鄧琪豐，劉衛(wèi)東，韓云婷

（1.上海理工大學(xué)，上海 200093；2.上海市建筑科學(xué)研究院有限公司，上海 201108）

0 引言

河湖疏浚清淤在提高航道通航、防汛防洪能力和解決水體污染、水域底堤抬升的同時(shí)帶來(lái)了大量的堆積清淤底泥。由于淤泥具有高含水率、高孔隙率、富含有機(jī)質(zhì)、低滲透性、壓縮性大等特點(diǎn)，在工程中無(wú)法被直接應(yīng)用，淤泥的處理處置問(wèn)題亟待解決[1-2]。淤泥固化是當(dāng)前較為有效且應(yīng)用廣泛的資源化利用手段之一，但是目前的研究大多都集中在固化劑的開發(fā)和優(yōu)化之中[3-7]，而對(duì)于淤泥固化的生態(tài)研究較少[8-10]?；靥畹挠倌喙袒劣不蟮目紫堵瘦^低，不利于植物的生長(zhǎng)和修復(fù)生態(tài)環(huán)境；而發(fā)泡劑常被用作制備泡沫混凝土，它可以使物質(zhì)形成細(xì)孔，可以有效提高孔隙率。

為了改善生態(tài)效果，提高淤泥固化土的吸附、交換和蓄水等植生性能，本文探索適合淤泥固化的發(fā)泡劑，將發(fā)泡劑摻入淤泥固化土中制成多孔淤泥固化土，研究分析對(duì)比干密度、孔隙率和7、28 d抗壓強(qiáng)度等力學(xué)性能，為開發(fā)有良好植生性能的生態(tài)護(hù)坡提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

（1）河湖疏浚底泥

本試驗(yàn)所用淤泥取自上海市崇明島某河道疏浚淤泥，在試驗(yàn)前將取來(lái)的淤泥土樣放入烘箱105℃烘干，然后將烘干后的土樣經(jīng)過(guò)破碎機(jī)破碎與球磨機(jī)研磨后過(guò)0.5 mm篩，將篩余的干土放于塑料桶密封備用。根據(jù)GB/T50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測(cè)試烘干淤泥的主要物理性能，結(jié)果如表1所示，淤泥的顆粒級(jí)配如表2所示。

表1 烘干淤泥的基本物理性能

表2 烘干淤泥的顆粒級(jí)配

按GB/T 176—1996《水泥化學(xué)分析方法》對(duì)疏浚淤泥進(jìn)行X射線熒光光譜分析，淤泥的化學(xué)成分如表3所示。

表3 河湖疏浚淤泥的主要化學(xué)成分 %

（2）固化劑

水泥常用于淤泥固化，反應(yīng)硬化可以提高固化強(qiáng)度；脫硫灰中的Al2O3與SiO2、Ca（OH）2反應(yīng)可以使淤泥固化土的強(qiáng)度進(jìn)一步提高；水泥水化產(chǎn)物水化鋁酸鈣會(huì)與脫硫石膏中的CaSO4發(fā)生反應(yīng)生成鈣礬石。以水泥為主固化劑，加入脫硫石膏、脫硫灰等為輔助固化劑。m（水泥）∶m（脫硫灰）∶m（脫硫石膏）≈6∶3∶1。

水泥：采用平湖南方P·O42.5水泥，其主要化學(xué)成分如表4所示；脫硫灰：采用寶鋼集團(tuán)的燒結(jié)干法脫硫灰，其主要化學(xué)成分如表4所示；脫硫石膏：采用石洞口濕法脫硫石膏，其主要化學(xué)成分如表4所示。

表4 固化劑的主要化學(xué)成分 %

（3）發(fā)泡劑

鋁粉：漣水普森金屬制品有限公司；碳酸氫鈉：上海凌峰化學(xué)試劑有限公司；雙氧水：質(zhì)量濃度30%，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；蛋白型發(fā)泡劑：HTQ-1型動(dòng)物蛋白型發(fā)泡劑，河南華泰建材有限公司。

