陳萌 楊國錄 徐峰 魏紅艷

摘要：淤泥固化處理是淤泥資源化利用的有效方式之一。主要從淤泥固結(jié)體的物理特性、力學特性、淤泥固化機理研究方法和成果等方面，總結(jié)了淤泥固化處理的研究進展。主要綜述了固化處理對淤泥液限、塑限、塑性指數(shù)、密度、容重、粒徑、含水率和流動性等物理特性的影響以及含水率、黏粒含量、礦物組成、有機物、固化劑種類和含量、養(yǎng)護齡期、養(yǎng)護環(huán)境等因素對淤泥固結(jié)體力學特性的影響；然后，基于孔隙液化學性質(zhì)分析法、微觀結(jié)構(gòu)分析法、水分轉(zhuǎn)化法和電阻率法等方法，綜述了淤泥固化的機理；最后，根據(jù)目前淤泥固化存在的問題，指明了淤泥固化處理未來的研究方向：（1）淤泥脫水-固化-穩(wěn)定化一體化研究；（2）淤泥固化機理的定量研究；（3）淤泥固結(jié)體耐久性方面以及大規(guī)模應(yīng)用等方面研究。

關(guān)鍵詞：淤泥；固化；物理特性；力學特性；固化機理

中圖分類號：TV851 文獻標志碼：A 文章編號：

16721683（2018）05012811

Research progress on solidification treatment of dredged silt

CHEN Meng1，YANG Guolu2，XU Feng1，WEI Hongyan3

（

1.Hubei Provincial Water Resources and Hydropower Planning Survey and Design Institute，

Wuhan 430064，China；2.State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science，Wuhan University，Wuhan 430072，China；3.Department of Hydraulics，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Abstract：

Solidification treatment of dredged silt is one of the effective methods to utilize the silt resource.This paper summarizes the research progress of solidification treatment of dredged silt in terms of the physical and mechanical properties of solidified silt and the methods and results of studies on silt solidification mechanism.It mainly reviews the influence of solidification on the physical properties of silt，such as liquid limit，plastic limit，plasticity index，density，unit weight，particle size，water content，and fluidity，as well as the influence of water content，clay content，mineral composition，organic matter，type and content of solidified agent，curing age，and curing environment on the mechanical properties of solidified silt.Then，it reviews the solidification mechanism based on the methods of chemical property analysis of pore water，microstructural analysis，water transfer method，and resistivity method.At last，in light of the current problems facing silt solidification，it points out the research directions for the future，including （1） integration of dehydration，solidification，and stabilization，（2） quantitative research on solidification mechanism，and （3） study of durability of solidified silt and largescale application in practical engineering.

Key words：

silt；solidification；physical properties；mechanical properties；solidification mechanism

近年來我國水環(huán)境問題突出，江河湖泊水質(zhì)惡化，污染嚴重。與此同時，水體中的污染物不斷在底泥中累積，并在一定條件下重新釋放到上覆水體中，底泥在一定程度上充當了水體的內(nèi)源污染源。清淤疏浚是河道治理的常用方法之一，然而疏浚過程中不可避免產(chǎn)生大量淤泥。疏浚淤泥一般具有含水率高、壓縮性大、粒徑細、有機物含量高等特點，如果不能及時妥善的處理，不僅占用大量的土地資源，還會造成嚴重的二次污染。淤泥的資源化利用是疏浚淤泥處理與處置的最終出路。淤泥固化處理是淤泥資源化利用的有效方式之一，它是指向淤泥中加入一定量的固化材料，改善淤泥的理化性質(zhì)和力學性能，將其轉(zhuǎn)變成滿足一定承載力要求的土體，應(yīng)用到堤防工程、道路工程、填方工程和綠化工程中[13]。國內(nèi)外學者對淤泥固化展開了一系列研究，取得了許多成果。本文主要從淤泥固結(jié)體的物理特性、力學特性等方面介紹淤泥固化研究取得的進展，并綜述目前淤泥固化機理的研究方法和相關(guān)成果。在此基礎(chǔ)上，提出淤泥固化處理今后的發(fā)展方向。

1 固結(jié)體的物理特性

與一般土體不同，疏浚淤泥含水率高，黏粒含量高，組成成分復雜，不僅包括礦物成分，還含有有機物、重金屬等成分。向淤泥中加入固化劑，改變淤泥固結(jié)體的物理性質(zhì)，使其向著有利于資源化利用的方向發(fā)展。

國內(nèi)外學者對淤泥固結(jié)體物理特性的研究主要集中在液限、塑限、塑性指數(shù)、密度、容重、粒徑、含水率和流動性等方面。付廣義[4]研究了水泥、石灰、高爐礦渣、脫硫石膏單摻對佛山市汾江河淤泥物理性質(zhì)的影響，結(jié)果表明隨著各固化劑摻量的增加，淤泥固結(jié)體的液限和塑性指數(shù)均呈下降趨勢，塑限均呈上升趨勢。楊海龍[5]考察了石灰和水泥對淤泥液限、塑限和塑性指數(shù)的影響，結(jié)果顯示在摻砂10%的情況下，淤泥固結(jié)體的液限和塑限均隨石灰摻量的增加而升高，塑性指數(shù)則隨石灰摻量的增加而下降；在摻砂10%、石灰6%、石膏05%的情況下，淤泥固結(jié)體的液限和塑限均隨水泥摻量的增加而升高，塑性指數(shù)則隨水泥摻量的增加而降低。以上兩位學者關(guān)于水泥和石灰對淤泥固結(jié)體塑限和塑性指數(shù)影響的觀點較為一致，而關(guān)于水泥和石灰對淤泥固結(jié)體液限影響的觀點有所不同。

