) 和孔径分维( Dbs)
粒径分维计算方法: 取小于某一粒径r的颗粒数量N ( ≤ r) ,用r - N ( ≤ r) 曲线的形态特征来表示粒径的分维特征。由质量分布特征可知,两者具有较好的幂函数对应关系,即:
式中M为颗粒总数; N( ≥ r) 为粒径大于r的颗粒总数。
对于土的微观图像而言,M一定,那么N ( ≤r) 与N ( ≥ r) 具有相互对应的关系,可以认为下列关系也成立:
两边取对数后可得到:
D即为粒度分维Dps,与土的不均匀系数Cu相当。其值越大,颗粒均一化程度越差。孔径分维Dbs的算法与粒度分维Dps的算法类似,因此不做赘述。
4.2.2颗粒分布分维(Dpd)和孔隙分布分维(Dbd)
固化土SEM图像的土颗粒分布情况可以反映土体的形态和土体颗粒的密实状况。本文采用计盒维数法来计算图像的颗粒分布分维。
如图6,颗粒分布分维算法示意图,如果图像边长为L( 以像素pixel为单位) 的正方形,图像中含有颗粒( 图中不规则图形) ,用边长为a的正方形将目标图像分割成L/a × L/a的正方形格网,并且设含有颗粒的网格总数为N( a) ,如果设定一系列的边长ai,就可以得到一系列对应的N( ai) 。将ai- N( ai) 的散点反映在双对数坐标系中,就可以确定lna - ln N( a) 的关系。如果lna - ln N( a) 存在线性关系,就说明颗粒分布具有分形特征。且设斜率为K,则颗粒分布分维Dpd就是斜率K的负值,如公式( 7) 。
颗粒分布分维Dpd值越大,说明土中颗粒分布越分散。孔隙分布分维Dbd与颗粒分布分维Dpd算法类似。
4. 2. 3 颗粒表明起伏分维
山体、岩石等表面的起伏具有分形特征,近似地,可以认为颗粒表面起伏也具有分形特征,本文利用岩石等表面分维算法来近似求出颗粒表面起伏分维值Dpr。
如图7,假设图中的封闭曲线为土颗粒边缘轮廓线,在图像处理中得到其相应的轨迹坐标。用长度为 ε 的测尺去测量图7 的轮廓边缘线,所得到的测尺数为N( ε) ,那么 εN( ε) 近似等于轮廓曲线的长度。如果改变测尺长度 εk,相应的得到相应测尺数N( εk) 。使用一组测尺长度 ε1、ε2、…、εn( n→∞ ) ,得到相应的一组测尺数N ( ε1) ,N( ε2) ,…,N( εn) 。将 εn- N( εn) 的散点描绘在双对数坐标中,这些点所连的曲线的斜率就可以反映颗粒的起伏程度大小。曲线越陡,说明颗粒的表面起伏度越大。利用lnεn- ln N ( εn) 曲线的线性部分的斜率的负值,来表示颗粒表面起伏的分维值Dpr:
式( 8) 中Dpr值越大表示颗粒的表面起伏度越大。
5 固化疏浚土的微结构和分形维数
5. 1 试验结果
采用IPP软件和基于上述分形算法通过matlab编程得出固化剂掺量在1. 2% 下、不同龄期的固化疏浚土微观结构参数和分形维数,图像放大倍数均为2 000 倍,分析区域面积相同。所得数据如表3、表4 所示。
5. 2 疏浚土固化过程中微结构的变化
由图2( a) 可以看出,固结前原状土颗粒松散排列,孔隙多且大。由图2( b) 可以看出,固化后土的结构被破坏,颗粒产生相对位移并重新排列,相邻颗粒凝结在一起,形成稀疏的大颗粒团。
由图8、图9、图10 可以看出,7 d龄期时,由于固化剂的胶结作用,相邻颗粒逐渐凝结,颗粒数急剧下降,平均粒径急剧上升,孔隙数和平均孔径都随龄期线性增加,相关系数分别为0. 87 和0. 96。7 d龄期时,颗粒数和平均粒径变化速率远大于孔隙数和平均孔径的变化速率。7 d龄期时孔隙平均面积急剧下降,7 d龄期后孔隙平均面积、颗粒数和平均粒径变化速率逐渐变缓。整个固化过程中,颗粒平均面积随龄期线性增加,相关系数达0. 96。
在固化过程中,相邻土颗粒凝结成一个大颗粒,原先相互独立的孔隙逐渐融合在一起形成大孔隙,但固化剂中的水泥水化产生的纤维状和网络状的水化硅酸钙凝胶、Ca(OH)2、钙帆石等晶体会填充和分割土颗粒间的缝隙,从而将土颗粒的凝结作用而形成的孔隙分割成小孔隙,使整体上隙孔隙数增多,平均面积减小,孔径增大。
5. 3 固化疏浚土压缩模量与微结构的关系
