1 引言

我国幅员辽阔，水网密布，海岸线长。为了改善江河湖泊水质，保障河道正常的泄洪能力和航道、港口的畅通，我国进行了大规模的疏浚清淤工作，随之产生的数量巨大的淤泥已经成为难以回避的现实问题^[1]。常规的堆放、抛填等处理方式会造成二次污染和大量土地资源浪费等问题^[2]。

在静水或缓慢的流水环境中，粘土矿物等细小颗粒在粒间静电力和分子引力的作用下，经物理化学和生物化学作用，发生沉积所形成的未固结的软弱细粒或极细粒土称为淤泥^[3]。

淤泥属于特殊土，性质与一般土差别较大^[4]。其颜色一般呈深灰色或暗绿色，有臭味；天然含水率高于液限，孔隙比多大于1.0；富含有机质；干密度小；常处于流动状态，具有流变性和触变性；压缩性特别高、强度极低、透水性差、抗剪强度低。高含水率和富含有机质是淤泥最显著的特征，影响着其他性能。

2 河道淤泥常见处理方式

目前，根据国内外河道淤泥的处理情况来看，可以将河道淤泥的再利用方式分为物理方法、热处理方法和化学方法三大类^[5-6]，处理原理及用途见表1所示。

表1 河道淤泥处理原理及用途

2.1 物理方法

物理方法主要是通过脱水将河道淤泥孔隙中自由水和吸附水部分或全部脱离出来，降低河道淤泥的含水率，使黏土颗粒黏结成密实状态来改善其力学性能。主要包括：自然风干晾晒、机械脱水、堆载预压排水固结等^[7]。

自然风干晾晒是将河道淤泥摊铺开，通过蒸发、自然晾晒、渗漓等方式实现脱水。但此方法需要占用大量土地资源，造成资源浪费，且脱水速度较慢，容易对周围环境产生影响，受天气影响较大，不适合对大量河道淤泥进行处理。机械脱水就是使用脱水机械将河道淤泥中多余的水分脱去。但其缺点是处理效率比较低，脱水设备价格较高，脱水后的含水率仍较高，需要二次处理才能满足工程用土的需要，不适合对大批量河道淤泥进行处理。堆载预压排水固结的原理是淤泥场地在荷载作用下，通过布置竖向排水井（砂井或塑料排水带等），使河道淤泥中的孔隙水被慢慢排出，孔隙比减小，河道淤泥发生固结变形，强度逐渐增长。适合于大面积吹填淤泥场地的处理, 往往结合围垦造地工程使用。

值得注意的是，物理方法只是将河道淤泥孔隙中自由水和吸附水部分或全部脱离出来，河道淤泥中的污染物质仍然存留，也就是说处理后仍有污染性，需要考虑采用措施进行二次处理。

2.2 热处理方法

热处理方法主要是通过高温烧结处理，高温可使河道淤泥脱水,让有机成分分解，使颗粒之间黏结或无机物发生熔解，然后再通过冷却，使得河道淤泥熔合成具有一定强度的固体颗粒^[8]。高温烧结处理的一个重要优点是”减污作用”，即熔解有机污染物，提高无机污染物的惰性。河道淤泥通过烧结处理可制成建材，是一种非常有效、经济的资源化方法，主要的用途有：制轻质陶粒，熔融微晶玻璃，生产水泥，制砖等。

该方法产品附加值较高，但烧结处理要在大型的固定工厂内进行，给河道淤泥长距离运输带来不便。由于处理量有限，处理设备为固定式且投入巨大，不适宜于处理大量的河道淤泥。

2.3 化学方法

化学方法即化学固化法是指通过在河道淤泥中加入一定量的外掺料，通过搅拌、混合等工序，使河道淤泥和外掺料以及水之间发生一系列水解水化反应，改善河道淤泥土的物理力学性能，使河道淤泥具有较高的强度特性，可以满足不同工程的需要，属土壤固化处理领域^[9]。从工程应用角度来看，采用化学固化处理方法是最为灵活、适用范围广、造价低、施工工艺简便，对于大量的河道淤泥处理较为理想，是比较适合我国国情的一种处理方法^[10]。