一些學者研究了固化處理對淤泥固結(jié)體密度、容重和粒徑等物理性質(zhì)的影響。韓蘇建等[6]分析了淤泥固結(jié)體的密度隨水灰比和水泥摻量的變化，結(jié)果顯示淤泥固結(jié)體的密度隨水灰比的增大而降低，隨水泥摻量的增加而增大，但總體變化不明顯。Jongpradist等[7]探討了水泥和粉煤灰摻量對高含水率淤泥容重的影響，結(jié)果表明淤泥固化后的容重隨水泥和粉煤灰摻量的增多而增大。楊云芳等[8]研究了以生石灰、粉煤灰和水泥為組分的固化材料對淤泥固化后顆粒粒徑的影響，他指出經(jīng)三種材料固化后，黏粒含量均從原來的34%降低至1%以下，其中石灰對粒徑的增大效果最顯著。

淤泥含水率高，常大于液限，呈流動狀態(tài)，不僅不便于運輸，而且不利于后續(xù)的資源化利用。因此，一些學者研究了淤泥含水率與流動性之間的關(guān)系，以及固化處理對淤泥含水率和流動性的影響。Lee等[9]考察了美國帕斯卡古拉港淤泥的流動性，他發(fā)現(xiàn)淤泥的流動性與含水率近似呈線性關(guān)系，且含水率越低，流動性越差。丁建文等[10]對江蘇白馬湖疏浚淤泥的流動性進行研究后得出了相似的結(jié)論，他還指出淤泥的流動值隨固化材料（主要由水泥和工業(yè)廢渣組成）摻量的增加呈線性關(guān)系下降。張麗華等[11]則分析了粉煤灰的影響，得到含水率隨粉煤灰摻量的增加呈下降趨勢的結(jié)論。紀文棟等[12]研究了高吸水材料對天津市濱海新區(qū)河道淤泥流動性的影響，得到的結(jié)論與Lee、丁建文有不同之處。他認為淤泥的流動值和含水率成二次函數(shù)關(guān)系；同時，高吸水材料能迅速降低淤泥的流動性，攪拌持續(xù)時間和強度對淤泥流動性改善效果無明顯影響。

2 固結(jié)體的力學特性

影響淤泥固結(jié)體力學性能的主要因素有淤泥自身的性質(zhì)、外加固化材料和養(yǎng)護條件等。淤泥自身的性質(zhì)一般包括淤泥的含水率、黏粒含量、礦物組成、有機物含量和有機物種類；外加固化材料的影響主要與固化材料的種類、摻量以及配比有關(guān)；養(yǎng)護條件主要指養(yǎng)護齡期、養(yǎng)護溫度、壓力等環(huán)境條件。

2.1 含水率的影響

張春雷等[13]通過室內(nèi)試驗研究了初始含水率對水泥固化白馬湖淤泥效果的影響，結(jié)果表明淤泥固結(jié)體的無側(cè)限抗壓強度隨淤泥含水率的增加呈乘冪關(guān)系下降，且淤泥含水率越高，破壞應(yīng)變越大，黏聚力越低。王亮等[14]研究了含水率對重塑淤泥不排水強度的影響，得出不排水抗剪強度隨含水率與液限比值的增大而減小，在雙對數(shù)坐標中，兩者近似呈線性關(guān)系；當含水率與液限的比值相同時，不同種類的重塑淤泥不排水強度較為接近。黃英豪等[15]研究了初始含水率對水泥固化南水北調(diào)東線工程淮安白馬湖淤泥壓縮特性的影響，結(jié)果表明淤泥固結(jié)體的屈服應(yīng)力隨初始含水率的增加而降低。丁建文等[16]以水泥和專用固化材料SEU.P（主要成分是磷石膏）為固化劑研究了初始含水率對江蘇白馬湖淤泥壓縮特性的影響，得到與黃英豪學者相似的結(jié)論。關(guān)于含水率對淤泥固結(jié)體強度的影響，各學者的研究成果較為一致，即較高的含水率不利于淤泥固結(jié)體強度的發(fā)展。

2.2 黏粒含量的影響

淤泥中黏粒含量較多，一般來說，黏粒顆粒較細，比表面積較大，因此顆粒表面的物理化學作用更明顯，對淤泥的壓縮性、強度等方面也會有一定的影響。王春義等[17]研究發(fā)現(xiàn)土體中黏粒過多或過少均不利于水泥加固土強度的提升，即存在一個最佳黏粒含量使土體抗壓強度達到最大，且最佳黏粒含量隨齡期的延長呈下降趨勢。馮志超等[18]研究了黏粒含量對水泥固化淤泥無側(cè)限抗壓強度、凝聚力以及內(nèi)摩擦角等力學參數(shù)的影響，結(jié)果表明隨著黏粒含量的增加，淤泥固結(jié)體的無側(cè)限抗壓強度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，即存在一個最優(yōu)黏粒含量使淤泥的抗壓強度最大，且最優(yōu)黏粒含量隨水泥摻量的增加而增大，齡期對最優(yōu)黏粒含量基本沒有影響；同樣存在一個最優(yōu)黏粒含量使淤泥固結(jié)體的凝聚力最大；內(nèi)摩擦角則隨黏粒含量的增加而減小。