（4）穩(wěn)泡劑：硫酸鈉、硫酸鋁，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

依據(jù)DG/TJ 08-2331—2020《原位利用疏浚泥建設(shè)生態(tài)護(hù)岸技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，試件尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm。在淤泥中分別摻入0.3%、0.6%、0.9%的雙氧水或0.1%、0.2%、0.3%的蛋白型發(fā)泡劑，測(cè)試固化土的干密度、孔隙率和抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)中發(fā)泡劑和穩(wěn)泡劑的摻量均按占烘干淤泥和固化劑總質(zhì)量的百分比計(jì)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 發(fā)泡試驗(yàn)

由于發(fā)泡劑在淤泥土和傳統(tǒng)的泡沫混凝土中所處的環(huán)境不盡相同，其適用性也有差別。試驗(yàn)主要通過(guò)孔洞分布均勻度、孔徑大小、是否塌孔與塌孔是否可改進(jìn)等方面選擇適宜的發(fā)泡劑以及對(duì)應(yīng)的發(fā)泡方式。

2.1.1 鋁粉發(fā)泡試驗(yàn)

在加氣混凝土的生產(chǎn)過(guò)程中，鋁粉與水反應(yīng)生成氫氣溶解于液相中，在其達(dá)到飽和溶解度時(shí)會(huì)在料漿中形成氣泡從而得到加氣混凝土[11-12]，其反應(yīng)式如式（1）所示。在固化土中摻入0.06%的鋁粉進(jìn)行發(fā)泡試驗(yàn)，發(fā)泡固化土的形態(tài)見圖1。

由圖1可以看出，摻入0.06%的鋁粉后淤泥固化土仍為凝實(shí)狀態(tài)，破碎后觀察土塊內(nèi)部并無(wú)孔洞生成，可知不宜使用鋁粉對(duì)淤泥固化土進(jìn)行發(fā)泡。因?yàn)橥馏w中堿性環(huán)境不足，無(wú)法推動(dòng)其化學(xué)反應(yīng)往產(chǎn)生氣泡方向進(jìn)行。

2.1.2 碳酸氫鈉發(fā)泡試驗(yàn)

碳酸氫鈉是一種化學(xué)發(fā)泡劑，在水環(huán)境下，碳酸氫鈉與硫酸鋁在一定條件下進(jìn)行雙水解反應(yīng)生成二氧化碳，達(dá)到發(fā)泡的效果，其反應(yīng)式如式（2）所示。在泡沫混凝土中，由于水泥的水化放熱并迅速形成堿性環(huán)境，可以為碳酸氫鈉和硫酸鋁的雙水解反應(yīng)提供促使快速而充分發(fā)泡的環(huán)境[13-14]。在固化土中摻入0.06%的碳酸氫鈉和0.01%硫酸鋁進(jìn)行發(fā)泡試驗(yàn)，發(fā)泡固化土的形態(tài)見圖2。

由圖2可以看出，摻入0.06%碳酸氫鈉和0.01%硫酸鋁的淤泥固化土沒有氣泡冒出，表面完整無(wú)孔隙；將試件破碎后觀察，試塊中有零星孔洞，孔徑較小，未達(dá)到預(yù)期發(fā)泡效果。因?yàn)橛倌喙袒林胁荒芙o碳酸氫鈉與硫酸鋁的雙水解反應(yīng)提供強(qiáng)堿性環(huán)境，且沒有明顯放熱，無(wú)法生成二氧化碳，可知不宜使用碳酸氫鈉和硫酸鋁對(duì)淤泥固化土進(jìn)行發(fā)泡。

2.1.3 雙氧水發(fā)泡試驗(yàn)