疏浚土颗粒和孔隙个数、平均面积、平均半径与压缩模量的关系可见图11、图12、图13。由图11 可知疏浚土在固化过程中,压缩模量增加,在微观结构方面表现出颗粒数线性下降,孔隙数线性上升,颗粒个数和孔隙个数与随压缩模量的变化关系具有明显的线性特征,相关系数分别为0. 98 和0. 96。由图12 可以看出,疏浚土在固化过程中,压缩模量增加,在微观结构方面表现出颗粒平均粒径随压缩模量呈线性增加,相关系数为0. 97。平均孔径随压缩模量的变化先是比较平缓,而后变化很大。由图13 可以看出,疏浚土在固化过程中,压缩模量增加,颗粒和孔隙平均面积均呈现出线性变化,颗粒平均面积线性增大,线性相关系数为0. 96,而孔隙的平均面积线性下降,线性相关系数为0. 98。
5. 4 固化疏浚土压缩模量与分形维数的关系
5. 4. 1 粒度分维( Dps) 和孔径分维( Dbs)
固化疏浚土的粒度分维、孔径分维与养护龄期和压缩模量Es的关系可见图14、图15。由图14 可知疏浚土粒度分维的减小、孔径分维的增大可提升压缩模量。
图15 可以看出,粒度分维随龄期线性减小,孔径分维随龄期线性增大,其相关性分别为0.97和0.89。30 d龄期后,固化疏浚土的粒度分维只减小了14.15%,而孔径分维却增加了30.6%。说明疏浚土固化过程中,孔隙比颗粒更容易重新分布和排列,整体上使颗粒逐渐均一化,孔隙均一化逐渐变差。
原因在于固结前原状疏浚颗粒为松散排列的结构,孔隙少且大,固化过程中疏浚土颗粒逐渐聚集,颗粒凝结在一起,形成稀疏且较均匀的大颗粒团,颗粒数减少,颗粒的均一化程度增大,粒度分维也随之减小; 而孔隙则被凝结的颗粒分散开,孔隙数增多而倾向于杂乱无规则,从使孔径分维值增大。
5. 4. 2 颗粒分布分维Dpd和孔隙分布分维Dbd
固化疏浚土的颗粒分布分维和孔隙分布分维与养护龄期和压缩模量Es的关系图16 和图17。从图中可以看出,疏浚土固化过程中颗粒分布分维Dpd线性减少,但减小速率很缓慢,而孔隙分分维Dbd增大,且增长的幅度和速度远大于颗粒分布分维Dpd。疏浚土孔隙在固化7 d时,孔隙分散较快,固化30 d后疏浚土的颗粒分布分维只减少了1. 39% ,而孔隙分布分维却增加36. 12% ,两者都呈线性变化,线性相关性分别为0. 95、0. 93。这说明疏浚土固化过程中,颗粒分布逐渐集中,孔隙分布逐渐分散且变化幅度和速度远远大于颗粒的变化幅度和速度。原因在于7 d龄期时颗粒凝结较快,颗粒分布分维下降,但由于颗粒在重新凝结排列的过程没有孔隙那么容易。
5. 4. 3 颗粒表面起伏分维
固化土的颗粒表面起伏分维Dpr与养护龄期和压缩模量Es的关系见图18、图19。颗粒表面起伏分维Dpr随养护龄期和压缩模量Es线性上升,相关性分别为0. 86 和0. 97,30 d龄期后颗粒表面起伏分维增加了87. 64% 。说明疏浚土固化过程中,相邻颗粒互相凝结形成表面起伏较大的集团粒。另一个原因是土壤颗粒表面的水泥浆体在一段时间内凝固,产生的针状钙矾石晶体,附着在颗粒表面,使颗粒表明起伏变化增大。
6 结论
本文对疏浚土在固化过程中的微观结构和粒度分维Dps、孔径分维Dbs、颗粒分布分维Dpd、孔隙分布分维Dbd以及颗粒表面起伏分维Dpr的变化做了深入的研究,分析了疏浚土在固化过程中,微观结构、各分维值与龄期、固化剂掺量之间的关系。
( 1) 在标准养护条件下,疏浚土的压缩模量随固化剂掺量的增加而增大; 固化剂掺量一定时,疏浚土的压缩模量随龄期增大,7 d龄期后增长趋势变缓。
( 2) 在微观结构方面,WK-G1 固化剂固化疏浚土的过程中,使疏浚土颗粒数减少,分布集中,粒径和平均面积增大,颗粒表面起伏和孔径变大,颗粒逐渐均一化; 使孔隙数增多、孔隙平均面减少、孔隙均一化变差,孔隙更加分散。
( 3) 疏浚土固化过程中,粒度分维Dps、孔径分维Dbs、颗粒分布分维Dpd、孔隙分布分维Dbd以及颗粒表面起伏分维Dpr与养龄期和压缩模量Es成线性变化,趋势线R2大部分超过0. 9,甚至达到0. 98,各分维值可以很好的体现宏观压缩模量Es的变化。
摘要：在不同养护龄期和固化剂掺量的条件下,用WK-G1固化剂对横沙岛区疏浚土进行了固结试验,得到固化疏浚泥的压缩模量Es与固化剂掺量、养护龄期之间的关系;并利用电镜扫描(SEM)对其中某一特定固化剂掺量和不同龄期下的固化疏浚土的微观结构进行观测。运用IPP图像处理软件和Matlab编程对固化土SEM图像进行处理,得到固结过程中不同龄期下的粒度分维Dps和孔径分维Dbs、颗粒分布分维Dpd和孔隙分布分维Dbd、颗粒表面起伏分维Dpr以及颗粒和孔隙的个数、平均面积、平均直径等微观结构参数。并对微观结构参数和分维数与压缩模量的关系作了定量分析。结果表明:在WK-G1固化剂固化疏浚土的过程中,压缩模量Es随着龄期和固化剂掺量的增加而显著增大;微观结构方面表现出土颗粒数增多,颗粒分布集中,平均粒径和颗粒平均面积增大,颗粒表面起伏变大,颗粒逐渐均一化;孔隙数增多、平均孔径变大、孔隙平均面积减少、孔隙更加分散,均一化变差;各分维值与龄期和压缩模量具有高度的线性关系,相关系数R2可达0.97。
