湖底淤泥固化土的环境耐久性研究

为了评价淤泥固化土的环境耐久性,采用矿渣体系的碱激发胶凝材料(矿渣粉、偏高岭土、石灰和水玻璃)和普通硅酸盐水泥为固化剂,通过开展无侧限抗压、冻融循环、Na2SO4及NaCl浸泡侵蚀、扫描电镜和EDS-Mapping试验,分析了侵蚀环境下固化淤泥土的典型水化产物、强度演变规律、质量损失率和微观结构特征,结果表明,碱激发固化淤泥内部生成的水化硅铝酸钠凝胶(N-A-S-H)能有效提高强度,但是冻融循环和浸泡侵蚀均会导致固化土强度劣化;水泥固化淤泥受硫酸盐侵蚀后,钙矾石会呈现簇状发展而产生膨胀开裂,导致强度下降;碱激发固化剂的抗氯离子能力优于硫酸根离子,综合环境耐久性优于普通硅酸盐水泥。     

活性MgO−粉煤灰固化淤泥耐久性研究

将绿色环保活性MgO?粉煤灰材料引入淤泥固化,采用系列室内模拟试验,深入研究冻融、浸水和干湿等复杂气候环境下活性MgO?粉煤灰固化淤泥试样的外观形貌和强度特征,明确外界环境干扰诱使固化淤泥性能演化的内在规律。结果表明：活性MgO?粉煤灰固化淤泥具有良好的抗冻融、抗干湿及水稳性,且活性MgO?粉煤灰掺量及MgO/粉煤灰配比提高可进一步改善活性MgO?粉煤灰固化淤泥试样的耐久性能。冻融、浸水和干湿等复杂环境显著劣化固化淤泥抗压强度,其强度水平均低于同龄期标准养护试样。固化淤泥试样无侧限抗压强度随冻融循环次数增加而逐渐降低,随浸水时间增加先降低后趋于稳定,随干湿循环次数增加呈降低的趋势。基于所得试验结果,提出了活性MgO?粉煤灰固化淤泥耐久性演变的内在微观机制模型。     

淤泥固化处理中有机物成分的影响

针对有机质对疏浚淤泥固化处理效果产生的影响,研究有机质的主要成分腐殖酸对水泥固化的影响。研究表明,腐殖酸对水泥的水化具有抑制作用,腐殖酸含量对淤泥固化土的无侧限抗压强度和破坏应变的影响存在一个极限含量（3.62 %）,超过这一极限含量,随腐殖酸含量的增加固化土的强度和破坏应变几乎不再变化。同时,研究结果表明,随着腐殖酸含量的增加,固化土塑性增强。     

有机质含量对淤泥固化效果影响的试验研究

淤泥固化技术是淤泥资源化利用的一个重要方法,而有机质对淤泥固化效果的影响是淤泥固化技术研究中的重要课题。在淤泥固化的试验研究中发现有机质含量对淤泥固化的效果有着显著影响。通过对不同有机物含量的固化试验揭示了该种影响的规律,发现淤泥中的有机质存在着一个极限含量4.3 %,当超过这一极限含量后,有机质量的增加不再对固化效果产生更大的影响。根据这一研究结果,提出了对于高有机质淤泥采用水泥-石膏进行固化的方法。     

石灰-红黏土互损行为与偏高岭土减损机制

红黏土成团现象突出,导致石灰处治红黏土时难以拌和均匀;同时,红黏土呈弱酸性,石灰与黏土会发生互损作用,最终影响处治效果。首先,从水分子与黏土矿物的电荷分布特征角度,解释了红黏土呈弱酸性的原因;然后,通过酸、碱溶液浸泡石灰处治红黏土,模拟石灰-红黏土的互损行为;最后,提出应用偏高岭土抑制"石灰-红黏土"互损的方法。为此,选择两种团粒尺寸的红黏土,掺入不同比例的偏高岭土和石灰,并评价其无侧限抗压强度。结果表明,与仅用石灰处治的红黏土相比,掺入偏高岭土过多或过少都不利于其强度提高,掺量为5%效果最佳,验证了偏高岭土抑制"石灰-红黏土"互损行为的可行性。偏高岭土与石灰快速反应,不仅生成了以离子键结合的硅、铝酸胶结物,还生成了以共价键结合的网状胶结物,而且后者具有明显的抗酸侵蚀能力,从而解释了偏高岭土能够减少石灰-红黏土互损的内在原因。     