雙氧水屬于化學(xué)發(fā)泡劑，可以自身發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氧氣[見式（3）]，從而在料漿中產(chǎn)生微小氣泡，達(dá)到發(fā)泡的效果。但雙氧水發(fā)泡的特點(diǎn)是增加雙氧水用量會(huì)在發(fā)泡過(guò)程中使泡沫混凝土產(chǎn)生較大的孔洞，后期容易造成塌孔現(xiàn)象與抗壓強(qiáng)度降低[15-16]。在淤泥固化土中摻入0.06%的雙氧水進(jìn)行發(fā)泡試驗(yàn)，淤泥固化土的形態(tài)見圖3。

由圖3可以看出，雙氧水在淤泥固化土中反應(yīng)劇烈，短時(shí)間內(nèi)即可發(fā)泡，但靜置一段時(shí)間后，試塊塌孔塌?，F(xiàn)象嚴(yán)重。觀察試塊中的孔洞發(fā)現(xiàn)，發(fā)泡不均勻，上層土較為松散，下層土較為緊實(shí)。破碎后觀察，試塊中存在較大的孔徑孔洞。因?yàn)殡p氧水發(fā)泡速度太快，氣孔孔徑與發(fā)泡量較難控制，導(dǎo)致試塊整體發(fā)泡不均勻，所以需要對(duì)于發(fā)泡方式和雙氧水摻量進(jìn)行進(jìn)一步研究。

2.1.4 蛋白型發(fā)泡劑發(fā)泡試驗(yàn)

蛋白型發(fā)泡劑由于泡沫穩(wěn)定性優(yōu)良，發(fā)泡速度容易控制，成為近年來(lái)應(yīng)用較為廣泛的一種發(fā)泡劑。在固化土中摻入0.01%的蛋白型發(fā)泡劑進(jìn)行發(fā)泡試驗(yàn)，淤泥固化土的形態(tài)見圖4。

由圖4可以看出，蛋白型發(fā)泡劑發(fā)泡形成的泡沫可以存留在淤泥固化土中形成孔洞，且泡沫細(xì)膩綿密，孔徑分布較均勻，但在試塊成型中存在較長(zhǎng)縫隙，需要進(jìn)一步對(duì)其摻量及發(fā)泡方式進(jìn)行研究。一般蛋白型發(fā)泡劑在發(fā)泡時(shí)需要采用發(fā)泡機(jī)，本試驗(yàn)選擇高速旋轉(zhuǎn)攪拌機(jī)來(lái)進(jìn)行發(fā)泡試驗(yàn)[17]。

2.2 雙氧水對(duì)淤泥固化土性能的影響

雙氧水的起泡速度較快，起泡量大，但是泡沫穩(wěn)定性較差，短時(shí)間內(nèi)又會(huì)全部消泡，成型的試塊會(huì)呈現(xiàn)塌孔嚴(yán)重、內(nèi)部疏松、孔洞孔徑均偏大、且強(qiáng)度偏低，所以需要在其中加入穩(wěn)泡劑。經(jīng)過(guò)查閱文獻(xiàn)[18-21]，選擇硫酸鈉作為穩(wěn)泡劑，并設(shè)計(jì)2種不同摻量（與雙氧水的質(zhì)量比分別為1∶1和1.5∶1）。

積極培養(yǎng)在聯(lián)合國(guó)決策、建議和管理機(jī)構(gòu)工作的軍事以及外交人才，在維和行動(dòng)建立與執(zhí)行的各個(gè)階段，與安理會(huì)盡可能保持經(jīng)常性的磋商，努力開拓多樣化渠道，把中國(guó)的維和見解整合到全球多邊和平的框架之中，用精湛的戰(zhàn)略和務(wù)實(shí)的態(tài)度維護(hù)國(guó)家利益。

由于本試驗(yàn)是研究淤泥的原位利用技術(shù)，使清淤淤泥原位固化發(fā)泡后，回填作生態(tài)護(hù)坡，縮短運(yùn)輸距離，減少人力物力成本，實(shí)現(xiàn)資源化利用。經(jīng)過(guò)調(diào)研，高含水率淤泥的天然含水率大多在80%左右，而且含水率80%以上的淤泥有可泵送性，方便施工器具的作業(yè)，適合原位鋪設(shè)作為生態(tài)護(hù)坡，故預(yù)設(shè)淤泥初始含水率為80%，雙氧水摻量分別為0、0.3%、0.6%、0.9%，試驗(yàn)配合比見表5。