关键词：固化疏浚土,压缩模量,微观结构,分维,定量分析
浅述疏浚淤泥的固化技术 篇2
我国幅员辽阔,河流湖泊众多,因此而产生的疏浚淤泥的数量也是一个极大的数字,所以疏浚淤泥的处理和合理应用是我们必须要面对的一个很现实的问题,因此这是一个有很大使用和发展价值的创新环保领域。
我国对淤泥利用的研究起步较晚,但在西方的发达国家中,早就重视起了对淤泥固化的各种研究,并且在实际生活中也有较好地应用。例如:英国、荷兰、法国、瑞典和澳大利亚等国家,早在20世纪80年代末就开始利用淤泥为主要原料,制造高效净化燃料,其热值比普通煤高出30%,而且燃烧过程中不会排放出有害气体。德国目前已有5家淤泥收集、处理工厂,每年处理淤泥300万吨。在日本,淤泥已被用来生产各类建筑材料,以淤泥为主要原料制成的砖块透气性好,重量轻,容易制出不同的色彩,很适宜用于建筑物的装饰,已成为国际市场的畅销货[1]。
淤泥因为本身含水率过高、力学性能较差等原因,必须通过合理的固化处理,将上述两种弊端很好的解决掉,才能投入使用。一般情况下,固化之后的淤泥可作为土建原材料,在生产建筑材料的领域内得到利用。本文浅要论述国内现存的主要的淤泥固化技术。
2 淤泥及其固化
淤泥是粘土矿物等细小颗粒在粒间静电力和分子引力的作用下,经物理化学和生物化学作用,在海洋或湖泊地区等缓慢或静止的流水环境中发生沉积所形成的絮状和蜂窝状结构物,是各种胶体有机质及其吸附的金属元素、微生物病菌、虫卵等物质的综合固体物质[2]。主要的化学成分包括:SiO2、Al2O3和其他一些碱金属氧化物。
淤泥固化就是指:在淤泥原料中加入各种固化材料,通过搅拌、加热烧结等操作,极大地降低含水率,使材料获得足够的强度。目前我国主要的淤泥固化方法有:利用固化剂固化淤泥。最为传统的固化剂是水泥,近年来国内也逐渐开展了较多关于新型固化剂固化淤泥的研究,特别是针对利用工业废料,如矿渣、粉煤灰等作为固化材料的研究[3,4]。除此之外,对淤泥的固化处理还有物理脱水固结法和高温烧结法。这三种固化方向是国内对淤泥进行固化处理的主要研究方向。
2.1 水泥固化
作为最早投入使用的固化材料,水泥的固化效果,特别是对淤泥材料强度的增强效果已经得到了大众的认可,针对利用水泥固化淤泥的研究也较多。一般认为水泥固化淤泥的强度主要来源于两部分水化物的胶结作用,即水泥本身水化产物的胶结作用和水泥水化时产生的Ca(OH)2与淤泥中活性物质之间的硬凝反应所产生水化物的胶结作用[5]。其中前者构成水泥土强度的主要部分。
2.1.1 水泥固化效果的影响因素
影响水泥固化淤泥效果的因素很多,实验研究表明,比较主要的因素有:水泥的掺量、养护龄期、淤泥的初始含水率、水泥的标号等[6,8]。
水泥掺入量的确定十分重要,水泥加入过多或过少都会对加固效果产生影响。研究指出水泥加固的淤泥抗压强度随水泥掺入量的增加而增长,但超过一定掺入量后又会呈下降趋势[9]。朱伟等人的研究表明,水泥的掺量也同时存在一个最低值,当掺入水泥量少于该值时,水泥基本没有固化效果。并且得出了水泥掺量与强度之间的一个定量关系式:qu=k(ac-a0)[6]。式中ac为水泥掺加量;k为水泥固化系数,反映出水泥固化的效果好坏;a0为最低水泥掺加量,当水泥掺加量低于a0时,固化土几乎没有强度。根据这个关系式,对一种淤泥和水泥只要进行几组配比试验,就可以确定出k和a0,进而对实际工程进行有效的指导。
养护龄期对抗压强度影响的表现为:对于不同的水泥掺量,强度并不与养护龄期线性关系,当水泥掺量较少时,强度随龄期增大而增大的速率较小;当水泥掺量较大时,强度增大的速率较大。
研究发现,固化淤泥的无侧限抗压强度随淤泥含水率的增加呈乘幂关系下降,随着初始含水率的增加,固化淤泥的塑性增加,破坏应变增加,而黏聚力降低。随着初始含水率的增加,水分过多导致水化产物在单位体积中的数量较少,难以形成整体强度。在实际工程中,应在满足固化搅拌的施工要求下,尽量降低淤泥的初始含水率以取得较好的经济效益[7]。
2.2 复合固化材料固化
