陳 萌1，楊國錄 2 ，徐 峰 1 ，魏紅艷 3
(1.湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計院，武漢 430064;2.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，武
漢 430072;3.長江科學(xué)院水力學(xué)研究所，武漢 430010)

作者簡介

通訊作者： 

陳萌(1989-),女，河南信陽人，工程師，博士，主要從事防洪排澇、河道整治和泥水環(huán)境等方
面的工作。

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2014ZX07104-005)

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(biāo)中，兩者近似呈線性關(guān)系；當(dāng)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(xué)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(xué)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。

淤泥中黏粒含量較多，一般來說，粘粒顆粒較細，比表面積較大，因此顆粒表面的物理化學(xué)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(xué)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(xué)者關(guān)于存在最優(yōu)粘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(xué)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。

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。

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(xué)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 3.6 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 SN-Ⅱ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 SN-Ⅱ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 0.05%、 1.5%、0.9%)，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0.5%~0.8%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 0.4%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 WL-A-IX、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 WL-A-IX降低了淤泥固結(jié)體的強度；高錳酸鉀摻量為 0.5%時的強度與不加高錳酸鉀的強度接近，摻量為 1.0%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 1.0%時對強度的促進作用比摻量 0.5%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 0.8%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 1.6%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 3.2%時，仍能促進強度的發(fā)展。

上述研究中，楊愛武學(xué)者認(rèn)為存在氫氧化鈉的最佳摻量 0.5%~0.8%，使固結(jié)體的強度最大； 陳萌也認(rèn)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 0.4%；而蒲凡學(xué)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3.2%時仍能促進強度的發(fā)展。 楊愛武、 陳萌與蒲凡學(xué)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(rèn)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(xué)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(xué)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 0.5 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 7d 和 14d 齡期無側(cè)限抗壓強度的發(fā)展；納米 Al2O3 對 7d 齡期抗壓強度起促進作用，對 14d 齡期抗壓強度的影響與 Al2O3摻量有關(guān)，14d 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 0.3%，淤泥的無側(cè)限抗壓強度顯著增大，而抗剪強度指標(biāo)的黏聚力逐漸增大，內(nèi)摩擦角逐漸減��；隨著聚丙烯纖維長度從 0mm 增加到 12mm，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。

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(xué)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 59.8%。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(xué)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(xué)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)物在粘土絮團表面沉積并填充孔隙，以及粘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。

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(xué)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(xué)反應(yīng)過程劃分為 I 溶解期，Ⅱ誘導(dǎo)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(zhǔn)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(xué)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。

(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(yán)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(biāo)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。

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(xué)指標(biāo)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。