以上兩位學者關(guān)于存在最優(yōu)黏粒含量使淤泥抗壓強度達到最大的觀點是一致的，而最佳黏粒含量是否隨齡期變化則有不同的意見。結(jié)合兩位學者的研究成果可知，具有良好級配的淤泥更有利于固化劑發(fā)揮效果。

2.3 礦物組成的影響

淤泥的固相主要包括礦物、有機物、營養(yǎng)鹽和重金屬等物質(zhì)，其中礦物是構(gòu)成淤泥骨架的物質(zhì)，其按成因不同可分為原生礦物和次生礦物。常見的原生礦物有石英、長石等；常見的次生礦物主要是鋁硅酸鹽類礦物，包括高嶺石、伊利石和蒙脫石等[19]。研究表明固化劑對不同礦物組成的軟土加固效果不同。Croft等[20]研究了礦物成分對水泥固化土體效果的影響，結(jié)果表明石灰對以蒙脫石為主要礦物成分的土體加固效果較好，而水泥則對以高嶺石和伊利石為主要礦物的土體加固效果明顯。寧建國等[21]將高嶺石和鈉蒙脫石按一定比例配制成礦物成分不同的土樣，考察水泥摻量對土樣抗壓強度的影響，結(jié)果顯示鈉蒙脫石含量較高的土樣生成的水化產(chǎn)物量較少，強度較低。He等[22]研究了不同礦物經(jīng)水泥固化后的效果，具體表現(xiàn)為鈣蒙脫石經(jīng)水泥固化后抗壓強度最高，其次是伊利石，接著是高嶺石、鈉蒙脫石，強度最低的是海泡石。因此，淤泥固化時，可先分析其礦物組成，然后根據(jù)礦物成分有針對性的選擇適宜的固化劑。

2.4 有機物的影響

淤泥中的有機物含量較高。彭丹等[23]對云南滇池底泥118個樣品進行分析，得出滇池底泥中有機質(zhì)的含量為4%～9%。朱廣偉[24]對杭州西湖8個湖區(qū)底泥進行分析，得到西湖底泥有機質(zhì)含量為29%～205%。淤泥中的有機物一般包括腐殖質(zhì) 和非腐殖質(zhì)兩類，其中腐殖質(zhì)占有機質(zhì)總量的85%～95%左右。根據(jù)腐殖質(zhì)在酸堿中的溶解程度不同，可將其分為富里酸、胡敏酸和胡敏素三類，通常將前兩者統(tǒng)稱為腐殖酸[2526]。鑒于淤泥中有機物含量高且成分復雜，一些學者探討了有機物含量和種類對淤泥固化的影響。

范昭平等[27]將兩種有機質(zhì)含量差別較大、其它性質(zhì)差別很小的淤泥按質(zhì)量比調(diào)制成不同有機質(zhì)含量的淤泥，研究了其對水泥固化效果的影響，結(jié)果表明有機質(zhì)的存在不利于無側(cè)限抗壓強度的發(fā)展，而當有機質(zhì)含量超過臨界值43%后，對強度的影響較小。朱偉等[28]則進一步研究了有機質(zhì)中的主要組分腐殖質(zhì)對水泥固化淤泥的影響，結(jié)果表明腐殖酸在一定程度上抑制了水泥的水化，使固化土的無側(cè)限抗壓強度降低，而當腐殖酸含量超過臨界值362%后，腐殖酸對固化土的強度和破壞應(yīng)變影響較小。這一結(jié)論與范昭平學者相似。陳慧娥等[29]采用向土體中加入腐植酸鈉的方式來模擬有機物，并從抗剪強度和無側(cè)限抗壓強度兩方面著手考察了水泥對有機質(zhì)軟土的加固效果，結(jié)果表明有機質(zhì)的存在降低了土體的內(nèi)摩擦角，有機質(zhì)雖能在一定程度上提高黏聚力，但由于內(nèi)摩擦角對強度的貢獻較大，因此抗剪強度還是有所降低；此外，她也得出了有機質(zhì)對抗壓強度發(fā)展不利的結(jié)論，與范昭平、朱偉等學者的觀點一致。Tremblay等[30]研究了包括乙酸、苯甲酸、腐殖酸、丹寧酸、纖維素、淀粉、蔗糖、煤油、植物油、甲苯二甲苯混合物、EDTA、乙二醇、硝基苯在內(nèi)的十三種有機物對水泥固化加拿大魁北克城兩種土的影響，研究結(jié)果表明：乙酸、腐殖酸、丹寧酸等有機物嚴重影響了水化產(chǎn)物的生成，進而降低了試樣的不排水抗剪強度；一些有機物如油和碳氫化合物等對凝結(jié)時間有影響，但不會影響最終的抗剪強度；此外，煤油、甲苯二甲苯混合物能提高水泥固化圣阿爾邦土的不排水抗剪強度，但降低了三河鎮(zhèn)土的不排水抗剪強度。

以上國內(nèi)外學者研究了有機物對淤泥固化效果的影響，其中國內(nèi)學者主要研究的是腐殖質(zhì)、腐植酸鈉等有機物的影響，國外學者研究的有機物種類較廣，包括酸、糖和多糖、油和碳氫化合物以及EDTA、乙二醇、硝基苯等其它物質(zhì)。各學者研究有機物對淤泥固化的影響時，大多以水泥作為基材。從總體上來看，大多數(shù)有機物不利于水泥固化淤泥強度的發(fā)展。而其它材料作為主固化劑以及多種復合固化劑作用時，有機物對淤泥固化的影響則有待進一步研究。