单纯使用水泥进行淤泥固化,存在着很多的弊端,如固化后的材料水稳定性差、加工成本较高等,所以在现在的研究实验中,开始越来越多地关注加入各种辅助固化材料的复合固化剂。与仅使用水泥的固化材料相比,复合固化材料能提高固化效果,大幅度节省水泥的用量。目前研究表明,添加后效果较为优良的有二灰(粉煤灰、石灰)和矿渣。使用这些工业废弃物作为固化剂,在达到预期目的的同时还能起到环保的作用。但是,添加到淤泥中的辅助固化材料种类不应太多、太复杂,因为固化材料的复杂化必然会增加原料的复杂性和应用的局限性[10,15]。
2.2.1 粉煤灰及矿渣的使用
周旻等人通过对湖底淤泥的实验研究认为,灰渣胶凝材料能代替传统固化基材对淤泥进行常温固化处理,固化块的强度、机械性能、抗冻、融性能和耐干、湿性能均满足护坡砖的要求,能用于生产建筑用砖[10]。他们所介绍的灰渣胶凝材料,是一种添加了辅助固化材料的复合型固化材料,其主要成分有:矿渣、脱硫灰渣、石灰、高钙灰等无机工业废料。灰渣胶凝材料能够显著改善固化材料与淤泥反应生成的胶凝物质的性能,同时磨细灰渣对淤泥孔隙的填充效果,又能有效地降低淤泥土的孔隙率。胶凝材料的特性改善以及材料的孔隙率降低都能够很好的提高固化后的淤泥的性质,所以经该材料固化后的淤泥,在前中后期均有较高的强度。
张春雷[12]等人的研究实验第一次利用国产大型淤泥固化处理专用设备和复合型淤泥固化材料,对疏浚出的底泥进行了固化处理和筑堤试验,探索经固化处理之后的淤泥材料的强度、变形、渗透系数等力学性质指标。其实验中应用到的复合固化材料仍是以水泥为主,辅助固化材料为粉煤灰和石膏。使用此种方法处理的淤泥,在强度等方面上可以满足堤防填土的填筑要求。
张大捷[13]等人的研究表明,矿渣在被激发之后,水化产物除了与硅酸盐相同C-S-H凝胶外,还生成高强度、难溶解的沸石类矿物。他们认为矿渣固化淤泥的机制同水泥相一致,但是效果优于水泥的原因可能有以下两点:1、矿渣胶凝材料比水泥材料更细,在参与反应的过程中比表面积也更大,反应会更彻底。2、从水化产物上来看,两者都相同的C-S-H凝胶,但矿渣胶凝材料的水化产物中还出现了斜方硅钙石和白钙沸石,这些细微晶体的强度很高,而且有着极为稳定的热力学性质,同时又极难溶于水,对最终的材料的强度和水稳定性有着十分有利的作用。兰凯[14]等人的实验则分析了混合固化剂掺入比、矿渣占固化剂的质量比和龄期及其交互作用对抗压强度的影响,通过实验建立了具有可信度的模型,最后通过分析得出:矿渣占混合固化剂的质量比在一定区间内(40%～70%)对固化强度的增强效果显著,推荐质量比为65%,这对以后的实验研究和实际生产具有极大的指导意义。
3 其他固化方法
前文中提到,淤泥固化的方法有固化剂固化、物理脱水固结及高温烧结三种方法。第一种方法应用范围最广,前文也进行了相关的介绍。而后两种方法因适用范围、经济性等原因,还没有得到广泛的应用,所以本文对此两种方法只是略作介绍。
3.1 物理脱水固结法
脱水固结是指采用自然风干、离心分离或外力挤压等方法将淤泥孔隙中自由水和吸附水部分或全部脱离出来,使黏土颗粒黏结成密实状态。脱水固结处理方法包括自然风干脱水、机械脱水、堆载预压排水固结等[16]。
物理脱水固结法有一个最大的弊端就是,经此方法处理过的淤泥仍然会具有污染性,因为该方法只是用简单的方法将淤泥中的水份除去,并不会处理到淤泥中各种化学成分,特别是对高污染的淤泥,还必须进行第二次的化学处理,无形之中还是增大了淤泥固化处理的成本。因此次方法的适用范围并不广。
3.2 高温烧结法
高温烧结处理是通过高温处理,使疏浚淤泥脱水,有机成分分解,颗粒之间黏结,或无机物发生熔解,然后再通过冷却,使得淤泥熔合成具有相当强度的固体颗粒。高温烧结法处理的淤泥材料在轻质陶瓷、制砖、熔融微晶玻璃生产等方面都有着很好的适用性,是将淤泥资源合理应用的重要途径,因此开始逐渐引起国内外的高度重视。
高温烧结法固化后的淤泥相对于物理脱水法,最大的优势就在于能够有效地减少原材料中的有害化学成分,起到减污的作用。但是,从另一个角度来说,高温烧结法由于需要将材料加热到很高的温度,所以目前来说经济性不如物理脱水固结法。国内外研究者在这种矛盾的情况下,刻苦钻研,也提出了一些行之有效的处理方法,比如,在进行高温烧结时添加有效的助熔剂,或者对淤泥材料采用低温快烧的方法[17]。从长远的角度来说,高温烧结方法处理后的淤泥在强度性能和质量等方面都要优于其他方法,因此有着更加广阔的应用发展空间。
4 结语
当今世界,各种资源危机已成为迫切需要解决的一大问题,我们应当想方设法将一些目前尚处于被废弃地位但又有广阔利用前景的资源都利用起来。有关环保专家认为,淤泥经固化处理后,可用于市政道路、堤防加固、路基填方工程和建材原料等,不但可有效解决淤泥长期堆放占地和二次污染问题,还可以避免砖瓦窑厂大量挖废耕地、非法取土,缓解城市建设中土方缺口问题[18]。
