粉煤灰和炉渣改性太湖疏浚淤泥抗剪强度特性研究

1摘要疏浚淤泥是一种很有利用价值的潜在资源，目前太湖流域水污染严重，淤泥固化改良处理技术可以同时解决太湖疏浚大量产生的废弃疏浚淤泥的处理问题和淤泥土堆积造成的环境污染问题，解决工程建设用土的问题。本论文通过对太湖淤泥的基本物理力学性质的测定，得出淤泥的含水率高、有机质和重金属含量过高，致使淤泥的强度远达不到填埋及土工要求，而且直接抛弃必然会对周围环境造成二次污染；通过对淤泥化学固化的研究，以固结试验、直剪试验等为技术手段，确定固化材料剂对淤泥的物理力学性质改变，以粉煤灰、矿渣和水泥为固化材料，按照控制变量方法设计配合比，进行了淤泥的固化试验。通过测试固化淤泥的含水率、最大干密度和抗剪强度，研究了淤泥固化后其含水率、最大干密度和抗剪强度的变化，探讨了粉煤灰和矿渣对改性淤泥固化效果的影响。结果发现，粉煤灰和矿渣是最有利于淤泥内部自由水和吸附水的减少，其抗剪强度得到了提高。从而大大提高了粉煤灰和矿渣的利用率。关键词：淤泥；固化；物理力学性质；粉煤灰；矿渣AbstractDredgedsiltisaveryvaluableresourcepotentialinTaihubasin,thewaterpollutionisserious,siltsolidificationandimprovedprocessingtechnologycansimultaneouslysolveTaihudredgelargeamountofdredgedmudtreatmentproblemsandsiltaccumulationcausedenvironmentalpollutionproblems,solvetheproblemofsoilengineeringconstruction.ThepresentpaperthroughtothemudofTaihubasicphysicalandmechanicalpropertiesofthehighmoisturecontentofthesilt,draw,heavymetalsandorganicmattercontentistoohigh,resultinginsiltstrengthfarfromlandfillandsoilrequirements,butalsodirectlydiscardedisboundtothesurroundingenvironmentcausedbysiltpollutiontwo;chemicalstudyoncuring,toconsolidationtest,directsheartestandothertechniques,todeterminethesolidifiedmaterialagentonphysicalandmechanicalpropertiesofsiltchange,flyash,slagandcementasthesolidificationmaterial,accordingtothecontrollingvariablemethodfordesignofmixtureratio,themudsolidificationexperiment.Throughthetestofsolidifiedsiltwatercontent,themaximumdrydensityandtheshearstrengthofsilt,thewatercontent,themaximumdrydensityandshearstrengthchanges,discussedwithflyashandslagonmodifiedsiltsolidificationeffect.Itwasfound,flyashandslagismostbeneficialtothesiltinthewaterreduced,itsshearstrengthisimproved.Thusgreatlyimprovingtheutilizationrateofflyashandslag.Keywords:silt;curing;physicalandmechanicalpropertiesofslag;flyash;3第1章绪论1.1研究背景太湖面积2338km2，是我国第三大淡水湖泊，平均水深1.95m，属典型的平原浅水湖泊，具有防洪、供水、养殖、旅游和生态等综合功能。