城市湖泊环保疏浚淤泥固化试验研究

第12卷 第12期 中 国 水 运 Vol.12 No.12 2012年 12月 China Water Transport December 2012 

城市湖泊环保疏浚淤泥固化试验研究

张同虎，孟令娣

（江苏省灌南县水利局，江苏 连云港 222500）

摘 要：文中针对城市湖泊环保疏浚底泥有机质含量高、颗粒小、密度轻等特点，采用水泥、生石灰和粉煤灰等添加剂对其进行固化试验研究，阐述淤泥固化后的短期强度和含水率的变化特征，研究其固化机理，并对添加剂的固化效果进行分析和总结。根据模糊优化理论，将生产成本、固化效果、工期等因素作为优化目标，建立数学模型，提出并分析固化最优方案。结果分析表明，掺入4%的水泥和9%的粉煤灰混合添加剂为最优选择，有效地降低约45%成本，且强度增长率达到321%。本试验可为城市湖泊环保疏浚淤泥固化提供一定借鉴作用。 关键词：疏浚底泥；固化机理；优化方案；节约成本；增加强度

中图分类号：U414 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2012）12-0264-03

一、引言

在湖泊疏浚清淤和近海岸等工程中，将会产生大量疏浚淤泥[1，2]。此类淤泥由于有机质含量高、颗粒小、密度轻等特点，很难直接被工程所用。在湖泊疏浚清淤中，往往需要湖底淤泥在短时期内达到一定强度，以便于施工；在围海造地工程中，往往采用吹填土填充和扩展土地，短时间内达到施工强度（机器承载强度）也是亟须解决的问题。将固化材料加入淤泥中进行固化处理是一种行之有效的方法[3]。

水泥作为常用固化剂，粘粒含量从34%减少到1%以下[4]，明显增加土体的剪切强度和承载能力。谢海澜等发现生石灰与

[5]

[6]

通过直剪试验，对淤泥原状土进行试验。与土体含水率反映的土体强度一致，当土体的含水率约为140%时，剪切强度较小，凝聚力只有约6Kpa。张晴波和郑世华[7]针对武汉东湖底部淤泥重塑土在液限以下的不同含水率条件下已进行系统的强度研究，如图1所示。作为参照，本文所研究土体的凝聚力略低于武汉东湖湖底淤泥液限附近的剪切强度，也暗示了机械离心脱水法可能不乐观。因为若采用离心脱水，只有含水率降低到液限以下才会获得较高的强度。换言之，若采用机械脱水法达到规定强度，需要更大的能耗和更久的时间。可见，相比于离心脱水方法，化学固化方法更为合理。

水泥同时加入吹填泥浆中时，生石灰能提供大量钙离子用于补偿由于离子交换作用而消耗的游离的钙离子，且生石灰通过消化反应生成氢氧化钙能提高环境介质的碱度，提高了加固效果。孟庆

抗剪强度（kPa）

山提出了粉煤灰或石膏可以极大地改善单纯水泥的固化效果。

鉴于水泥、生石灰和粉煤灰三种常用固化剂对淤泥固化有较好的效果，本文通过参加不同参量的三种混合固化剂的室内常规剪切试验，研究土体含水率和短期强度的变化规律。结合固化剂的成本、土体达到规定强度的凝结时间，基于灰色优化理论，对最佳混合固化剂进行分析。

二、试验材料和方法 1．试验材料

试验淤泥取自连云港市灌南县公兴河疏浚工程河底，基本物理性质指标如表1。从土体物理指标可以看出，当含水率大于50%~60%，土体极易流动，不能保持其形状，处于流动状态。土体的平均含水率为144%，远远大于液限，间接说明土体剪切强度较低，接近0kpa。土粒较均匀，集中分布粉粒范围内，属于CHO，即高液限有机质粘土。平均有机质在8.8%，属于高有机质土体。

表1 公兴河疏浚淤泥基本物理性质指标

平均含水率液限 塑限 （%） 144

塑性

不同粒径（mm） 含量（%） 砂粒 粉粒黏粒 14.1 80.7

5.2

有机质含量（%） 8.8

（%） （%） 指数 58.6 29.4

29

比重2.67

密度（g/cm）1.31

3

含水率（%）

图1 公兴河底土体含水率和剪切强度的关系 2．试验方案和方法

从短期强度（1d）满足施工要求的目的出发，同时结合现有工程（淤泥的初始含水率为140%），探求掺量在13%时不同添加剂的固化土体强度规律，并探求添加剂的最佳掺量，分别考虑多种方案，见表1。其中13%掺量根据刘娉惠

[5]

和谢海澜[6]等研究方案和实际工程效果决定。

按照试验方案，先将淤泥和规定配比的添加剂经搅拌均

[7]