河道淤泥化学固化技术在环保及资源利用中具有可持续发展的巨大意义，化学固化技术是非常值得研究推广一种技术。

3 河道淤泥的固化难点

对河道淤泥进行化学固化处理有着诸多优点。但是，因其本身的特殊性质给化学固化带来诸多困难。比如河道淤泥高含水率，高有机质含量，细颗粒含量高、含有污染物等。

3.1 高含水率^[11]

河道淤泥本身是一种连结松散、孔隙中充满水的低强度土，其含水率变化较大，天然含水率高于液限，通常在150%~350%之间，河道淤泥的高含水率严重影响其力学性能。初始含水率较大，固化土强度降低^[12]。若想获得高强度的固化土则需加入高掺入比的固化材料，但这会导致工程造价增加，从而限制高含水率河道淤泥固化的推广应用。若对高含水率河道淤泥进行含水率降低的预处理，也会导致施工成本高、效率低。快速固化高含水率河道疏浚污泥一直是研究热点。

3.2 细粒含量高^[11]

造成河道淤泥工程特性差的根本原因在于河道淤泥的细粒含量太高^[13]。粘粒大多呈薄片状，其比表面积很大，且表面往往带有负电荷，会吸附带极性的水分子和水合阳离子，以致在其表面形成一定厚度的吸附水层。吸附水的粘滞性较大，能动性较小，比较难以脱出（100~150下才能脱出）。

3.3 高有机质含量

富含有机质是河道淤泥又一显著特点。Kononova^[14]将土中有机质分为如下两大类：

(1) 新鲜及分解不充分的动植物残体

(2) 腐殖质：①腐殖物质：腐殖酸 （又称胡敏酸、富里酸）等；②生物残体的分解物和由微生物再合成的产物：蛋白质、碳水化合物及其衍生物、蜡、树脂、脂肪等。腐殖质一般占土中有机质总量的50%~90%，而腐殖酸又是腐殖质的主要成分，约占腐殖质总量的60%左右。

在对含有机质淤泥固化处理时，即使加大固化材料用量，也不能有效的增加固化土的强度，所以迫切需要开发针对各种不同有机质含量的新型固化剂品种。

3.4 含有污染物

河道淤泥的污染物主要为有机物和重金属污染, 这些污染物往往吸附在细小的粘粒表面，分离和清除非常困难。许多的城市内河也不同程度地受到有机物和营养盐的污染^[15]。固化后是否能将污泥残渣中的有害物质包裹固化在固化体内，使其不易释放而避免造成环境污染是评价固化法处理河道淤泥效果的重要指标。

4 固化剂种类及其作用机理

本课题采用固化法来处理河道淤泥。目前，固化剂的种类繁多，一般可按其固化机理或外观形态进行分类。从外观形态上可分为液粉类固化剂和粉状类固化剂；按其主要成分又可分为无机化合物类、有机化合物类、生物酶类、复合型固化剂等^[16]，这四类固化剂因其不同的化学成分，从固化作用机理方面来说，它们也有着较大差别的存在。常见固化剂材料如表2。

表2 常见的固化剂材料

分类	序号	名称	主要成分
无机固化材料	1	水泥	3CaO#183;SiO2，2CaO#183;SiO2，3CaO#183;Al2O3
2	石灰	CaO
3	粉煤灰	SiO2， Al2O3， FeO， Fe2O3，CaO，TiO2，MgO，K2O，Na2O，SO3，MnO2
4	矿渣	Ca，Mg，Fe，Si 及其氧化物
5	石膏	CaSO4
6	磷石膏	CaSO4#183;2H2O
7	高岭土	2SiO2#183;Al2O3#183;2H2O
8	硅粉	SiO2
9	碱渣	CaSO3，CaCO3，CaCl2，CaO
有机固化材料	1	水玻璃	Na2SiO3
2	环氧树脂	泛指分子中含有两个或两个以上环氧 基团的有机高分子化合物
3	高分子材料	以高分子化合物为基础的材料，包括 橡胶、纤维、胶结剂等
生物酶类		生物酶固化剂	蛋白质，RNA
复合固化材料		复合固化剂	两种或两种以上化学物质按一定比例 配合而成

