淤泥调质固化及固结体环境特性试验研究

发布时间：2020-11-10 05:23

　　 江河湖泊作为重要的水功能区域,对城市的安全和发展有重要意义,而湖泊底泥的大量淤积和受污灾变严重影响了行洪排涝和供水功能的发挥,受污淤泥亦是湖泊水质恶化的内源污染源。清淤疏浚是湖泊治理的重要手段之一。疏浚产生的淤泥具有含水率高、颗粒极细、压缩性大、强度低,污染物多等特点。如不能及时有效的处理淤泥,不仅占用大量宝贵的土地资源,还会造成严重的二次污染。疏浚底泥的处理与处置成为亟待解决的关键性难题。实践证明淤泥的资源化利用是淤泥处理与处置的最终出路,将淤泥转变成满足一定承载力要求的土工材料用于园林填土、道路基础和堤防培土是资源化利用的有效方式。固化处理能有效的改善淤泥的物理力学性质。本文以武汉市天鹅湖淤泥和南湖淤泥为研究对象,主要从淤泥固结体的物理化学特性、力学特性、微观结构特性和环境特性等方面展开调质固化试验研究,主要内容包括以下几个方面： (1)分析了武汉市东湖子湖天鹅湖和武汉市南湖淤泥的基本性质。分析表明,天鹅湖淤泥含有较多的硅元素,南湖淤泥含有较多的铝元素和铁元素。天鹅湖淤泥主要含有石英、钠长石、高岭石和伊利石等矿物,南湖淤泥还含有一定量的方解石。天鹅湖和南湖淤泥的含水率均高于液限而呈流动状态。南湖淤泥的有机物、氮磷营养盐和重金属含量均高于天鹅湖淤泥,污染更为严重。 (2)考察了固定水泥掺量下,不同掺量、不同种类的粉煤灰和养护龄期对天鹅湖淤泥物理化学特性的影响,重点考察了淤泥固结体含水率、pH值、钙离子浓度和阳离子交换量的变化。结果表明,粉煤灰能降低淤泥固结体的含水率,其中高钙粉煤灰的效果更明显。高钙粉煤灰有助于提高淤泥固结体的pH值和钙离子浓度,不同种类高钙粉煤灰的作用效果与含钙量以及钙的存在形式有关；低钙粉煤灰对淤泥固结体pH值和钙离子浓度的影响与高钙粉煤灰相反。淤泥固结体的阳离子交换量随粉煤灰掺量和种类的变化规律较为复杂,它与粉煤灰的含碳量以及淤泥固结体的pH值、粒度均有密切关系。随着养护龄期的延长,淤泥固结体的含水率、pH值、钙离子浓度和阳离子交换量均呈下降趋势。 (3)研究了固定水泥掺量下,不同掺量和种类的粉煤灰以及固定水泥、粉煤灰掺量下,不同掺量和种类的添加剂对淤泥固结体强度特性的影响。结果显示,不同种类的粉煤灰均能促进强度的发展,其中高钙粉煤灰的效果更明显。三种添加剂中,硅酸钠在各龄期阶段均能促进强度的发展；氢氧化钠掺量超过0.7%后不利于早期强度的发展；硫酸钠掺量超过0.7%后不利于后期强度的发展。对比三种添加剂的作用效果发现：养护初期,硫酸钠对强度的增长作用最明显,氢氧化钠和硅酸钠的优劣与掺量有关；养护后期,硅酸钠的效果最好,其次是氢氧化钠,效果最差的是硫酸钠。 (4)采用扫描电镜法研究淤泥固结体的微观结构,定性分析了淤泥固结体中水化产物的种类和生成量。扫描电镜图像显示,粉煤灰有助于改善淤泥固结体的微观结构,且高钙粉煤灰的作用更显著。养护后期,三种添加剂作用时均有凝胶物质生成。除此之外,氢氧化钠作用时,生成的针棒状产物相互交错成空间网状；硫酸钠作用时,有板状水化产物生成,同时有裂缝和大孔隙存在；硅酸钠作用时,有针状水化产物和光滑致密的板状产物生成。淤泥体系中水化产物的生成量越多,分布越均匀,整体性越好,越有利于固结体强度的发展。 (5)探讨了淤泥固结体物理化学特性与力学特性之间的关系,具体考察了固结体的强度与含水率、pH值、钙离子浓度和阳离子交换量的关系。结果显示,淤泥固结体的强度随含水率的降低而升高,两者呈乘幂关系。固结体的强度与pH值之间呈乘幂关系,与钙离子浓度呈指数关系。淤泥固结体的强度与阳离子交换量的关系随粉煤灰种类不同而异。 (6)在水泥的基础上,研究了不同掺量和种类的粉煤灰以及不同掺量和种类的添加剂对南湖淤泥环境特性的影响,重点分析了淤泥固结体无侧限抗压强度、浸出液pH值、COD值、总磷浓度和重金属铜的变化规律。结果表明,无侧限抗压强度能在一定程度上影响污染物的浸出特性。浸出液的pH值与淤泥固结体的pH值密切相关。在水泥的基础上,粉煤灰有利于有机物、磷和重金属铜的固定,其中有机物和重金属铜的固定效果与粉煤灰的含碳量密切相关,而磷的固定效果与粉煤灰的含钙量以及钙的组成形式密切相关。三种添加剂对固结体污染物的稳定作用各异,氢氧化钠掺量较低时对有机物有一定的稳定作用,掺量过多反而起反作用；氢氧化钠不利于磷和重金属铜的固定。硫酸钠有利于有机物和重金属铜的固定；硫酸钠掺量较低时,对磷的固定效果较好,超过一定掺量后效果变差。硅酸钠有利于有机物的稳定,但不利于磷的稳定；硅酸钠掺量较低时,对重金属铜有稳定作用,掺量过多反而起反作用。
【学位单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2014
【中图分类】：X703;TU521.3
【部分图文】：

