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摘要：针对我国湖泊淤泥处置和利用的现状，本文设想利用激发剂激发粉煤灰和矿渣来改性疏浚淤泥，以发现激发剂对疏浚淤泥改性的影响。通过实验证实，淤泥加入固化剂固化改性以后，使其更加接近工程土的性质，可以作为目前大规模的土木工程建设的工程材料，进而丰富淤泥的处理方式，使淤泥的处理变废为宝。
关键词：湖泊淤泥、激发剂、粉煤灰、矿渣、力学特性
The effect of alkali activation of fly ash and slag on dredging sludge modification
Yin Jingxin, Yu Pingping
（Environmental and civil engineering institute，Jiangnan University,Wuxi, 214000,China)
Abstract:For the current situation of the disposal and utilization of Lake mud in our country,this article envisaged in using excitant to excite fly ash and slag to modification the dredged silt,and to find the influence for it by the excitant.The experiment confirm that sludge by adding a curing agent modified to make it closer to the nature of engineering soil can be used as engineering materials for large-scale civil engineering construction, and thus rich sludge handling, sludge processing waste into treasure.
Keywords:Lake mud, excitant, fly ash, slag, mechanical property
中图分类号：K928.43 文献标识码：A 文章编号：
引 言
河道、湖泊及城市淤泥是一种重要的矿产资源。由于缺少对这些淤泥的研究，其潜在价值一直未被发现，而随着社会的快速发展，各种资源逐渐紧缺的情况下，淤泥作为矿产资源对社会的可持续发展有着重大的作用。目前国内处理疏浚淤泥多为堆积或填埋，不仅占用土地还会造成二次污染。开发利用疏浚淤泥，可以净化水域，改善水质，变废为宝，造福一方。
本文通过利用碱激发粉煤灰和矿渣来改性疏浚淤泥，以发现激发剂对疏浚淤泥改性的影响。试验在不同的激发剂掺加量,不同的养护时间下等结果发现，经改性后的淤泥其抗剪强度有了很大的提高，显微结构也有所变化,出现水化产物，土体趋于紧密。淤泥加入固化剂固化改性以后，使其更加接近工程土的性质，可以作为目前大规模的土木工程建设的工程材料。
1 实验材料
本试验采用淤泥作为原料土，粉煤灰、水泥和矿渣以及一些NaOH等化学添加剂作为固化材料，来研究不同固化材料掺入量及种类对淤泥质土的固化效果。试验过程中具体涉及的材料有：粉煤灰、矿渣、水泥、水、淤泥等。淤泥中的粘粒(粒径<5μm)含量17.94%。根据淤泥液性指数(IL=2.6)和塑性指数(IP=15.38)，按ASTM统一分类体系中细粒土的分类方法（GBJ144-90）及本文测定结果，可以确定该淤泥的分类为高液限有机质黏土(CHO)。
表1-1 试验用淤泥物理性质指标
2粉煤灰、矿渣改性疏浚淤泥物理力学性质
2.1 试验配比
加粉煤灰和矿渣，分析其对淤泥土物理力学的性状的影响。设计了三种条件下激发粉煤灰、矿渣的配合比工况，见2-1表。
为了便于记录和比较说明，我们将工况按式“S2”来表示，其中字母C、F、S、N分别表示水泥cement、粉煤灰fly ash、矿渣slag、氢氧化钠NaOH；数字则表示相对35000g淤泥所加的固化材料质量的百分数，并省略百分号。 所以“S22”则表示：在35000g中添加22%矿渣，即7700g矿渣，同理“N0.28”表示NaOH占淤泥的0.28%。