同时,在固化淤泥的过程中添加各种工业废料作为固化剂,既能改善固化效果、得到更好的实验成果又能够起到环保和废物再利用的作用。这一变废为宝的环保型技术,形成了一个前景广阔、可持续发展的淤泥资源循环综合利用的环保产业,市场前景十分广阔。对创建节约型社会,改善江河湖泊的生态环境和水利治理,有着极为深远的意义。因此,淤泥的固化利用值得我们投入足够的研究精力。
摘要：河流、湖泊疏浚淤泥的固化利用,既可以满足相应的工业需求,同时也能达到废弃资源再利用的目的,是一种绿色、环保的措施,符合世界发展潮流。通过对目前国内现存主要的淤泥固化处理方法的汇总分析,对该研究方向的现状和发展进行了论述和展望。
固化疏浚土 篇3
在海岸、 海洋工程建设和航道日常维护过程中,每年产生大量的疏浚泥。 以长江航道疏浚为例,年疏浚方量达1200 万m3。 目前疏浚泥大多采取吹填造陆或近海倾倒的方式处置,但是疏浚泥的海洋倾倒区选址越来越困难,疏浚泥倾倒已成为今后港口、航道、海洋海岸工程发展的一个障碍。
另一方面,在围海造地、水利建设和渔业养殖方面,需要大量护坡工程材料,水泥制品类护坡材料由于透水透气性差、碱度高等因素,难以满足一些工程的环保要求。 本文以疏浚泥为主要原材料,针对疏浚泥含水量高、 粘稠难搅拌的技术难点,通过免烧固化处理、压制成型、自然养护的工艺,研制出一种疏浚泥固化护坡预制品,以适应生态型护坡工程的需要。
1 试验原材料
1.1 疏浚泥
疏浚泥取自洋山港区的航道疏浚工程,化学成分和土工性能分别见表1 和表2。
根据表2,疏浚泥为低液限粘土。 疏浚泥中粒径分布在0.0016~0.075mm的颗粒占91.4%,故为细粒土。
%
1.2 水泥
采用P·O 42.5 普通水泥。
1.3 矿物掺合料
矿物掺合料采用高炉矿渣、粉煤灰、钢渣粉磨制备,物理性能见表3。
1.4 骨料
采用连续粒级5~31.5mm的再生骨料, 物化性能见表4。
1.5 激发剂
采用硫酸盐激发剂,技术指标见表5。
2 试验方法
2.1 材料准备
疏浚泥从现场采取后,运回试验室密封保存。
将水泥、矿物掺合料、激发剂进行预混合,复配制成不同比例的固化剂。
2.2 搅拌、成型与养护
将原状疏浚泥、 疏浚泥固化剂投入砂浆搅拌机,拌合3min,采用人工捣实成型,拌合物分两层装入试模(70.7mm×70.7mm×70.7mm)。 插捣完毕后,抹平表面, 盖上塑料薄膜防止水分蒸发,1d后编号拆模,将试块浸入水中,进行标准水中养护。 养护水温度应控制在(20±2)℃内。
如果试验时掺加骨料,则采用混凝土搅拌机拌合,并采用100mm×100mm×100mm立方体试模。
2.3 抗压强度试验
将试件从养护室取出, 擦干试块表面,进行试验。 采用10~15N/s的速度连续而均匀地加荷。 当试件接近破坏而开始迅速变形时,应停止调整试验机油门,直至试件破坏。
3 试验结果与分析
3.1 原状疏浚泥固化试验
按表6 所示,分别称量水泥、掺合料、激发剂和疏浚泥(固化剂掺量固定为20%),经搅拌、击实成型、脱模、养护后,测定疏浚泥固化试件的抗压强度,试验结果见表6。
由表6 可知,与水泥固化试件(SA1)的强度相比, 复配固化剂固化疏浚泥试件的7d强度最大可提高80%以上,28d强度最大可提高20%。并且复配固化剂固化疏浚泥的28d强度超过15MPa,达到上海市工程建设规范DG/TJ 08-2111-2012《滩涂促淤圈围造地工程设计规范》 中素混凝土垫层的强度等级要求(不宜低于C15)。
3.2 掺加骨料对固化疏浚泥试件强度的影响
由于疏浚泥的粘性大,易附着在搅拌机叶片上,影响搅拌均匀, 并且脱模较困难。 掺入一定量的再生骨料(10%~30%),使拌合物易于搅拌和脱模,可改善试件质量。 按表7 进行称量、配料和试验,试验结果见表7。
由表7 可知,随着再生骨料掺量的提高,疏浚泥固化试件抗压强度不断提高, 再生骨料掺量(体积比) 每提高10%, 固化试件强度相应提高约12%~17%。 并且随着粗骨料掺量提高, 后期强度增长明显,180d可达20MPa以上。并且掺入20%~30%的再生骨料, 疏浚泥固化试件易搅拌均匀和脱模。 鉴于本项目重点围绕疏浚泥综合利用,故未进行30%以上再生骨料掺量的试验。
3.3 疏浚泥固化试件的力学性能和耐久性测试
根据以上试验结果,对疏浚泥固化试件进行力学性能和耐久性测试。
(1)力学性能
表8 为疏浚泥固化试件的力学性能。