表5 不同雙氧水摻量試驗(yàn)配合比

2.2.1 雙氧水摻量對(duì)淤泥固化土物理性能的影響（見表6）

表6 雙氧水摻量對(duì)淤泥固化土性能的影響

由表6可見：

（1）隨著雙氧水摻量的增加，發(fā)泡淤泥固化土的干密度減小，孔隙率增大；當(dāng)雙氧水摻量從0增加到0.3%時(shí)，因?yàn)闈{體中的泡沫大幅增加、試塊內(nèi)部孔隙率增大了23.93個(gè)百分點(diǎn)，干密度明顯減小，降幅為13.51%；而當(dāng)雙氧水摻量再繼續(xù)增加時(shí)，干密度的下降趨勢(shì)變緩，在摻量從0.3%增加到0.9%時(shí)，干密度僅下降了8.77%，孔隙率僅增大了6.86個(gè)百分點(diǎn)。由于雙氧水發(fā)泡的泡沫是急劇而大量的，在成型裝模期間由于土體內(nèi)部應(yīng)力不均勻和自然逸散會(huì)消耗絕大部分泡沫，最后試塊硬化后留存的泡沫減少，因此孔隙率增量與雙氧水摻量增加并非成等比例。

（2）雙氧水摻量的增加，會(huì)降低發(fā)泡淤泥固化土的抗壓強(qiáng)度，但當(dāng)硫酸鈉與雙氧水的質(zhì)量比為1∶1，雙氧水摻量從0.3%增加至0.6%時(shí)，抗壓強(qiáng)度反而有所提高，這是因?yàn)殡p氧水摻量0.3%的試塊內(nèi)部孔隙不均勻，導(dǎo)致在試驗(yàn)時(shí)結(jié)構(gòu)受力不均勻而降低其抗壓強(qiáng)度，而摻量為0.6%的試塊內(nèi)部孔洞分布均勻，孔徑尺寸適中，故相比于摻量0.3%的發(fā)泡淤泥固化土試塊抗壓強(qiáng)度反而提高。

當(dāng)雙氧水摻量較低時(shí)，硫酸鈉與雙氧水比例的增大，可以提高多孔淤泥固化土的抗壓強(qiáng)度，當(dāng)雙氧水摻量為0.3%時(shí)，兩者比例從1∶1增大到1.5∶1，7 d抗壓強(qiáng)度從0.699 MPa提高到0.835 MPa，提高了19.46%；但當(dāng)雙氧水摻量增加到0.9%時(shí)，兩者比例從1∶1增大到1.5∶1，7 d抗壓強(qiáng)度反而降低了1.15%。這是由于硫酸鈉的穩(wěn)泡能力會(huì)使試塊內(nèi)部的孔隙增多，在泡沫總量較少時(shí)，它能穩(wěn)住的泡沫變多，這樣可以使泡沫更均勻地分布在試塊里面，就可以有效地提高多孔淤泥固化土的抗壓強(qiáng)度；而雙氧水摻量增加、生成的泡沫量變多，雖然硫酸鈉的增加對(duì)泡沫的穩(wěn)定能起到的作用會(huì)降低，但是本來(lái)留存的泡沫就比摻量少時(shí)多，增加硫酸鈉用量會(huì)讓孔隙比沒有增加之前多，所以孔結(jié)構(gòu)進(jìn)一步發(fā)展后，使得7 d抗壓強(qiáng)度降低。

2.2.2 微觀性能分析

對(duì)不同雙氧水摻量（硫酸鈉與雙氧水的質(zhì)量比為1∶1）的發(fā)泡淤泥固化土進(jìn)行SEM分析，以觀察發(fā)泡淤泥固化土微觀結(jié)構(gòu)的變化，包括其中的孔徑大小和孔洞分布的均勻度，對(duì)其進(jìn)行微觀機(jī)理研究，結(jié)果如圖5所示。