表2-1煤灰礦渣改性的配比
2.2改性淤泥的抗剪强度
黏性土的剪切是应变硬化过程，亦即随着应变增加，其应力也不断增加。在这种情况下，通常以应变达到一定的限度（规范规定为15%）来定义工况的破坏。通过直剪试验得出三种工况分别在50kpa、100kPa、200kPa和300kPa的围压下的黏聚力c和内摩擦角φ。由于试验误差等影响，须对其进行拟合，得到τ-σ直线关系图。该直线与横坐标的夹角为内摩擦角φ，在纵坐标上的截距为黏聚力c，直线方程可用库伦公式表示（如下式）：τ=c+σtanφ
2.2.1 纯淤泥的抗剪强度
图2-1 纯淤泥的剪应力与应变关系曲线
图2-2纯淤泥的强度包线
纯淤泥的内摩擦角φ为23.09º，粘聚力为8.7kpa，其抗剪强度很低。由此看出未经处理的淤泥是不适合直接作为工程材料应用的。
2.2.2 加水泥的工况抗剪强度试验
表2-2加了水泥的工况在28d龄期下c、φ与 τf
期龄28天抗剪强度最大的工况S22F22C18N0.35的粘聚力c 达到259.9kpa，在300kpa正应力下其剪应力达到856kpa。试验也测出期龄7天抗剪强度最大的工况S22F22C18N0.35的粘聚力c为110.2kpa，在300kpa正应力下其剪应力达到281.6kpa，可以看出期龄28天的工况抗剪强度要比期龄7天的高很多。这说明了NaOH对粉煤灰和矿渣的激发取得了一定的效果。通过试验数据可以看出各工况的抗剪强度都随着NaOH含量的增加呈现出先增加后减小的趋势，这是由于体系的反应程度随碱浓度的提高激发效果越好，但过量的强碱会降低浆液中钙离子浓度，抑制CSH和CAH类物质的生成，使硬化体早期强度降低，还可引起碱骨料反应，降低硬化体的后期强度。
在期龄为28天，工况S22F22C18N0.35的粘聚力最大，达到259.9kpa，内摩擦角也是最大，达到63.7º，说明在NaOH含量为0.35%附近的时候对粉煤灰和矿渣的激发效果最好。但由于水泥的存在，工况的整体抗剪强度都比较高，看不出NaOH对粉煤灰和矿渣的激发效果到底如何，所以我们做了一组不加水泥的工况，来检测其激发效果。
2.2.3 不加水泥的工况抗剪强度试验
表2-3无水泥含NaOH工况在28d龄期下c、φ与 τf
这组工况没有加入水泥，所以可以看出NaOH对粉煤灰和矿渣的激发程度。由试验数据可以看出，期龄3天到期龄7天工况的抗剪强度值变化不大，所以工况先期强度较高。由于矿渣自身产生较高的水硬性及受碱激发水硬加快同时产生较高的水硬强度，而在常温下粉煤灰的激发则需要很长的时间，所以工况先期强度高是由于矿渣水化快起了作用。在期龄为28天，工况S26F26N0.35的粘聚力达到102.4kpa，内摩擦角值为所有工况中最大，达到48.5º，在300kpa正应力下其剪应力比其它工况的都大，达到416kpa，所以其抗剪强度最大。期龄28的工况抗剪强度要比期龄7天的工况抗剪强度大很多，这说明了粉煤灰的激发程度随着期龄的增长有了很大的提高，这也是工况后期强度高的原因。
由期龄和NaOH 的含量综合比较，可以看出当NaOH 的含量为0.35%时对粉煤灰和矿渣的激发效果比较好，在期龄为28天时效果最好的工况S26F26N0.35在正应力300kpa时剪应力达到416 kpa。
3疏浚淤泥的显微结构研究
图3-1原状土SEM图像
图3-1是原状淤泥的显微结构图片。从图中我们可以看到很多片状的粘土矿物。颗粒间连接不紧密，存在较多的孔隙，且有的孔隙比较大。这也在微观结构上解释了原状淤泥强度低、稳定性差的原因。
图3-2 NaOH掺量为0.35%的SEM图像
从图3-2中我们可以十分明显地看到许多棒状的水化产物，对土颗粒进行了胶结，反应在宏观上，改性淤泥的强度将提高。这点在直剪数据上得到了一定的印证。也符合之前作出的推测，即加了水泥的工况在NaOH掺量为0.35%抗剪强度最高。
从上图我们也可以看到一些针状的水化产物，说明NaOH对粉煤灰和矿渣的激发还是很有效果的，也符合之前的推断。由此我们可以确定：碱的掺入对淤泥土性的完善有较为明显的作用。