上世纪80年代以来，由于流域经济高速发展与水环境保护工作相对滞后的矛盾，太湖水质污染与湖泊富营养化问题日益突出。至今太湖底泥总蓄积量为19.12亿m3，其中淤泥量16.79亿m3，占88%，流泥量2.33亿m3，占12％。湖区有底泥区面积为1546.8km2，占66％，梅梁湖、竺山湖及湖区西南部淤积较重湖内存在三条明显的底泥蓄积带。在国家“三河三湖”重点水污染治理项目中淤泥堆积问题也已逐渐凸显出来，改性处理太湖淤泥堆积问题，不仅能够改善太湖水域质量，还能充分利用淤泥变废为宝。我国许多江河湖泊流域的水土流失严重,虽经多年的治理,但水土流失没有得到根本的控制,仍有大量的泥沙流入江河湖泊,造成河网湖泊淤积严重，太湖流域的湖泊河流也不例外。近年来随着社会经济的持续发展，流域内工农业的引水量持续增长，污水排放量也持续增长，污水处理和防治没有及时跟上，造成可用水量逐年减少，河道萎缩严重，防洪压力和供水压力增大。因此在太湖流域采取了“引江济太”工程措施外，还借助大量的疏浚措施，以减轻防洪和供水的压力。疏浚作为江河湖泊综合治理的一项重要工程措施，在治太骨干工程建设中也发挥了重要作用。如望虞河、太浦河、拦路港、杭嘉湖南排工程得到了广泛应用，在这些工程中共疏浚土方10370万m3，然而疏浚的土方具有多重性，一方面变害为宝，另一方面若处理不当，影响生态环境，在治太工程中为拓宽浚深河道仅解决了疏浚土方的堆放等问题，对疏浚土方中含有的污染物二次污染、对疏浚土资源的再次利用缺少深层次的研究和综合规划。因此，将变成垃圾的疏浚淤泥处理成良好的土工材料，对社会的可持续发展具有重大的意义。1.1.1淤泥产生的原因及危害湖泊底泥是太湖水生态系统的重要组成部分和湖泊营养物质循环的中心，也是水土界面物质（物理的、化学的、生物的）积极交替带。湖泊底泥不仅可以间接地反映湖泊水体的污染情况，湖泊水动力、泥沙及营养物沉积动力学状况，而且由于底泥在外部水动力因子作用下向上覆水体释放营养成分，对湖泊水质和富营养化过程予以影响和制约。湖泊底泥既是湖体水土界面各类物质的特殊缓冲载体，也是各类营养物质的聚集库，这也是太湖这一浅水型湖泊生态系统的个性特征之一。各种来源的营养物质，在湖泊中经一系列物理、化学及生化作用，沉积于湖底，形成较低密度、高含水率、富含有机质和各类营养物质的淤积物，形成太湖富营养化成因的内负荷，或称内源污染。由于太湖是一宽浅型的湖体，底泥造成的二次污染是不可忽视的重要污染源。据有关资料分析，即使将外部入湖污染全部控制，仅湖内底泥释放和动力作用下的再悬浮、溶出，也可能造成湖水富营养化和藻类的发生、发展。以减少内源污染负荷为目的的湖泊底泥生态疏浚，被认为是控制湖泊内源污染效果明显的工程技术措施之一。随着经济发展和全球经济化进程的发展加快，每年在城市建设、水利工程、海洋工程中，每年都会产生大量的疏浚淤泥。它是一种高含水率、强度低，且含有害物质的污染物。为了保证河道正常的通行能力、改善湖泊河道的水质问题、拓展城市的景观工程，政府常常对一些河道湖泊进行疏浚与清淤工作，由此产生了大量的废弃土方。例如西湖大规模底泥疏浚工程，将产生260万m3的河底淤泥，南运河苏州段的疏浚工作预计疏浚土方量达928万m3，无锡地区对于太湖及其周边湖泊的清淤工作也将产生大量的淤泥。这些仅仅是冰山一角，随着经济、海上运输事业的快速发展，大量港口的建设与维护工作不断的进行，也会产生大量的疏浚淤泥。1.1.2淤泥处理的现状为了改善湖的水质，保证河道正常的泄洪能力和航道、港口的通畅，包括我国在内的世界各国都在开展大规模的疏浚和清淤工程。