從圖5（a）可以看出，雙氧水摻量為0.3%的發(fā)泡淤泥固化土試塊內(nèi)部孔隙分布不均勻，有一部分仍是密實(shí)狀態(tài)，有些部分出現(xiàn)較大孔洞，孔徑能達(dá)到接近40μm，這會(huì)使試塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)受力不均勻?qū)е驴箟簭?qiáng)度降低；而觀察圖5（b），雙氧水摻量為0.6%的試塊內(nèi)部孔隙分布較均勻，孔徑尺寸大都在20μm左右，比較有利于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的均勻受力，所以相比0.3%的試塊抗壓強(qiáng)度有所提高；圖5（c）中，雙氧水摻量為0.9%的試塊內(nèi)部孔徑尺寸相差較大，由于發(fā)泡期間泡沫大量出現(xiàn)會(huì)發(fā)生融合現(xiàn)象從而形成大孔洞，其中出現(xiàn)了有接近60 μm的孔洞，大的孔洞會(huì)破壞試塊的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度明顯下降。

綜上所述，雙氧水用于制備發(fā)泡淤泥固化土的最佳摻量為0.6%，當(dāng)硫酸鈉與雙氧水的質(zhì)量比為1∶1時(shí)，固化土內(nèi)部的孔隙尺寸大小適中，7 d抗壓強(qiáng)度為0.821 MPa，孔隙率為47.91%。

2.3 蛋白型發(fā)泡劑對(duì)淤泥固化土性能的影響

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)與市場(chǎng)常用蛋白型發(fā)泡劑調(diào)研結(jié)果，在使用蛋白型發(fā)泡劑制備泡沫混凝土?xí)r一般采用發(fā)泡機(jī)，需要高速旋轉(zhuǎn)攪拌才能進(jìn)行發(fā)泡且比較均勻，在室內(nèi)試驗(yàn)中采用GFJ-0.75A型高速分散來(lái)模擬發(fā)泡機(jī)。設(shè)計(jì)蛋白型發(fā)泡劑摻量分別為0、0.1%、0.2%、0.3%。因?yàn)樵摰鞍仔桶l(fā)泡劑中已含有穩(wěn)泡成分，故在試驗(yàn)中不另外摻加穩(wěn)泡劑，試驗(yàn)配合比見表7。發(fā)泡方式為：把稱量好的稀釋50倍后的蛋白型發(fā)泡劑放入塑料杯中，先放在高速分散機(jī)下以4000 r/min攪拌2 min，觀察發(fā)泡劑的泡沫已經(jīng)被打出，再把杯子中的所有發(fā)泡劑倒入攪拌鍋中；然后把稱量好的水加入攪拌鍋中，最后把混合均勻的干土與固化劑一起加入其中。而后先低速把混合料攪拌均勻，然后再高速攪拌30 s后取出攪拌鍋，最后把土裝入模具中顛平。

表7 不同摻量蛋白型發(fā)泡劑固化土試驗(yàn)配合比

2.3.1 蛋白型發(fā)泡劑摻量對(duì)淤泥固化土性能的影響（見表8）

表8 蛋白型發(fā)泡劑摻量對(duì)淤泥固化土性能的影響

由表8可見：

（1）對(duì)于干密度和孔隙率，隨著蛋白型發(fā)泡劑摻量的增加，多孔淤泥固化土的干密度減小，孔隙率逐漸增大。當(dāng)摻量從0增加至0.3%時(shí)，干密度下降了28.16%，孔隙率提高了133.78%。說(shuō)明蛋白型發(fā)泡劑對(duì)提高發(fā)泡淤泥固化土孔隙率效果顯著。