4结论
加了水泥的那组工况的抗剪强度每个期龄都有一个峰值。工况抗剪强度随着NaOH含量的增加大致呈先增大后减小的趋势，在NaOH含量为0.35%时达到最大值。在期龄28天抗剪强度最大的工况S22F22C18N0.35的粘聚力c 达到259.9kpa，在300kpa正应力下其剪应力达到856kpa；
（2）不加水泥的那组工况先期强度较高，可以综合比较得出，在NaOH含量为0.35%时工况的抗剪强度最大，在期龄28天的工况S26F26N0.35的粘聚力达到102.4kpa，内摩擦角值为所有工况中最大，达到48.5º，在300kpa正应力下其剪应力比其它工况的都大，达到416kpa；加了NaOH的两组工况的抗剪强度都比纯淤泥的抗剪强度大的多，所以可以看出用碱激发粉煤灰和矿渣改性疏浚淤泥还是有很好的效果的。
参考文献
[1]梁启斌，邓志华，崔亚伟.环保疏浚底泥资源化利用研究进展.中国资源综合利用,2010年12月,第28卷12期
[2]张旭东,祁继英.疏浚底泥的资源化利用.北方环境.2005年4月.第30卷第2期
[3] ILCanet，C．Chaves，F．pomares et aLagricultural use ofsedimentsfrom the Albufera Lake (eastern Spain)．Agriculture，Ecosystems and Environment[J]，2003：29—36．
[4] Laura Johnson Sabat，CraigVogr，BarryHolliday．Promotingdredged material as a resource[【I]Sea Technology，2002，43(8)：47-52．
[5]KeithWJones，HuanFeng,ErieAStern，etaLDredgedmateriMdecontamination demonstration for the port ofNew York／NewJersey[J]．Journal ofHazardousMaterials，2001，85(1'2)：127-143．
[6]任書霞,要秉文,王长瑞.粉煤灰活性的激发及其机理研究. 粉煤灰综合利.2008 第四期
[7]高丽敏.碱激发粉煤灰胶凝材料性能研究.哈尔滨工业大学:硕士学位论文2007年7月
关键词：湖泊淤泥、激发剂、粉煤灰、矿渣、力学特性
The effect of alkali activation of fly ash and slag on dredging sludge modification
Yin Jingxin, Yu Pingping
（Environmental and civil engineering institute，Jiangnan University,Wuxi, 214000,China)
Abstract:For the current situation of the disposal and utilization of Lake mud in our country,this article envisaged in using excitant to excite fly ash and slag to modification the dredged silt,and to find the influence for it by the excitant.The experiment confirm that sludge by adding a curing agent modified to make it closer to the nature of engineering soil can be used as engineering materials for large-scale civil engineering construction, and thus rich sludge handling, sludge processing waste into treasure.