25 固化劑種類及摻量的影響

淤泥固化劑按其成分可分為無機固化劑和有機固化劑；按固化劑添加的劑量來分，可分為主固化劑 和添加劑。目前淤泥固化時常以水泥、粉煤灰、石灰、石膏等無機固化劑為主要固化劑，并在此基礎(chǔ)上加入劑量較小的添加劑，其中添加劑可以選用無機材料，也可以選用高分子材料、納米材料等新型材料。

2.5.1 主固化劑

水泥作為一種主要的固化劑，廣泛應(yīng)用于淤泥的加固中。張春雷等[31]研究了水泥摻量對淤泥強度的影響，他指出存在臨界水泥摻量，當?shù)陀诖藫搅繒r，幾乎沒有效果，超過臨界值后，淤泥的強度隨水泥摻量的增加近似呈線性關(guān)系增大。徐桂平等[32]研究了水泥對淤泥力學性質(zhì)的影響，結(jié)果表明，隨著水泥摻量的增加，淤泥固結(jié)體的無側(cè)限抗壓強度和抗剪強度指標黏聚力、內(nèi)摩擦角均呈增大趨勢。

除水泥外，石灰、石膏也是較為常用的固化劑，邢偉等[33]通過試驗研究了石灰對淤泥抗壓強度和抗剪強度的影響，結(jié)果表明石灰能夠顯著增加淤泥的無側(cè)限抗壓強度和變形模量，減小破壞應(yīng)變，且石灰摻量為3%時效果最佳；同時，石灰可有效改善淤泥試樣的凝聚力，但對內(nèi)摩擦角的影響不大。Jauberthie等[34]考察了水泥、石灰單摻和水泥石灰雙摻對法國布列塔尼北岸河道淤泥的固化效果，結(jié)果表明水泥石灰雙摻更有利于淤泥強度的發(fā)展。丁建文等[35]研究了水泥和磷石膏雙摻對南水北調(diào)東線工程江蘇淮安白馬湖疏浚淤泥固化效果的影響，研究表明磷石膏對疏浚淤泥的增強效果顯著，并存在最佳摻量，最佳摻量隨淤泥初始含水率的增大而增大。

粉煤灰是火電廠的副產(chǎn)物，同時也是一種火山灰質(zhì)材料，其含有的活性二氧化硅、活性氧化鋁等成分能與氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)，生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等具有一定強度的產(chǎn)物，因此一些學者考慮用粉煤灰來固化淤泥。粉煤灰按氧化鈣含量可分為高鈣粉煤灰和低鈣粉煤灰，其中氧化鈣含量高于10%的粉煤灰為高鈣粉煤灰，氧化鈣含量低于10%為低鈣粉煤灰[36]。王東星等[37]、Zentara等[38]研究了低鈣粉煤灰在水泥、石灰作用下對法國敦刻爾克海港東部港區(qū)疏浚底泥的固化效果，表明低鈣粉煤灰與水泥、石灰一起能顯著改善淤泥的強度特性，固化淤泥的彈性模量、無側(cè)限抗壓強度和抗拉強度均有不同程度的增加。周紅波等[39]則探討了高鈣粉煤灰的固化效果，結(jié)果表明經(jīng)高鈣粉煤灰固化后，淤泥的無側(cè)限抗壓強度、壓縮性等方面均有明顯改善。

除上述傳統(tǒng)的固化材料外，王宏偉等[40]將低碳、環(huán)保的活性MgO引入到淤泥固化處理中，探討了其對固化淤泥壓縮性的影響，結(jié)果表明隨著MgO摻量的增加，固化淤泥的壓縮性和初始孔隙比呈減小趨勢，固結(jié)屈服應(yīng)力呈增大趨勢，活性MgO對固化淤泥的壓縮性有明顯的改良作用。

2.5.2 添加劑

以上研究主要集中在水泥、石灰、石膏和粉煤灰等摻量較多的主固化劑上，還有一些學者研究了在主固化劑的基礎(chǔ)上，摻量較小的添加劑對固化效果的影響。

程福周等[41]研究了以水泥為主固化劑，添加劑硅酸鈉對淤泥固結(jié)體強度的影響，結(jié)果表明，不同水泥摻量下，淤泥固結(jié)體的28 d強度均有明顯增加，最高可達無硅酸鈉時的36倍，可見硅酸鈉對淤泥固結(jié)體28 d強度有明顯的促進作用；同時，他還指出水泥摻量一定時，存在最佳硅酸鈉摻量，例如水泥摻量為12%時，硅酸鈉的最佳摻量為水泥的6%。葉觀寶等[42]研究了SNⅡ型高效減水劑、氫氧化鋁和氯化鈣三種添加劑對水泥固化淤泥質(zhì)粘土抗壓強度的影響，結(jié)果表明在水泥作用下，氫氧化鋁和氯化鈣對各個齡期階段固化淤泥的強度均有所改善，而SNⅡ型高效減水劑只對28 d強度有促進作用，7 d和90 d強度反而下降。金裕民等[43]研究了以水泥為主固化劑，三乙醇胺、硫酸鈉和氯化鈉等添加劑對溫州龍灣區(qū)某灘涂淤泥固化效果的影響，結(jié)果顯示各添加劑的摻量均存在臨界值（臨界值分別為005%、15%、09%），在臨界值內(nèi)，固化淤泥的強度隨外摻劑的增加而增加，超過該值后，隨外摻劑的增加而減小或變化不大。楊愛武等[44]研究了添加劑氫氧化鈉和碳酸鈉對水泥固化天津濱海新區(qū)海積軟土的效果，他指出堿性外加劑有助于提高水泥固化軟土的強度，且添加劑含量在05%～08%左右時效果最佳。陳萌等[45]以水泥和粉煤灰為主固化劑，研究了氫氧化鈉對東湖子湖官橋湖淤泥的固化效果，結(jié)果表明淤泥固結(jié)體的無側(cè)限抗壓強度隨氫氧化鈉摻量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，且氫氧化鈉摻量為04%時，對強度的促進作用最顯著。蒲凡[46]研究了在主固化劑水泥、生石灰、生石膏、硅酸鈉的基礎(chǔ)上，高效減水劑WLAIX、強氧化劑高錳酸鉀和強堿氫氧化鈉對浙江省椒江海涂淤泥強度的影響，結(jié)果表明減水劑WLAIX降低了淤泥固結(jié)體的強度；高錳酸鉀摻量為05%時的強度與不加高錳酸鉀的強度接近，摻量為10%時能促進強度的增長；氫氧化鈉能夠促進淤泥固結(jié)體強度的發(fā)展，且摻量為10%時對強度的促進作用比摻量05%時更顯著。為了進一步探究氫氧化鈉的效果，蒲凡[46]還研究了氫氧化鈉對水泥固化淤泥效果的影響，結(jié)果顯示氫氧化鈉摻量低于08%時，淤泥固結(jié)體各個齡期的強度與不摻氫氧化鈉時接近；氫氧化鈉摻量高于16%時，對淤泥固結(jié)體強度的促進作用更顯著；氫氧化鈉摻量為32%時，仍能促進強度的發(fā)展。