粒径小于17.1um的颗粒占85%。江苏淮安白马湖疏梭齡泥的中值粒径只有5.79um，其中粒径小于5um的颗粒高达44.8%，粒度分布曲线如图2-2所示["5]。游泥颗粒越细，比表面积越大，颗粒表面的物理化学作用越明显。I ： _=??：丰勝：：I 閱 \ 1[? 50 “ ;V w § 40 f 1| 20 ■■ i ■…份 10 -ti 1 ■‘ 0 丨丨丨"III I ,11 'III I l.iUi_I I1000 100 10 1 0.1粒径/咖图2-2白马湖游泥粒度分布图2.3.3污染物多游泥除含有无机矿物外，还含有有机农药、多氯联苯、多环芳烃和有害重金属等污染物[116]。阎波等[117]对桓河底泥有机污染物进行调查后发现，底泥中含有较多的苯系物、正构焼烃、酸酮类和多环芳烃。游泥之所以含有较多的污染物是由于游泥的粒径极细，对污染物的吸附能力强。鉴于游泥污染物较多，应及时对疏凌游泥进行处理，防止储存过程中污染物释放到地表水和地下水中，造成严重的二次污染。2.3.4压缩性大游泥的压缩特性反映的是游泥在外力作用下发生变形的性质。压缩特性常用压缩系数来表征，压缩系数越大，越容易发生变形。黄英豪等[37]考察了淮安白马湖清游疏浚游泥的压缩性，测得的游泥压缩系数为1.55MPa_i

泥颗粒表面的钟离子、钠离子等低价离子发生交换吸附，降低游泥颗粒表面吸附水膜厚度，使颗粒间斥力减弱而发生团聚，如图3-1所示[124]。Na+ Na"" Na"^ Na' Ca"* Ca'^+ 4Ca- =，+ 8Na-Na+ Na’ Na~ Na~ Ca!十 Ca^"图3-1离子交换反应原理图[i25】3.1.4碳酸化反应当固化材料中有水泥或石灰时，体系中的氧氧化I丐与空气或孔隙水中的二氧化碳发生反应，生成不溶于水的碳酸1?，从而促进游泥固结体强度的发展，反应方程式如(3-7)所示。Ca(0H)2+C02—CaC03+H20 (3-7)3.2固化材料本文选用娃酸盐水泥作为固化基材，粉煤灰作为调质剂，添加剂选用氧氧化钠、硫酸钠和娃酸钠。19

QS粉煤灰的X射线衍射图谱
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本文编号：2877530