由表8 可知,采用合适的固化剂配比,疏浚泥固化试件的28d抗压强度达到15.9MPa, 抗折强度可达到2.44MPa。
(2)抗冻性
按GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》,采用慢冻法,当抗压强度损失率达到25%或者质量损失率达到5%时的最大冻融循环次数,作为抗冻等级。 经20 次冻融循环,SK7 疏浚泥固化试件的抗冻性试验结果见表9。
由表9 可知, 疏浚泥固化试件的抗冻等级达D20,抗冻性较好。
(3)抗硫酸盐侵蚀试验
按GB/T 50082—2009,进行了30次硫酸盐侵蚀干湿循环,试验结果见表10。
由表10 可知,疏浚泥固化护坡块体的抗硫酸盐侵蚀性能优良,经30 次干湿循环后,疏浚泥固化护坡块体的抗压强度反而有所增强。 这可能是由于硫酸盐中的硫酸根离子起到激发作用,促使固化剂中的水硬性胶凝材料进一步水化,生成水化产物,进一步提高了固化土的强度。
3.4 疏浚泥固化试件的微观机理分析
选取表6 中SA9 组的固化疏浚泥样品,养护到3d、7d和28d龄期, 用浓度为99.7%的酒精中止水化,研磨成粉体,过0.08mm的筛,进行SEM测试(×15000),见图1~图6, 并对疏浚泥固化试件的强度形成机理进行分析。
由SEM图可知,固化剂固化疏浚泥在3d龄期就形成2~4μm的长柱状钙钒石晶体,填充空隙,使加固土结构体较为致密。 达到7d龄期时,长柱状钙钒石晶体的长度进一步增加,达到4~8μm,数量也不断增多,加固土内2μm宽度的空隙已被长柱状晶体填充。 达到28d龄期时,疏浚泥固化体的密实度较高,由于其它水化产物不断生成,孔隙被不断填充,硬化体进一步致密,整体性较强。
而水泥固化疏浚泥在3d龄期几乎看不出钙钒石晶体,达到7d龄期时,生成1~2μm的针状钙钒短柱状,但数量较少,疏浚泥固化体2μm宽度的孔隙未被有效填充。 达到28d龄期时,虽然孔隙率有所下降,但疏浚泥固化体的整体性较差。
4 疏浚泥固化预制品的示范应用
4.1 项目概况
示范应用项目位于上海南汇东滩滩涂促淤围垦(三期)工程顺坝中部(2 号隔坝头部),试验段长20m。 根据设计要求,该示范项目充分利用当地疏浚淤泥,制作疏浚泥固化预制品,用于大堤内护坡、外海侧护底等工程部位。
4.2 生产工艺
疏浚泥固化预制品分护底块体(单重≥150kg)和空心六角螺母护坡块体(外径ø732mm, 内径ø210mm)两种,其中六角螺母护坡块体的尺寸和外形见图7 和图8。 生产时,采用搅拌机,将疏浚泥、固化剂和骨料搅拌,并采用压制成型、自然养护的生产工艺制作。
4.3 施工工艺
(1) 疏浚泥预处理: 由于现场疏浚泥中杂物较多,故要求在取泥时,必须清除杂物,疏浚泥需进行晾晒处理,以降低疏浚泥的含水率。 同时,疏浚泥经晾晒后,应进行适当破碎处理,其最大团粒不得大于30mm。
(2)搅拌:将固化剂与水充分搅拌,制作固化剂浆液,然后按比例加入疏浚泥和碎石,并用搅拌机充分搅拌。 该施工工艺可解决疏浚泥粘性大、不易搅拌均匀的技术难点。 疏浚泥与固化剂的搅拌较为均匀,有利于提高固化土强度。 由于六角螺母预制品为薄壁结构,故在搅拌过程中,应将疏浚泥固化土团粒进一步破碎,最大颗粒不得大于10mm。
(3)成型:采用疏浚泥固化土制作六角螺母护坡砌块和护底砌块时采用平板振动器或蛙式夯夯实,刮平表面,次日可拆模。 振动成型时不得出现空鼓现象。
(4) 养护: 预制品上覆盖草包, 人工洒水养护。浇捣后24h内如遇下雨,则及时覆盖塑料薄膜,以防雨水冲刷表面。
(5)搬运:疏浚泥固化土预制品的强度达到28d强度的80%后拆模,以防预制品损坏。
4.4 实施效果
该示范项目在顺堤桩号5+080~5+100 段新建10m疏浚泥固化整体板护坡及10m疏浚泥固化螺母块体护坡, 厚为150mm; 在顺堤桩号5+080~5+100 段外海侧在新建大方脚外侧安放2 层疏浚泥固化护底块体(单重≥150kg)。
根据现场试验结果, 疏浚泥固化块体的抗压强度达5.2MPa(掺量15%),渗透系数3.3.×10-8cm/s。同时,由于大量利用当地疏浚泥,大大降低了生产成本。 据测算,疏浚泥固化块体的造价约90 元/m3,较C15 混凝土的的造价(约280 元/m3)大为降低。
5 结语
(1) 采用水泥与矿物掺合料、 激发剂复配的方法, 研制了一种疏浚泥固化剂。 在固化剂掺量为20%、 疏浚泥掺量在53%~83%范围内时,疏浚泥固化体的抗压强度超过15MPa,达到素混凝土垫层的强度等级要求。