4.1 无机化合物类固化剂

无机化合物类固化剂一般为粉末状，多采用工业废料作为主固剂，添加各种激发剂配制而成。主固剂包括水泥、石灰、粉煤灰、各类矿渣、煤矸石等^[17]，激发剂主要包括各种硫酸盐类、各种酸类和其他无机盐，也包含少量的表面活性剂等其他有机材料。此类固化剂的缺点是用量比较大，早期强度不高；优点是成本低，强度稳定性好，由于添加了一些工业废料和较易取得的建筑材料，施工简便，不仅可以降低工程造价，而且还具有环保和节能意义。一直以来研究者们主要致力于通过添加辅助激发剂来改善此类固化剂的性能。

4.2 有机化合物类固化剂

有机类土壤固化剂主要由水玻璃、环氧树脂等高分子材料或离子类有机物组成。这类固化剂一般通过离子交换及高分子聚合原理加固土壤。有机土壤固化剂中的高分子有机物通过化学聚合反应生成大分子链，连接土壤颗粒，还会与土壤发生离子交换反应，降低土壤胶粒电势，减少土壤中的吸附水，聚集土壤颗粒^[18]，从而提高土体的力学性质。或者降低土粒的表面活性，使经过处理的土壤由”亲水性”变成”憎水性”憎水性，形成有效的抗水能力，经机械反复的整平、压实等作用，可以得到较好的抗压强度。此类固化剂的缺点是使用寿命期短，抗水性能差，受环境的影响比较大；优点是用量少，易于运输，施工方便，早期和后期强度都易于控制，对土的适应性强。

4.3 生物酶类固化剂

生物酶类固化剂是一种由有机物质发酵而成的蛋白质多酶基类物质^[19]。生物酶中的特殊成分能够置换土壤中的低凝聚性离子，打破粘土矿物的双电层结构，减少土壤中的吸附水^[20]，促使土颗粒团粒化而胶结，最终把土壤中的无机和有机物质强力硬化成致密、坚固和不渗透的整体结构。此类固化剂的缺点是其固化土的设计寿命较短，浸水后强度会降低；优点是无毒，可增加土体密度，降低土体膨胀系数。

4.4 复合类固化剂

复合类固化剂包括固体和液体两种形态，一般是由无机和有机材料复合配制而成。此类固化剂结合了无机材料和有机材料各自的优势，固化原理包括无机材料的水化胶凝和膨胀填充作用以及有机材料的高分子聚合和离子交换等。在这种机制下，复合土壤固化剂避免了单一固化材料固化范围小、适用性差的缺陷，能够实现对土壤全面有效的改性，以达到较好的强度与稳定性能，它可针对各种不同的加固目的而制定不同的配合方法。

5 河道淤泥固化研究进展

国内外学者采用各种固化材料对不同特性的河道淤泥进行了固化研究，在固化剂、固化机理以及固化所用的添加剂上取得了一些研究成果。

张树彬等^[21]通过在实际工程采样对水泥加固土腐殖酸组分进行定性、定量对比试验分析，以研究不同水泥掺量、不同地域水泥固化土腐殖酸组分的影响效果。从微观上分析了土体腐殖酸组分对水泥土强度的影响，所用软土为实际工程中现场釆样。

冯诚等^[22]进行了固化有机质淤泥的试验研究，在分析有机质对淤泥固化效果影响机理的基础上，掺加不同外加剂改善有机质淤泥的固化效果，试验结果发现，碱性剂的加入会导致有机质的溶解，削弱淤泥的固化效果，粉煤灰的加入削弱了有机质对水泥水化的阻碍作用，有效提高了固化体的强度，采用水泥-粉煤灰-硫酸钠复合固化材料大幅度提高了固化淤泥的短期强度和长期强度，粉煤灰的加入提供了大量的钙离子，其掺量越大，固化淤泥无侧限强度后期增长率越大。

童琦^[23]采用粉煤灰-矿粉两种工业废料，在激发剂水玻璃作用下进行固化疏浚淤泥试验研究。分析了固化材料和激发剂的固化机理，提出了固化疏浚淤泥的试验方案，确定了疏浚淤泥的固化剂和激发剂的最优掺量；通过宏观和微观方面解释其固化机理和固化效果。