基于碳化-固化技术的武汉东湖淤泥耐久性演变微观机制

引入活性MgO-粉煤灰固化材料,采用碳化-固化联合技术处理武汉东湖疏浚淤泥,通过无侧限抗压强度、X射线衍射、扫描电镜和压汞试验,研究持续浸水、干湿循环和冻融循环等复杂环境下碳化-固化淤泥力学性质和微观结构演变。结果表明:活性MgO-粉煤灰固化淤泥经碳化处理后具备更优异的水稳性,浸水破坏后碳化淤泥试样整体抗压强度高于固化试样,提升幅度约为29%;碳化试样强度随干湿循环次数增加呈缓慢增加趋势,而固化试样则表现为先上升后下降;随着冻融循环次数增加,碳化前后试样抗压强度变化一致,即快速达到峰值后缓慢减小至保持不变。微观分析表明:起骨架支撑作用的棱柱形碳酸镁石、起填充与黏结作用的花骨状和片状的水碳镁石和球碳镁石为主要碳化产物,骨架-填充-黏结协同作用使碳化试样强度高,水稳定性好,抗干湿冻融能力强;持续浸水促使球碳镁石和水碳镁石向碳酸镁石转化,大孔隙增多;干湿循环促使碳酸镁石向球碳镁石和水碳镁石转化;冻融作用下试样碳化产物之间无明显转化。     

石灰-偏高岭土改良遗址土强度劣化特性的冻融循环效应

中原地区处于季冻区,周期性冻结与融化对遗址土体结构有显著影响。为探究石灰偏高岭土(L-MK)在抗冻融循环方面替代天然水硬性石灰(NHL)用于土遗址修复工作的可行性,以石灰、偏高岭土和遗址土为主要原料,对经历不同冻融循环次数的L-MK改良土试样分别进行质量损失测试、无侧限抗压强度试验和劈裂抗拉强度试验,系统研究其强度特性的冻融循环效应;并取部分试样进行X射线衍射(XRD)、热重(TG)、电镜扫描(SEM)等微观试验,揭示L-MK改良土强度劣化规律的内在机制。结果表明：试验配合比下,L-MK改良土的抗冻性能优于NHL改良土,偏高岭土掺量的增加有助于提高L-MK改良土强度;随着冻融循环次数的增加,L-MK改良土应力-应变曲线的应变软化特征呈减弱趋势,无侧限抗压强度和劈裂抗拉强度单调衰减,但经历30次冻融循环后L-MK改良土无侧限抗压强度和劈裂抗拉强度分别高于NHL改良土3.79倍和1.16倍以上。这与L-MK及NHL改良土生成的水化产物(CSH和C₄AH₁₃等)受冻融循环的影响规律基本一致。     

固化有机质淤泥试验研究

淤泥固化技术是淤泥资源化的一个重要方法。当采用水泥基材料对有机质淤泥固化处理时,淤泥中的有机质严重影响了淤泥固化的效果。对此,笔者进行了固化有机质淤泥的试验研究,在分析有机质对淤泥固化效果影响机理的基础上,掺加不同外加剂改善有机质淤泥的固化效果,试验结果发现,碱性剂的加入会导致有机质的溶解,削弱淤泥的固化效果,粉煤灰的加入削弱了有机质对水泥水化的阻碍作用,有效提高了固化体的强度,采用水泥一粉煤灰一硫酸钠复合固化材料大幅度提高了固化淤泥的短期强度和长期强度,粉煤灰的加入提供了大量的钙离子,其掺量越大,固化淤泥无侧限强度后期增长率越大。     

碱溶液预降解淤泥有机质的效果与机制讨论

淤泥富含大量有机质,受微生物作用,有机质会逐步分解出腐殖酸;同时,腐殖酸又会影响有机质降解,进而影响淤泥固化效果。为此,通过维持恒定的碱性缓冲溶液环境（pH=9.0）,将淤泥浸泡其中,观测其有机质含量的变化过程。结果表明,碱性缓冲溶液既能加快有机质分解,也能消耗腐殖酸,使溶液保持为碱性状态;当有机质分解完成,腐殖酸也释放结束,降解过程大约持续28 d。通过掺入水泥和石灰固化淤泥,发现含有机质的固化淤泥,其强度随养护时间会先增长后衰减,但预降解有机质的固化淤泥强度不会衰减。由此说明,通过碱性缓冲溶液预降解淤泥有机质,可以提升固化土耐久性。     