上述研究中，楊愛武學者認為存在氫氧化鈉的最佳摻量05%～08%，使固結(jié)體的強度最大；陳萌也認為存在一個氫氧化鈉的最佳摻量對強度的促進作用最顯著，最佳摻量為04%；而蒲凡學者的結(jié)果則顯示淤泥固結(jié)體的強度隨氫氧化鈉摻量的增加而增大，氫氧化鈉摻量32%時仍能促進強度的發(fā)展。楊愛武、陳萌與蒲凡學者關(guān)于氫氧化鈉對固化淤泥強度影響的觀點不同，筆者認為有兩方面原因，一方面可能與淤泥本身的性質(zhì)不同有關(guān)；另一方面，可能受主固化劑種類和摻量的影響。

除上述添加劑外，一些學者引入高分子材料、納米材料等新型材料來探究對淤泥固結(jié)體力學特性的影響。曹玉鵬等[47]在傳統(tǒng)水泥、生石灰固化的基礎(chǔ)上，引入高分子添加劑來改善淤泥的固化效果，結(jié)果表明，水泥摻量7%、生石灰摻量11%時，新型固化材料僅添加1‰，處理初始含水率2倍液限的高液限淤泥，早期強度可達到大于05 MPa，28 d強度可達到大于1 MPa。肖繼強等[48]以水泥作為主固化劑，研究了納米SiO2和納米Al2O3對湖州地區(qū)河湖疏浚淤泥固化效果的影響，結(jié)果表明納米SiO2能夠促進淤泥固結(jié)體7 d和14 d齡期無側(cè)限抗壓強度的發(fā)展；納米Al2O3對7 d齡期抗壓強度起促進作用，對14 d齡期抗壓強度的影響與Al2O3摻量有關(guān)，14 d齡期抗壓強度隨著納米Al2O3摻量的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。高術(shù)森[49]探討了以水泥為主固化劑，聚丙烯纖維摻量和長度對淤泥固結(jié)體性質(zhì)的影響，結(jié)果表明隨著聚丙烯纖維含量由0%增加至03%，淤泥的無側(cè)限抗壓強度顯著增大，而抗剪強度指標的黏聚力逐漸增大，內(nèi)摩擦角逐漸減小；隨著聚丙烯纖維長度從0 mm增加到12 mm，淤泥固結(jié)體的無側(cè)限抗壓強度逐漸增大。付廣義[4]研究了以水泥為主固化劑，三種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，三種聚合物對固化淤泥的強度均有明顯的促進作用，且固化后的淤泥表現(xiàn)出良好的持久性和耐酸性；三種聚合物中，PVA處理后的淤泥表現(xiàn)出更好的強度特性，而EVA處理后的試樣表現(xiàn)出更好的持久性和耐酸性。

2.6 養(yǎng)護齡期

一般來說，水化反應(yīng)和火山灰反應(yīng)需要較長時間才能完成，而且不同時間階段反應(yīng)程度不同，因此養(yǎng)護齡期對強度的發(fā)展也有一定的影響。朱偉等[50]研究了齡期對固化淤泥抗壓強度的影響，結(jié)果表明隨著齡期的延長，淤泥固結(jié)體的抗壓強度逐漸增大，但增長速率減慢。同時，抗壓強度隨齡期的變化規(guī)律與水泥摻量有關(guān)，當水泥摻量較低時，固結(jié)體的強度隨齡期的增長速率較??；水泥摻量較高時，固結(jié)體的強度隨齡期的增加呈現(xiàn)出較大的增長速率。丁建文等[51]用水泥和以磷石膏為主要成分的專用材料固化江蘇白馬湖淤泥，探討了齡期對固結(jié)體強度的影響，結(jié)果表明淤泥固結(jié)體的強度隨齡期的延長呈現(xiàn)先快后慢的對數(shù)增長規(guī)律。陸萍[52]研究了揚州某地淤泥在GX04固化劑（水泥18%、減水劑15%、水玻璃5%、石膏2%、石灰6%）的作用下，隨齡期的變化規(guī)律，結(jié)果顯示養(yǎng)護齡期在7～28 d時，固化強度隨齡期顯著增長，90 d后強度仍有增長的趨勢，但增長緩慢。從以上各學者的研究成果可以看出，在不同種類固化劑作用下，養(yǎng)護齡期對淤泥固結(jié)體強度影響的觀點較為一致。