(2) 微观机理试验显示, 疏浚泥固化体在早期形成长柱状钙钒石晶体,填充空隙,使加固土结构体较为致密, 并且随着龄期增长,钙钒石晶体的长度进一步增加,数量也不断增多,孔隙被不断填充,硬化体进一步致密。
关于疏浚土综合利用的效益研究 篇4
发达国家疏浚土主要有工程性利用, 如吹填造陆和岸滩养护等;农林业利用, 如用于种植果树、草场和水产养殖等;改善环境, 如栖息地恢复、公园和景观的开发等[1]。不同的疏浚土利用方式产生效益的多少、效益评估方法以及效益的表现形式均有所不同。在进行疏浚土综合利用效益分析时, 不能仅从货币形式的效益进行分析和评价, 而应用发展的眼光、从全社会的角度, 结合经济效益、社会效益和生态效益3个方面进行综合评价。
1 经济效益
通过分析疏浚土的利用方式, 其经济效益分为直接经济效益和间接经济效益。其中直接经济效益表现为土地效益、材料购置费用节约两种形式。间接经济效益 (转移效益) 表现为旅游效益[2]、增加就业效益、水产养殖效益和房地产升值效益。
1.1 直接经济效益
1.1.1 土地效益
疏浚土的工程性利用是目前疏浚土综合利用最普遍的方式, 其中又以吹填造陆运用最为广泛, 其产生的效益也是最直接的, 甚至是最快速的。工程实施后形成一定面积的土地, 具有很大的商业价值。
(1) 效益评价方法。对于疏浚土用于填筑造陆的经济效益计算可参考房地产评估方法, 采用可比销售方法[3]。这种方法是目前最适合用于疏浚土新造土地价值估算的方法, 需借助财务报表进行土地效益的定量计算。
(2) 场地描述。在对疏浚土处理场地的价值进行分析前, 须描述这个场地的物理特性、环境特性以及与当地经济结构的关系。为后续分析提供基础数据。在收集数据过程中, 将会出现许多对场地价值起重要作用的参数。
(3) 土地使用潜力的确定。主要分析在疏浚土填置、脱水和固结后如何确定疏浚土处理区最可能的、最高效的和最好的使用方式。通常情况下, 一块土地最高效、最佳的潜在用途是其价值评估的依据。该区域内可比较土地的价值决定一块新造土地的价值。新造土地的使用潜力需通过5个因素进行确定: (1) 疏浚土形成土地的利用方式, 是决定土地价值的最直接、最关键的因素。 (2) 该区域内对某种土地利用方式需求的迫切程度, 与土地销售价格有关。 (3) 前期确定的现场物理特征, 将决定疏浚土形成地块的质量好坏。 (4) 场地周边的交通情况, 与土地销售价格有关。 (5) 其他法律和制度的限制约束, 也与土地销售价格有关。
(4) 效益计算。在效益计算过程中应考虑3个因素: (1) 确定与处理区相类似, 并且近期有销售或评估数据的地块。 (2) 根据土地使用潜力评估中获得的信息, 对新建场地进行需求评估。 (3) 确定同等场地和新造利用场地的相对适用性。
同等可比较地块的价值是新建场地市场价值评估的依据。在确定可比较地块及其价值后, 就可以确定比较地块和新造地块在“增值”系数方面的相似程度。通过采用类比法和对新造土地的需求评估, 可评估新造土地的价值[4], 而将此价值评估结果与疏浚土吹填前该场地原有的价值相比较, 就能评估各种类型综合利用方式的土地增值效益。
1.1.2 材料购置费用节约
此类效益主要针对工程性利用中的回填覆盖及农业和产品利用中的农业、林业和建筑材料等疏浚土利用方式。该方式的效益主要体现在直接购买土壤和采用改良后的疏浚土两者在费用上的差值。通过费用或成本的节约来体现该类利用的经济效益, 主要有5个决定因素: (1) 利用方式。这决定了对土质的要求, 有可能使疏浚土的处理成本大相径庭。 (2) 土壤的需求量。需求量大, 疏浚土处理的单位成本较低;反之, 较高。 (3) 疏浚土与利用现场的距离。这将影响疏浚土的运输费用。 (4) 疏浚土处理技术。若需要高水平的处理技术而当地缺乏, 需借用外力或引进人才将导致处理费用增加。 (5) 原材料的购买价格。若当地原材料储量已很丰富, 价格不高, 将影响疏浚土综合利用的积极性。
综合考虑以上几个因素, 通过对比计算, 得出的效益可能为正, 也可能为负。
1.2 间接经济效益
疏浚土用于改善环境、水产养殖时, 不能由疏浚土本身产生货币形式的效益, 而需通过以其为基础的物质产生经济效益, 该类经济效益的计算将主要通过效益转移法、投资分摊法来实现。
1.2.1 旅游效益
疏浚土处理区用于开发滨海娱乐休闲旅游时可计算此类效益, 通过效益转移法将滨海休闲旅游产生的门票收入、酒店收入和餐饮收入等效益分摊在疏浚土综合利用上, 具体分摊比例可根据投资比例确定[5]。