匀后，装入钢制直剪环刀制成直剪试样。制样前在环刀内壁均匀涂一层润滑剂，以将试验的人为影响降到最低。固化淤泥拌合物按干密度控制法进行制样，随即放入温度20±2℃、湿度大于90%的养护室进行标准养护。直接剪切强度试验参

收稿日期：2012-07-28

作者简介：张同虎（1986-），男，江苏省灌南县人，江苏省灌南县水利局助理工程师。

孟令娣（1978-），女，江苏省灌南县人，江苏省灌南县水利局工程师。

第12期                           张同虎等：城市湖泊环保疏浚淤泥固化试验研究                            265  照《土工试验方法标准》[8]，每组试验测定3个平行试验。

表2 固化试验方案

方案1

（原状土） 方案2 方案3 方案4 方案5 方案6 方案7 方案8

13 6 4 0 0 0 0

0 0 0 6 4 13 0

0 7 9 7 9 0 13

13 13 13 13 13 13 13

水泥掺量（%） 生石灰掺量（%）粉煤灰掺量（%）总掺量（%）

至110%。强度增加幅度也最大，约40kpa。土体强度的提高主要是依赖水泥和泥浆形成的具有强胶结产物硅酸铝（Al2（SiO3）3）。水泥溶于水中，经过水化反应，使分散的土颗粒凝聚，由于有结晶体呈网状附着在其表面，形成团-絮状结构，如图3（b）所示。

（a） （b） 图3 处理后土体细观结构（2,000倍）[5]（a）

石灰处理（b）水泥处理

三、试验结果分析

1．单一添加剂对强度的影响

不同添加剂（方案1、2、7、8）对淤泥的含水率和短期抗剪强度的影响也会不同，如图2所示。在无添加剂的情况下，混合土体的含水率会略微降低，幅度只在5%左右；而强度近乎无变化，只在6kpa附近。当添加13%的生石灰，混合土体的含水率减少至125%附近，剪切强度增加至约25kpa。主要由于生石灰溶于水发生水化反应生成氢氧化钙（Ca（OH）2），含水率的降低会在一定程度上增加混合土体的强度。氢氧化钙本身具有胶凝作用，而且还会和空气及

发生化合反应生成碳酸钙（CaCO3），水中的二氧化碳（CO2）对土颗粒有很强的胶结作用。处理后的土体为团聚状结构，如图3（a）所示。在胶凝作用下，土体中较小的颗粒胶结起来形成大的颗粒，所以形成团聚体呈浑圆形。

当添加剂为粉煤灰时，含水率降低的幅度介于水泥和生石灰之间，但剪切强度增加最少。粉煤灰是由大量富含活性氧化铝和氧化硅的玻璃体组成，在酸、碱作用下能形成胶状物。气消耗水量低于水泥，高于生石灰；但由于其他非活性物质较多，所以强度提升幅度最小，增至17Kpa。

可以看出，水泥的处理效果较好，但成本很高；粉煤灰处理效果较差，但成本较低。因此，为了在降低成本的基础上提高强度加固效果，可以采用两种添加剂混合添加。

2．优化理论分析

在两种添加剂混合添加过程中，两种添加剂的配比选择至关重要。理想的最佳配比是既能使土体有效减低成本和工期又可以增加土体强度至施工强度。基于模糊优化理论，对优化方案进行分析。由于强度与工期存在相关性，所以只考虑强度因素，不考虑工期因素。

含水率（%）

假设1t淤泥需要进行处理，则需要0.13t添加剂。生石灰、水泥和粉煤灰添加量分别人x1t，x2t和x3t。假定各种添加剂的加固效果呈线性，则每0.01t添加剂加固1t土体的效果可以根据单一添加剂试验确定。结合现阶段添加剂各市场价格，其数学模型参数见表3。有两个工程目标：强度目标和经济目标。强度目标分为含水率目标和短期强度目标，其