2.7 養(yǎng)護環(huán)境

養(yǎng)護環(huán)境主要指淤泥固結(jié)體試樣養(yǎng)護時的溫度、壓力等環(huán)境條件。章榮軍等[53]研究了養(yǎng)護溫度對水泥固化疏浚海泥強度發(fā)展的影響，結(jié)果表明較高的養(yǎng)護溫度不僅能夠顯著提高早期強度，而且能較明顯地提高后期強度。鄭少輝等[54]研究了養(yǎng)護溫度對水泥固化海泥和武漢南湖淤泥強度的影響，結(jié)果顯示養(yǎng)護溫度對淤泥固結(jié)體強度的影響顯著。具體表現(xiàn)為：經(jīng)固化后，海泥的早期強度和晚期強度均隨養(yǎng)護溫度的升高而提高，這一成果和章榮軍學者的看法一致；然而，武漢南湖淤泥經(jīng)水泥固化后，早期強度在較高的養(yǎng)護溫度下有所下降，這一現(xiàn)象可能與南湖淤泥中含有較多的有機質(zhì)有關(guān)。此外，鄭少輝等[54]還研究了養(yǎng)護壓力對強度發(fā)展的影響，他指出淤泥固結(jié)體的強度隨養(yǎng)護壓力的增大明顯提高。實際中，應(yīng)結(jié)合淤泥自身的特性，選擇適宜的養(yǎng)護環(huán)境，以達到最優(yōu)的固化效果。

3 固化機理研究方法及成果

固化機理的研究方法主要有孔隙液化學性質(zhì)分析法、微觀結(jié)構(gòu)分析法、水分轉(zhuǎn)化法和電阻率法等。

3.1 孔隙液化學性質(zhì)分析法

固化劑的加入會影響淤泥孔隙液的性質(zhì)，因此可以通過孔隙液離子的成分和含量來分析淤泥固化的機理。曾科林[26]通過考察淤泥固結(jié)體孔隙液中Ca2+和OH-濃度來研究有機質(zhì)含量對淤泥固化影響的機理，結(jié)果顯示隨著有機質(zhì)含量的增加，pH值和孔隙液中OH-濃度均呈下降趨勢，Ca2+濃度則表現(xiàn)為先下降后趨于穩(wěn)定。有機質(zhì)含量對固化淤泥孔隙水溶液中Ca2+濃度、OH-濃度的影響規(guī)律與對強度和水化產(chǎn)物量的影響規(guī)律一致?？紫端芤褐蠧a2+濃度、OH-濃度與試樣無側(cè)限抗壓強度近似呈線性增長關(guān)系，且Ca2+濃度對強度的影響存在一個最小濃度值，孔隙水溶液中Ca2+濃度低于這一值時（1685 mmol/L），固化淤泥就沒有強度。馮志超[18]通過分析淤泥固結(jié)體孔隙水中Ca2+和OH-濃度的變化，來探究不同水泥摻量下、不同黏粒含量對淤泥固化影響的機理，結(jié)果表明水泥摻量為5%時，固化淤泥的無側(cè)限抗壓強度隨黏粒含量的增加而增加；水泥摻量為75%、10%、15%時，固化淤泥的強度隨黏粒含量的增加呈先增大后減小的趨勢。水泥摻量≤5%時，Ca2+濃度隨黏粒含量的增加呈先增加后減小的趨勢，OH-濃度隨黏粒含量的增加而減小；水泥摻量≥8%時，Ca2+濃度隨黏粒含量的增加而減小，各黏粒含量下OH-濃度保持在309 mmol/L左右。也就是說，不同黏粒含量下，水泥固化淤泥的強度與孔隙水中Ca2+和OH-濃度沒有明顯的相關(guān)關(guān)系，即黏粒含量主要不是通過影響Ca2+和OH-濃度來影響淤泥固結(jié)體強度的。以上學者的研究表明通過考察淤泥固結(jié)體孔隙液離子的成分和含量，可以分析淤泥固化的機理，其中有機物主要是通過影響淤泥孔隙液Ca2+和OH-濃度來影響強度的，而黏粒含量對強度的影響機理則并非如此。

3.2 微觀結(jié)構(gòu)分析法

一些學者從微觀結(jié)構(gòu)的角度探討淤泥固化的機理，微觀結(jié)構(gòu)的研究方法有掃描電鏡法（SEM）[5556]、透射電鏡法（TEM）、X射線衍射分析（XRD）、傅里葉變換紅外光譜法（FTIR）和壓汞法（MIP）[5758]。