Keywords:Lake mud, excitant, fly ash, slag, mechanical property
中图分类号：K928.43 文献标识码：A 文章编号：
引 言
河道、湖泊及城市淤泥是一种重要的矿产资源。由于缺少对这些淤泥的研究，其潜在价值一直未被发现，而随着社会的快速发展，各种资源逐渐紧缺的情况下，淤泥作为矿产资源对社会的可持续发展有着重大的作用。目前国内处理疏浚淤泥多为堆积或填埋，不仅占用土地还会造成二次污染。开发利用疏浚淤泥，可以净化水域，改善水质，变废为宝，造福一方。
本文通过利用碱激发粉煤灰和矿渣来改性疏浚淤泥，以发现激发剂对疏浚淤泥改性的影响。试验在不同的激发剂掺加量,不同的养护时间下等结果发现，经改性后的淤泥其抗剪强度有了很大的提高，显微结构也有所变化,出现水化产物，土体趋于紧密。淤泥加入固化剂固化改性以后，使其更加接近工程土的性质，可以作为目前大规模的土木工程建设的工程材料。
1 实验材料
本试验采用淤泥作为原料土，粉煤灰、水泥和矿渣以及一些NaOH等化学添加剂作为固化材料，来研究不同固化材料掺入量及种类对淤泥质土的固化效果。试验过程中具体涉及的材料有：粉煤灰、矿渣、水泥、水、淤泥等。淤泥中的粘粒(粒径<5μm)含量17.94%。根据淤泥液性指数(IL=2.6)和塑性指数(IP=15.38)，按ASTM统一分类体系中细粒土的分类方法（GBJ144-90）及本文测定结果，可以确定该淤泥的分类为高液限有机质黏土(CHO)。
表1-1 试验用淤泥物理性质指标
2粉煤灰、矿渣改性疏浚淤泥物理力学性质
2.1 试验配比
加粉煤灰和矿渣，分析其对淤泥土物理力学的性状的影响。设计了三种条件下激发粉煤灰、矿渣的配合比工况，见2-1表。
为了便于记录和比较说明，我们将工况按式“S2”来表示，其中字母C、F、S、N分别表示水泥cement、粉煤灰fly ash、矿渣slag、氢氧化钠NaOH；数字则表示相对35000g淤泥所加的固化材料质量的百分数，并省略百分号。 所以“S22”则表示：在35000g中添加22%矿渣，即7700g矿渣，同理“N0.28”表示NaOH占淤泥的0.28%。
表2-1煤灰礦渣改性的配比
2.2改性淤泥的抗剪强度
黏性土的剪切是应变硬化过程，亦即随着应变增加，其应力也不断增加。在这种情况下，通常以应变达到一定的限度（规范规定为15%）来定义工况的破坏。通过直剪试验得出三种工况分别在50kpa、100kPa、200kPa和300kPa的围压下的黏聚力c和内摩擦角φ。由于试验误差等影响，须对其进行拟合，得到τ-σ直线关系图。该直线与横坐标的夹角为内摩擦角φ，在纵坐标上的截距为黏聚力c，直线方程可用库伦公式表示（如下式）：τ=c+σtanφ
2.2.1 纯淤泥的抗剪强度
图2-1 纯淤泥的剪应力与应变关系曲线
图2-2纯淤泥的强度包线
纯淤泥的内摩擦角φ为23.09º，粘聚力为8.7kpa，其抗剪强度很低。由此看出未经处理的淤泥是不适合直接作为工程材料应用的。
2.2.2 加水泥的工况抗剪强度试验
表2-2加了水泥的工况在28d龄期下c、φ与 τf
期龄28天抗剪强度最大的工况S22F22C18N0.35的粘聚力c 达到259.9kpa，在300kpa正应力下其剪应力达到856kpa。试验也测出期龄7天抗剪强度最大的工况S22F22C18N0.35的粘聚力c为110.2kpa，在300kpa正应力下其剪应力达到281.6kpa，可以看出期龄28天的工况抗剪强度要比期龄7天的高很多。这说明了NaOH对粉煤灰和矿渣的激发取得了一定的效果。通过试验数据可以看出各工况的抗剪强度都随着NaOH含量的增加呈现出先增加后减小的趋势，这是由于体系的反应程度随碱浓度的提高激发效果越好，但过量的强碱会降低浆液中钙离子浓度，抑制CSH和CAH类物质的生成，使硬化体早期强度降低，还可引起碱骨料反应，降低硬化体的后期强度。