（2）對(duì)于抗壓強(qiáng)度，隨著蛋白型發(fā)泡劑摻量的增加，發(fā)泡淤泥固化土的抗壓強(qiáng)度降低。當(dāng)摻量從0.1%增加至0.2%時(shí)，多孔淤泥固化土的7 d抗壓強(qiáng)度明顯下降，從0.895 MPa降低至0.239 MPa，下降了73.30%，孔隙率增大了13.88%。說(shuō)明孔洞孔隙的增加已經(jīng)一定程度破壞了內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使得結(jié)構(gòu)變得松散，內(nèi)部一些小孔融合變成了大孔，使抗壓強(qiáng)度明顯下降。

2.3.2 微觀性能分析

對(duì)分別摻0.1%蛋白型發(fā)泡劑、0.6%雙氧水和未摻發(fā)泡劑的淤泥固化土進(jìn)行XRD分析，以分析淤泥固化土水化反應(yīng)后的組成，結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以看出，摻0.1%蛋白型發(fā)泡劑和摻0.6%雙氧水發(fā)泡淤泥固化土，與未摻發(fā)泡劑的淤泥固化土的XRD圖譜基本一致，波峰波谷位置一一對(duì)應(yīng)，高度大致相同，說(shuō)明摻入蛋白型發(fā)泡劑和雙氧水未使淤泥固化土內(nèi)部反應(yīng)生成的物質(zhì)出現(xiàn)本質(zhì)改變。

對(duì)摻0.1%蛋白型發(fā)泡劑的發(fā)泡淤泥固化土進(jìn)行SEM分析，結(jié)果如圖7所示。

從圖7可以看出，蛋白型發(fā)泡劑生成的泡沫分布均勻，大孔數(shù)量較少，孔徑大小差異不大，大部分孔徑為10μm左右，這對(duì)發(fā)泡淤泥固化土的結(jié)構(gòu)更為有利。說(shuō)明與雙氧水相比，蛋白型發(fā)泡劑生成的細(xì)膩綿密泡沫可以很好留存在淤泥固化土的土體中，達(dá)到提高孔隙率的效果。

綜上所述，HTQ-1型動(dòng)物蛋白型發(fā)泡劑的最佳摻量為0.1%，所制發(fā)泡淤泥固化土的7 d抗壓強(qiáng)度為0.895 MPa，孔隙率為51.13%，泡沫細(xì)膩綿密，且孔徑大小均勻。

3 結(jié)論

（1）雙氧水與蛋白型發(fā)泡劑適宜用作淤泥固化土的發(fā)泡劑，且未改變水化反應(yīng)生成的物質(zhì)成分。而鋁粉與碳酸氫鈉不適宜用作淤泥固化土的發(fā)泡劑。

（2）隨著雙氧水的摻量增加，多孔淤泥固化土的干密度減小，孔隙率增大，但當(dāng)摻量從0.3%增加到0.9%時(shí)，孔隙率增幅較??；抗壓強(qiáng)度總體趨勢(shì)隨著雙氧水的摻量增加而下降，但雙氧水摻量從0.3%增加到0.6%時(shí)，由于孔洞分布與孔徑大小尺寸更為均勻，抗壓強(qiáng)度反而有所提高。所以雙氧水的適宜用量為0.6%。

（3）隨著蛋白型發(fā)泡劑的摻量增加，多孔淤泥固化土的干密度減小，孔隙率增大，抗壓強(qiáng)度減小。當(dāng)摻量從0.1%增加到0.2%時(shí)，抗壓強(qiáng)度顯著下降，降幅達(dá)73.30%，所以蛋白型發(fā)泡劑的適宜用量為0.1%。

（4）與雙氧水相比，蛋白型發(fā)泡劑提升孔隙率的效果更佳，摻0.1%蛋白型發(fā)泡劑制成的發(fā)泡淤泥固化土比摻0.6%雙氧水制成的試件抗壓強(qiáng)度高；綜合考慮力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)成本，摻0.1%的蛋白型發(fā)泡劑優(yōu)于摻0.6%的雙氧水。