丁建文[59]通過掃描電鏡試驗從微觀結(jié)構(gòu)層面研究了淤泥固化的機理，他指出淤泥經(jīng)水泥和專用固化材料固化后，生成大量纖維狀、針棒狀膠結(jié)物質(zhì)，這些膠結(jié)物質(zhì)改變了淤泥顆粒的連接方式，使顆粒間連接更緊密，同時這些膠結(jié)物質(zhì)不斷延伸填充到孔隙中，使孔隙減小，密實度增加，即淤泥固結(jié)體強度增加的主要原因是固化材料水化產(chǎn)物的化學膠結(jié)作用和填充密實作用。高術(shù)森[49]通過掃描電鏡法研究了聚丙烯纖維促進固化淤泥強度發(fā)展的機理，他指出聚丙烯纖維在淤泥固結(jié)體中的三維亂向分布作用形成了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能夠有效的阻止裂縫的發(fā)展，因此能在一定程度上提高淤泥的無側(cè)限抗壓強度和凝聚力。張麗娟等[60]通過對水泥、減水劑、水玻璃、石膏和石灰?guī)追N固化劑進行組合，得到促進強度發(fā)展的最優(yōu)配比和次優(yōu)配比，并在此基礎(chǔ)上分析固化淤泥微觀結(jié)構(gòu)的變化進而闡明固化機理，結(jié)果表明，與原狀淤泥相比，最優(yōu)配比和次優(yōu)配比下淤泥固結(jié)體的顆粒個數(shù)和顆粒分布分維有所增大，孔隙率、孔隙個數(shù)和孔隙分布分維有所降低，其中最優(yōu)配比下淤泥固結(jié)體的孔隙率減小598%。陳萌等[61]通過掃描電鏡法研究了淤泥經(jīng)水泥和粉煤灰固化后，無側(cè)限抗壓強度和分形維數(shù)的關(guān)系，結(jié)果表明原狀淤泥及其固結(jié)體均具有多重分形特性，且淤泥固結(jié)體的強度特性與多重分形特性關(guān)系密切，無側(cè)限抗壓強度隨容量維、信息維和關(guān)聯(lián)維的增大而增大。

X射線衍射法（XRD）可以用來研究晶體物質(zhì)的生成、消失和晶體結(jié)構(gòu)的變化。Rekik等[62]研究了水泥對法國兀斯特罕海港淤泥的加固效果，并采用X射線衍射法分析了相關(guān)機理，他指出水泥固化后生成了新物質(zhì)水化硅酸鈣，從而提高了強度。李志威等[63]通過XRD試驗研究了HAS高強耐水固化劑固化淤泥的機理，結(jié)果表明淤泥固化后生成的水化碳鋁酸鈣（3CaO·Al2O3·CaCO3·12H2O）能夠促進強度的發(fā)展。甘雅雄等[64]通過XRD試驗研究了硫鋁酸鹽水泥相對于硅酸鹽水泥在固化淤泥時具有早強性能的機理，結(jié)果表明在養(yǎng)護初期，普通硅酸鹽水泥固化土中只有CSH凝膠出現(xiàn)，而硫鋁酸鹽水泥固化土中不僅有CSH生成，還有鈣礬石（Aft）生成，即結(jié)晶態(tài)鈣礬石的生成是硫鋁酸鹽水泥在固化淤泥時具有早強性能的原因。王朝輝等[65]借助TEM試驗、XRD試驗和FTIR試驗分析了蛭石粉固化淤泥的機理，結(jié)果表明蛭石粉能均勻分散在淤泥顆粒周圍，且能有效吸收淤泥中的水分，在蛭石固化淤泥的過程中，沒有發(fā)生化學反應(yīng)產(chǎn)生新物質(zhì)，而只是物理吸水過程。童琦[66]借助掃描電鏡（SEM）和X衍射射線（XRD）試驗，通過分析疏浚淤泥固化前后孔隙和產(chǎn)物的變化闡明固化的機理，他指出淤泥固化后晶相的種類和數(shù)量增多（固化前晶相主要有石英和斜方鈣沸石，固化后晶相主要有石英、鈉長石、正長石、鈉沸石和水鈣沸石），且固化后淤泥孔隙減少，結(jié)構(gòu)更緊密，即物相中的晶相是促使結(jié)構(gòu)密實、改善淤泥力學性能的主要原因。Chew等[67]通過SEM、XRD、MIP等方法研究了水泥固化新加坡海洋淤泥的機理，他指出固結(jié)體強度的發(fā)展主要來源于四個方面，即水化反應(yīng)生成的氫氧化鈣促使淤泥中的伊利石黏土顆粒發(fā)生聚集，高嶺石與鈣離子發(fā)生火山灰反應(yīng)，水化產(chǎn)物在黏土絮團表面沉積并填充孔隙，以及黏土絮團對水分的封閉作用。

丁建文等[68]采用壓汞法研究了水泥和以磷石膏為主要成分的專用固化材料固化江蘇白馬湖淤泥的機理，結(jié)果表明淤泥孔隙的體積和D50孔徑（進汞量為總進汞量50%時對應(yīng)的入口孔徑）隨固化材料的增加、齡期的延長明顯減小。張亞燦等[69]研究了水泥摻量和初始含水率對固化淤泥滲透系數(shù)的影響，并通過壓汞法研究微觀孔隙結(jié)構(gòu)，進而闡明淤泥固化的機理，結(jié)果表明，隨著水泥摻量的增加、初始含水率的降低，淤泥固結(jié)體的滲透系數(shù)逐漸降低，最可幾孔徑（孔徑分布曲線峰值對應(yīng)的孔徑）逐漸減小，兩者具有良好的相關(guān)性。