评价因素的权重依次为0.1，0.9。经济目标只有成本。依据对工程的强度和成本的重视，两个工程目标的权重为0.6，0.4。

表3 各添加剂的数学模型参数

含水率变化

（%）

0.01t生石灰 0.01t水泥 0.01t粉煤灰

-2.592 -3.049 -3.145

量（kpa） 1.73 2.60 1.19

（元） 3.8元 4.8元 1.6元

短期强度增

成本

时间（h）

（a）

抗剪强度（kPa）

根据两种添加剂不同方案，满足约束条件下，使目标函

时间（h）

数达到最优。其中由于掺量13%根据经验确定，此界限是模糊的，可表达为：

T

FindX x1,x2,x3

（b）

图2 不同添加剂对含水率和抗剪强度的影响（a）

对含水率的影响（b）对抗剪强度影响

当采用水泥作为添加剂时，土体的含水率降低最多，低

minf1 x 380x1 480x2 160x3 

            （1）

minf2 x 2.592x1 3.049x2 3.145x3

266 中 国 水 运 第12卷  

minf3 x 1.73x1 2.61x2 1.19x3

为了简便地体现各指标的影响程度，对试验结果进行指标优属度处理。从图5可以看出，单独掺入13%的水泥不仅强度指标最高，但成本指标也最高。单独掺入13%的粉煤灰，强度指标最低，相应的成本也较少。在混合添加剂方案中，掺入生石灰4%、粉煤灰9%这一方案成本指标最小；掺入水泥6%、粉煤灰7%这一方案强度指标最大。工程中需要选择既降低成本又高于施工强度的方案，可以看出方案（4%水泥、9%粉煤灰）为最优方案。此种方案不仅可以满足强度需要，又可以节省约45%的成本（相对于13%的水泥）。值得注意的是，方案（生石灰6%、粉煤灰7%）也可近乎拟为最佳方案。主要由于其成本稍大，可以作为备用方案，这一结论与理论分析结论一致。

四、结论

通过室内含水率和强度试验，并结合多目标规划模糊化理论模型，对不同添加剂掺量的混合土进行分析和最优化筛选，以满足强度和成本指标。根据上述分析，主要结论如下：

（1）在单一添加剂条件下，水泥的处理效果较好，但成本很高；粉煤灰处理效果较差，但成本较低。

（2）采用多目标规划模糊化模型来反映混合添加剂的效果比较理想，偏差较小。产生偏差的原因主要是添加剂的互相影响。

（3）两种添加剂混合时，理论分析和试验结论一致。当掺入4%的水泥和9%的粉煤灰为最优方案。此方案有效地降低约45%成本（相对于13%的水泥），且强度增长率达到321%（相对于未处理土体）。

参考文献

[1] 朱伟，张春雷，刘汉龙等.疏浚泥处理再生资源技术的现

状[J].环境科学与技术，2002，25（4）：39-41. [2] 陈萍，张振营，李小山等.废弃淤泥作为再生资源的固化

技术与工程应用研究[J].浙江水利科技，2006，148（6）：1-3.

[3] 杨永荻，汤怡新.疏浚土的固化处理技术[J].水运工程，

2001，34（4）：12－15.

s.tg1 xi 0.13 i 1,2,3

xi 0 i 1,2,3

鉴于有限化处理，假设每种添加剂的掺量为整数，则任意两种添加剂添加情况有39种，对此39种方案进行研究。根据多目标规划模糊化原理[9]，对含水率、短期强度和成本进行优化与筛选。

首先确定其强度目标的指标优属度矩阵为

0.89x1 1.0x2 0.7x30.89x1 1.0x2 0.7x3 （2） 1 11j 1

max min21.841.73x1 2.61x2 1.19x31.73x1 2.61x2 1.19x3 （3） 1R2j

max min49.4

。已知B (0.352,0.447)W (0.9,0.1)，取p=1，得强度下的11

根据优属度矩阵计算得

，1G (0.648,0.553)

目标优属度。

由于经济目标只有一个控制函数，则将强度目标优属度和成本优属度进一步优化，优化步骤相同。最后计算结果可以看出：水泥4%和粉煤灰9%这一配比的目标优属度最大，

U 0.281。 222

3．试验结果分析

为了进一步验证多目标规划模糊化理论计算的最优方案，采用方案3、4、5、6对理论结果进行验证。从图4可以看出，理论预测值和试验值集中分布在角平分线上，这也暗示了理论预测的合理性。从在角平分线以下的分布点可以看出，在一些添加剂配比方案中，理论预测高估了实际强度值，说明理论预测的各添加剂互不影响存在一定不合理。本文不对添加剂的互相影响作进一步分析。

试验强度指标（kPa）

理论强度指标（kPa）

[4] 杨云芳，陈萍，施萍萍.化学固化对颗粒粒径及含水率影

响的试验研究[J].浙江理工大学学报，2008，25（1）：38-40.

[5] 刘娉惠，王清，石丙飞等.快速加固吹填你将的试验研究

和分析[J].岩土力学，2005，26（12）：2023-2026. [6] 谢海澜，王清，李萍等.生石灰和水泥混合处理吹填土的

试验研究[J].工程地质学报，2003，11（1）：49-53. [7] 张晴波，郑世华.非饱和土抗剪强度的主要影响因素[J].

河海大学学报，2011，39（Supplement 1）：115-120. [8] 中华人民共和国水利部.GB/T50123-1999 土工试验方法

图4 理论强度和试验强度的比较

指标优属度

原状土

生石灰13%

水泥粉煤灰粉煤灰7%水泥6%粉煤灰9%水泥4%

粉煤灰9%粉煤灰7%13%13%

标准[S].北京：中国计划出版社，1999.

[9] 陈守煜，赵瑛琪.多目标规划模糊优化原理与模型[J].水利

学报，1990，12：37-43.

方案

图5 不同方案的强度和费用指标