在期龄为28天，工况S22F22C18N0.35的粘聚力最大，达到259.9kpa，内摩擦角也是最大，达到63.7º，说明在NaOH含量为0.35%附近的时候对粉煤灰和矿渣的激发效果最好。但由于水泥的存在，工况的整体抗剪强度都比较高，看不出NaOH对粉煤灰和矿渣的激发效果到底如何，所以我们做了一组不加水泥的工况，来检测其激发效果。
2.2.3 不加水泥的工况抗剪强度试验
表2-3无水泥含NaOH工况在28d龄期下c、φ与 τf
这组工况没有加入水泥，所以可以看出NaOH对粉煤灰和矿渣的激发程度。由试验数据可以看出，期龄3天到期龄7天工况的抗剪强度值变化不大，所以工况先期强度较高。由于矿渣自身产生较高的水硬性及受碱激发水硬加快同时产生较高的水硬强度，而在常温下粉煤灰的激发则需要很长的时间，所以工况先期强度高是由于矿渣水化快起了作用。在期龄为28天，工况S26F26N0.35的粘聚力达到102.4kpa，内摩擦角值为所有工况中最大，达到48.5º，在300kpa正应力下其剪应力比其它工况的都大，达到416kpa，所以其抗剪强度最大。期龄28的工况抗剪强度要比期龄7天的工况抗剪强度大很多，这说明了粉煤灰的激发程度随着期龄的增长有了很大的提高，这也是工况后期强度高的原因。
由期龄和NaOH 的含量综合比较，可以看出当NaOH 的含量为0.35%时对粉煤灰和矿渣的激发效果比较好，在期龄为28天时效果最好的工况S26F26N0.35在正应力300kpa时剪应力达到416 kpa。
3疏浚淤泥的显微结构研究
图3-1原状土SEM图像
图3-1是原状淤泥的显微结构图片。从图中我们可以看到很多片状的粘土矿物。颗粒间连接不紧密，存在较多的孔隙，且有的孔隙比较大。这也在微观结构上解释了原状淤泥强度低、稳定性差的原因。
图3-2 NaOH掺量为0.35%的SEM图像
从图3-2中我们可以十分明显地看到许多棒状的水化产物，对土颗粒进行了胶结，反应在宏观上，改性淤泥的强度将提高。这点在直剪数据上得到了一定的印证。也符合之前作出的推测，即加了水泥的工况在NaOH掺量为0.35%抗剪强度最高。
从上图我们也可以看到一些针状的水化产物，说明NaOH对粉煤灰和矿渣的激发还是很有效果的，也符合之前的推断。由此我们可以确定：碱的掺入对淤泥土性的完善有较为明显的作用。
4结论
加了水泥的那组工况的抗剪强度每个期龄都有一个峰值。工况抗剪强度随着NaOH含量的增加大致呈先增大后减小的趋势，在NaOH含量为0.35%时达到最大值。在期龄28天抗剪强度最大的工况S22F22C18N0.35的粘聚力c 达到259.9kpa，在300kpa正应力下其剪应力达到856kpa；
（2）不加水泥的那组工况先期强度较高，可以综合比较得出，在NaOH含量为0.35%时工况的抗剪强度最大，在期龄28天的工况S26F26N0.35的粘聚力达到102.4kpa，内摩擦角值为所有工况中最大，达到48.5º，在300kpa正应力下其剪应力比其它工况的都大，达到416kpa；加了NaOH的两组工况的抗剪强度都比纯淤泥的抗剪强度大的多，所以可以看出用碱激发粉煤灰和矿渣改性疏浚淤泥还是有很好的效果的。
参考文献
[1]梁启斌，邓志华，崔亚伟.环保疏浚底泥资源化利用研究进展.中国资源综合利用,2010年12月,第28卷12期
[2]张旭东,祁继英.疏浚底泥的资源化利用.北方环境.2005年4月.第30卷第2期
[3] ILCanet，C．Chaves，F．pomares et aLagricultural use ofsedimentsfrom the Albufera Lake (eastern Spain)．Agriculture，Ecosystems and Environment[J]，2003：29—36．
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[6]任書霞,要秉文,王长瑞.粉煤灰活性的激发及其机理研究. 粉煤灰综合利.2008 第四期
[7]高丽敏.碱激发粉煤灰胶凝材料性能研究.哈尔滨工业大学:硕士学位论文2007年7月