3.3 水分轉(zhuǎn)化法

淤泥固結(jié)體中的水分可分為自由水、結(jié)合水和礦物水三類，其中結(jié)合水和自由水統(tǒng)稱為孔隙水。淤泥固化時會發(fā)生一系列的物理化學反應(yīng)，這些反應(yīng)在一定程度上改變了水分的數(shù)量和存在形態(tài)，進而影響淤泥固結(jié)體的性質(zhì)，因此一些學者通過水分轉(zhuǎn)化法來揭示淤泥固化的機理。Zhu等[70]分別用水化產(chǎn)物中礦物水和結(jié)合水的含量來表征結(jié)晶態(tài)和凝膠態(tài)水化產(chǎn)物的生成量，他指出兩種水化產(chǎn)物的生成均有利于強度的發(fā)展，但對強度的貢獻不同，具體表現(xiàn)為：結(jié)晶態(tài)水化產(chǎn)物對強度的發(fā)展一直有貢獻；而凝膠態(tài)水化產(chǎn)物只有達到一定量后才有較明顯的影響；當兩種水化產(chǎn)物的量都比較低時，固化淤泥不具有明顯的強度。程福周等[71]借助核磁共振技術(shù)研究淤泥固結(jié)體中孔隙水含量和分布規(guī)律，進而闡明淤泥固化的機理，他指出隨著水泥摻量的增加和養(yǎng)護齡期的延長，孔隙水含量逐漸減少，孔隙水逐漸分布在較小的孔隙中；齡期的主要作用是減小大孔隙的水分含量，而水泥不僅有利于減小大孔隙的水分含量，也有利于減小小孔隙的水分含量；隨著淤泥固結(jié)體內(nèi)部化學反應(yīng)的進行，水分逐漸被消耗或轉(zhuǎn)成了礦物水。甘雅雄[64]對比了硫鋁酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥對太湖梅梁灣淤泥的固化效果，并從水分轉(zhuǎn)化的角度探討了硫鋁酸鹽水泥在淤泥固化中具有早強性能的機理，他認為：淤泥固結(jié)體的抗壓強度與結(jié)合水增量之間呈冪函數(shù)關(guān)系，不同種類水泥作用下，結(jié)合水對強度的貢獻不同，其中硫鋁酸鹽水泥水化形成的凝膠態(tài)CSH表現(xiàn)出更強的結(jié)合勢；淤泥固結(jié)體的抗壓強度與礦物水增量基本呈線性關(guān)系，兩種水泥作用下的關(guān)系比較接近，其結(jié)晶物基本相同，但早期硫鋁酸鹽水泥作用時，礦物水的增長速率明顯高于普通硅酸鹽水泥。

3.4 電阻率法

電阻率法已廣泛應(yīng)用于水泥水化過程的研究中，通過電阻率的變化可以分析水泥基材料的離子遷移和微觀化學反應(yīng)等信息[72]。目前，電阻率法用于淤泥固化機理方面的研究較少。程福周等[73]借助無接觸電阻率法研究了淤泥固結(jié)后的微觀反應(yīng)，他將淤泥固結(jié)體內(nèi)部的化學反應(yīng)過程劃分為I溶解期，Ⅱ誘導期和Ⅲ硬化期，其中第1階段主要是水泥顆粒向固化淤泥系統(tǒng)中溶入離子，電阻率下降；第Ⅱ階段主要是淤泥開始發(fā)揮對離子的吸附作用，是淤泥吸附和水泥溶解的動態(tài)期，為第Ⅲ階段準備條件；第Ⅲ階段是電阻率上升的硬化期，水泥的水化作用消耗了液相中的離子，同時水化產(chǎn)物填充了土顆粒的間隙，這兩方面原因使得電阻率上升。國內(nèi)外學者用電阻率法研究淤泥固化機理的較少，這方面的研究有待進一步加強。

4 結(jié)語

4.1 目前存在的問題

綜上所述，以上學者展開了一系列淤泥固化方面的研究，取得了許多有價值的研究成果，為淤泥的資源化利用提供了理論依據(jù)，然而目前淤泥固化仍存在以下幾方面問題。

（1）目前淤泥固化大多是在淤泥含水率較高、呈流動狀態(tài)下進行的，這就意味著要加入較多的固化材料，因此不僅固化效果不佳，而且經(jīng)濟適用性差。

（2）由于河流湖泊水體污染嚴重，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、堤防工程等方面應(yīng)用時，淤泥固結(jié)體中的污染物可能會在雨水的作用下釋放出來，對地表水和地下水造成二次污染。

（3）關(guān)于淤泥固化機理方面的研究主要側(cè)重于定性分析，對于淤泥固化機理的定量研究有待進一步深入。

（4）目前對淤泥固化的研究主要以室內(nèi)試驗為主，對于室外試驗以及大規(guī)模的應(yīng)用方面研究較少。同時，相對于淤泥固結(jié)體的強度指標來說，在耐久性方面比如抗凍性、耐沖刷性等方面的研究較少。

4.2 應(yīng)對措施和研究發(fā)展方向

針對以上存在的問題，今后應(yīng)加強以下幾方面的研究。

（1）進行淤泥脫水-固化-穩(wěn)定化一體化研究。先對疏浚淤泥進行脫水，將含水率降低到一定程度后，再進行固化，從而減少固化劑的摻入量，同時提高淤泥固化的效果。在進行淤泥固化時，要考慮對淤泥穩(wěn)定化的影響，即在滿足強度等力學指標和耐久性的同時，還應(yīng)研究淤泥固化對污染物的穩(wěn)定和固定作用。在實際中，應(yīng)優(yōu)先選用同時有利于淤泥固化和穩(wěn)定化的固化材料。

（2）采用多手段聯(lián)合的方法，對淤泥固化的機理進行定量研究和分析。

（3）淤泥固結(jié)體的耐久性方面以及在實際工程中的大規(guī)模應(yīng)用有待進一步深入研究。

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