据统计，仅我国的珠江三角洲地带每年产生的疏浚淤泥量就达到8000万m3，而我国每年抛入海洋的淤泥量接近2亿m3，未来十年水利、海洋工程中将仍会产生大量的疏浚淤泥已经成为难以回避的事实。疏浚工程中产生的淤泥通常采用堆放或抛弃的方法，一方面不仅占用大量的土地，造成大量的土地资源浪费，且将其抛到外海，会严重影响海洋资源的有效利用，对海洋环境将产生不可弥补的破坏；另一方面，由于疏浚淤泥大多数含有重金属、有机质等污染物，必然会对周边环境造成二次污染。目前，疏浚淤泥的废弃对环境的影响越来越引起各方面的重视，已经成为我国大江大河治理和海洋工程发展的制约性因素。为了有效处理和利用淤泥，不少发达国家以商业化方式对淤泥进行了综合开发利用。如：英国、荷兰、澳大利亚、法国等国家，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，其热值比普通燃料高出30％，而且燃烧过程中不会排放出有害气体；德国目前已有五家淤泥收集、处理工厂，每年处理淤泥30万吨；在日本，淤泥已经被用来生产各类建筑材料，以淤泥为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，已经成为国际市场的畅销货。然而在我国，由于经费和技术上的原因，目前淤泥尚无稳定和合理的出路，主要以农肥的形式用于农业。对5疏浚淤泥进行固化与资源化处理，不仅有利于疏浚河道湖泊等、防止水质富营养化和净化城市环境，而且对淤泥综合开发利用，化害为利，在国内形成一个极有发展前途的新兴产业，具有重要的作用。1.2现有研究成果淤泥的可利用化是指运用物理或者化学方法，改变淤泥的性质，使得改性后的淤泥能作为土木工程的建筑材料，土地开挖填方材料、堤岸、码头的填方材料进行使用。这就必然的减少了传统材料的使用，随着技术的进步，制度的完善可见改性淤泥的使用前景是美好的。在提倡可持续使用的当今，资源变的极其的珍贵，现有的资源不足以满足人类以后的使用，只有不断的创新，变废为宝，才能获得最大的经济利益，也能相应的节省资源，保护现有的环境。对于我国来说，这个新兴的行业极其的富有发展前景。1.2.1国内外淤泥处理方法淤泥是黏土矿物等细小颗粒在粒子间静力和分子引力的作用下，在海洋或湖泊区等缓慢的流水环境中发生沉积所形成的絮状和蜂窝状结构沉积物。目前国内外淤泥固化处理技术主要包括物理脱水固结、高温溶解烧结和化学固化三类[1]。（1）物理脱水固结物理脱水固结是指通过采用晾晒、机械脱水、袋充脱水的办法去掉淤泥中多余的自由水。当产生的淤泥量较少而且有场地进行摊铺晾晒时，可以采用晾晒的方法，通过晾晒蒸发去掉淤泥中多余的水分后，即可用作填土材料进行使用。但这种方法只适用于少量淤泥的处理，而且要有足够的场地，同时受天气的影响也很大[2]。机械脱水的方法是使用脱水机械将淤泥中多余的水分除去，脱水后易于运输和使用。但是由于疏浚工程产生的淤泥量巨大，普通脱水设备的价格较高，加之脱水效率较低，难以满足大型疏浚工程要求，而且淤泥经脱水后其含水率仍接近液限水平，还需要进行二次处理才能满足工程用土要求。在各种筑堤、填海、堤岸加固工程中，对于含沙量较高的淤泥，也有很多采用高压袋充固结排水的方法进行资源化利用。如在永定新河建闸的围堰工程中,由于外运土料距离远、成本高，就采用土工织物袋高压充填的方法建堰。袋充方法具有施工速度快、造价低、就地取材的特点,但只适用于含沙量较大的淤泥，对于粉粒、黏粒含量较高的淤泥该法难以达到预期的效果。（2）高温溶解烧结高温溶解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，或无机物发生溶解，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[3]。淤泥通过烧结处理可以制成建材，也是一种经济有效的资源化方法，其主要用途有制轻质陶粒、熔融微晶玻璃、生产水泥、制砖等。轻质陶粒一般可作路基材料、混凝土骨料或花卉的覆盖料，但由于成本和商品流通上的问题，还没有得到广泛应用。日本研制成功的淤泥微晶玻璃，是建筑物优良的装