水泥复合偏高岭土稳定粉砂土力学特性试验研究

使用低成本高硅铝矿物掺合料可在提升水泥土工程性能的同时降低水泥用量。通过开展系列抗压强度试验研究了水泥偏高岭土掺比、水/水泥偏高岭土比、凝胶总掺量和养护龄期对水泥复合偏高岭土稳定粉砂土抗压强度的影响规律,归纳了水泥复合偏高岭土稳定粉砂土的强度经验公式。结果表明：将水泥和偏高岭土按质量比5:1混合用于粉砂土稳定时可获得最佳强度提升,节约1/6水泥消耗,且该掺比关系不因凝胶总掺量变化而改变;水泥复合偏高岭土稳定粉砂土抗压强度随水/水泥偏高岭土比增加近似线性降低,随凝胶总掺量增加线性提升,随龄期发展而提高,其28天强度增加趋势仍未趋缓;总结归纳了四个关于强度影响因素的经验预测公式。该研究成果可为水泥偏高岭土用于复合稳定工程软弱土提供理论参考。     

干湿循环条件下固化污泥的物理稳定性研究

针对采用水泥和膨润土为固化材料处理的污水厂污泥为研究对象,采用干湿循环试验测量了在水分强烈变化下固化体的质量、体积、含水率及强度等参数的变化情况,进而评价固化污泥的干湿耐久性。结果表明,水泥的掺入是提高固化体干湿耐久性的主要因素,但要达到一定的掺入量才能发挥作用。膨润土对固化体的干湿耐久性影响呈现两面性,适当地掺入膨润土有利于干湿耐久性的形成,而过多地掺入膨润土反而不利于干湿耐久性的形成。在水泥掺入质量比小于或等于0.4时,干湿循环后固化体相对控制样强度明显提高,但体积显著减小,而水泥掺入质量比大于0.4时,干湿循环后固化体相对控制样强度有所下降而体积基本不变。     

生物化学作用对污泥固化体渗透性的影响

通过固化技术降低污泥的透水性,可以减少二次污染的风险,但是外界生物化学条件的改变会引起污泥固化体渗透性的变化。针对这个问题,采用强化污泥固化体所处的生物化学条件的方法,进行了不同酸性渗透液以及微生物激活环境下固化体渗透性的试验。试验结果表明,提高污泥固化水平可以显著降低污泥的渗透性,但是酸性环境下固化体的透水性将增加;污泥固化体渗透性的改变,不仅取决于酸性渗透液总的渗透量,也受酸的强度的控制;微生物的活动能够明显降低污泥固化体的透水性。     

固化污泥的工程性质及微观结构特征

通过室内试验,向污泥中添加不同比例的石灰、土和粉煤灰,研究了不同配合比下固化污泥的工程性质。研究发现,采用适当的配合比情况下,固化污泥的强度可以满足填埋的要求,渗透性也有很大提高;采用冷冻干燥技术和扫描电镜研究了固化污泥的微观结构,发现固化后污泥的密实性有较大的提高,这是其强度提高的一个重要原因;应用分形几何的理论,对由扫描电镜获取的固化污泥微观结构图像进行了定量分析,结果表明,分形维数和强度之间有较强的正相关性。     

处置库污泥工程特性测试研究

对某填埋场污泥库中取样的污泥进行了岩土工程特性测试,包括有机质含量、含水率、界限含水率、颗粒级配、渗透系数、压缩固结特性及抗剪强度等。试验结果表明,与常规淤泥相比,污泥库中经一段时间降解后污泥有机质含量及含水率较高,平均值分别为45%和520%;污泥在历时2 a的生物降解作用下,污泥含水率、有机质含量沿深度呈较为明显的减少趋势;污泥具有极高的压缩性,压缩系数a100-200高达7 MPa-1;污泥的固结表现为非线性大变形特性,其固结系数在10-5～10-6 cm2/s,比淤泥低1～2个数量级,固结系数随压力的增加而显著减少;污泥的抗剪强度参数较小,其黏聚力为0,内摩擦角为14.7°。有机质含量高是污泥高含水率、高液塑性指数、高压缩性,低渗透性、低固结系数及低抗剪强度的本质原因。以上成果可为污泥库的固化处置、稳定分析等提供必要的参数。     

湖泊底泥改性固化的强度特性和微观结构

将灰渣胶凝材料作为改性剂应用于湖泊环境疏浚底泥的固化处理,研究了改性淤泥的强度特性,探讨灰渣胶凝材料对淤泥的改性机理。改性淤泥的抗压强度试验结果表明,当灰渣胶凝材料质量掺入比为5 %时,能够显著提高改性淤泥的各个龄期强度;当掺入质量比为12.5 %时,28天强度可以达到1.55 MPa。改性淤泥的早期强度较高,后期强度能持续增长,同时具有良好的耐水浸泡性能。SEM分析表明,灰渣胶凝材料能与底泥颗粒中的活性物质发生火山灰反应,形成高强难溶的胶结物,使改性淤泥中大孔隙数量减少,改善了淤泥土颗粒之间的胶结性能。这说明灰渣胶凝材料是一种性能优异的底泥改性材料。