1.2.2 增加就业效益
疏浚土用于开发休闲娱乐项目时将解决很大一部分人口的就业问题, 扩大就业途径, 可通过以下公式进行定量计算。
增加就业效益=增加的就业人数×该地区人年均工资
1.2.3 水产养殖效益
将疏浚土用于水产养殖, 增加水产销售收入, 可通过以下公式进行定量计算。
水产养殖效益=疏浚土使用成本/ (养殖总成本-人工工资) ×水产销售收入
扣除的人工工资应在增加就业效益中考虑。
1.2.4 房地产升值效益
疏浚土运用于湿地、公园、休闲区和景观时, 由于环境美化、休闲娱乐场所增加, 将提升项目所在区域的房地产销售价格, 具体量化计算可通过投资分摊法实现。
2 生态效益
由于疏浚土用于岸滩防护和改善环境等方面时常常不能直接产生货币形式的效益, 但其对改善人类、动植物的生存环境有着积极作用。该类疏浚土利用方式虽然在技术上是可行的但经济上可能不太合理, 该类效益评价可参照生态经济学中关于生态效益的评价方法[6]。采用的方法主要有机会成本法、指标评价法、专家调查打分法和综合模型法等。
生态效益可分为保护生物多样性效益、防洪效益和保护自然资源效益3类。
2.1 保护生物多样性效益
岸滩防护、栖息地恢复及营造以及减少疏浚土在外海抛放均对保护生物多样性大为有利。生物多样性的价值分为直接使用价值、间接使用价值和潜在使用价值3种类型。许多动植物和微生物物种的价值目前尚不清楚。生态系统多样性的自然属性距离市场和商品的社会属性较远, 不确定因素多, 其经济价值评估较为困难。目前多采用机会成本法估算生物多样性的潜在使用价值。
2.2 防洪效益
通过海滩养护、恢复或稳定, 可以保障后方护岸防护标准不被波浪、水流侵蚀而降低。此外, 疏浚土经过吹泥上岸和脱水, 可以用来建造堤坝和防洪堤等, 减小产生洪涝灾害的可能性。该类效益可通过历史上发生洪涝灾害造成的损失及对今后灾害发生可能性的预测进行定量计算。
2.3 保护自然资源效益
疏浚土综合利用后不需要通过采掘或挖掘就能提供某些原材料, 减少了对砂、黏土、砾石、岩石或表土开采和挖掘的面积, 避免了对其他现场造成干扰, 从而使一个国家或地区实现对自然资源更大程度上的生态管理, 该类效益通常只进行定性描述。
3 社会效益
疏浚土若能真正有效地实现综合利用, 从长远来看, 必将产生巨大的社会效益。对疏浚土综合利用的社会效益评价应以效用论为理论基础进行定性描述。
3.1 社会稳定效益
解决剩余人口的就业问题、提高居民收入, 可以改善生活条件, 提高居民的幸福感和满足感, 增强社会稳定。
3.2 社会文明进步效益
通过改善居住环境、保护生物多样性等可以推动社会的文明进步。
3.3 优化产业结构效益
通过疏浚土的综合利用, 将可能改变社会产业结构, 对农业、工业、商业等各部门进行产业结构优化。
4 综合效益分析
疏浚土综合利用从长远来看, 是一件保护环境尤其是江河湖泊及海洋资源、海洋生物的重大利好措施, 它的有效利用不仅能改善人类的生存环境、产生一定的经济效益, 而且能促进社会的和谐、稳定发展。近年来, 港航事业蓬勃发展, 航道疏浚、港池开挖的频度、深度不断增加, 许多情况下疏浚土不能被有效利用, 导致海洋环境受到很大破坏, 沿海生物数量减少, 相比而言, 治理海洋环境的费用比疏浚土综合利用要高昂得多, 因此评价疏浚土综合利用的效益应具有更加开阔的视角和发展眼光。
在具体分析和计算疏浚土综合利用的经济效益、生态效益和社会效益后, 可运用运筹学中的层次分析法对所有相关效益进行综合评价。对能量化指标采用效益转移法和条件价值法等进行转换, 然后对所有量化指标进行无量纲化;不能量化的指标可采用功能指数法结合专家调查打分法来确定指标系数和权重。最后通过计算得出某类疏浚土利用方式的综合效益。
参考文献
[1]国际航运会议常设协会第19工作组报告.Beneficial Uses of Dredged Material[R.]USACE-EM.1987.1.
[2]邱珍英, 许长新.江苏沿海滩涂开发的投资可行性分析[J].海洋开发与管理, 2004, 21 (4) :15-17, 23.
[3]朱凌, 刘百桥.围海造地的综合效益评价方法研究[J].海洋信息, 2009 (2) :18-20.
[4]邱珍英.航道项目经济评价中效益分摊问题的探讨[J].水运工程, 2006 (11) :8-11.
[5]林全业, 丁修堂, 段祖安.近十年我国森林效益评价研究进展[J].山东农业大学学报:自然科学版, 2009, 40 (2) :304-308.