柴朝辉等^[24]提出考虑到乙醇是能够溶解多种有机物的良好有机溶剂，用乙醇（STE）处理淤泥的方法，并通过Box-Benhnken设计（BBD）实验优化处理条件，理想条件如下：作用时间，47分钟；乙醇浓度，41%；乙醇与淤泥的比例，54:1ml/g，有机物去除效率为51.12%。 然后，沉降并通过实验室实验探索了原淤泥和STE的凝固性能。 结果表明淤泥的沉降和凝固性能得到改善。

陶桂兰等^[25]分析疏浚沉积物的组成和物理性质，应用水泥和添加剂固化疏浚沉积物。得出结论固化疏浚沉积物作为建筑材料具有技术，经济、环保等优点。

黄英豪等^[26]研究了重塑固化疏浚物料（RSDM）的应力应变关系、压缩性和强度特性，并与原疏浚物料（SDM）进行比较。RSDM的强度仅随着固结压力的增加而增加。与SDM的抗压强度相比，RSDM的无侧限抗压强度约为20%#12316;40%。SDM和RSDM之间的强度差随着固结压力的增加而降低。

李思良等^[27]通过使用常规固化剂和煅烧铝盐固化/稳定污水污泥，并进一步比较分析了稳定化污泥的脱水机理和结构变化。实验结果表明，硅灰石和高岭土具有较高的脱水效率相比其他常规固化剂。通过煅烧铝盐（AS）、钙灰、Mg基固化剂、铝酸三钙（C3A）固化的污泥样品显示较低的重金属浸出和无侧限抗压强度。

S. Kolias等^[28]使用高钙粉煤灰和水泥固化细粒粘性土，进行了单轴压缩强度测试CBR测试、TG#8211;SDTA和XRD 等测试，并且进行了人行道现场建设，人行道下铺设固化土建造的路基，与传统沥青路面（没有路基）相比具有明显的优势。

Seze等^[29]通过三轴剪切、无侧限抗压强度试验，研究了石灰粉煤灰混合材料固化土耳其某地淤泥的强度变化规律。

H.J.H. Brouwers等^[30]研究表明水泥和生石灰作为粘结剂可以用来固定疏浚淤泥中的污染物，处理后的污染物排放量复合相关标准，且处理时间短，可用作建筑材料。

Harvey Omar R等^[31]通过热量测定和热重分析法来确定热流差，从而解释石灰蒙脱石中天然有机质含量和成分对水化硅酸钙生成过程的影响。结果表明：水化硅酸钙的形成与石灰固化蒙脱石的强度有很好的相关性，有机质通过阻止火山灰反应产物的生成来影响石灰固化土的强度。

Paulo J. Venda Oliveira等^[32]考察了有机物含量和固化条件对一维压缩性的影响，在重塑和稳定的土壤样品上进行固结和蠕变硬度计测试研究这些因素的影响。结果表明有机物含量的增加引起压缩特性的增加，包括蠕变。 固化条件也影响稳定土壤的一维压缩行为，固化时间的增加改善了压缩性特性，包括诱导蠕变变形的减少。

Rachid Zentar等^[33]使用铝硅质粉煤灰和水泥固化海相沉积物，并且进行室内实验研究（无侧限抗压强度、冻融实验、水稳性等）来评价其作为路基材料的可行性。Senem Bayar等^[34]采用波特兰水泥处理来自化学金属加工行业的含有高浓度有机碳和重金属离子的污泥，讨论了固化后的固化性能和毒性浸出特性，评测了固化土作为建筑材料的可行性。

Han-na Cho等^[35]使用研磨的粒状高炉矿渣在3.5%NaOH溶液中作为补充水泥材料的新粘合剂来固化/稳定细泥浆沉积物。测量用碱活性矿渣（AAS）处理过的疏浚沉积物的机械强度，重金属浸出性和微结构表征。

6 结束语

固化后的河道淤泥作为建筑材料可以广泛的应用于道路、堤防、地基填筑、制砖等方面。比如：沿海港口、仓库及堆场等；高速公路及一、二级道路；城市道路；水利、水电、铁路便道，以及各种临时道路；三、四级县乡和农村道路；石油道路；机场跑道、滑翔道、及停机坪等。对河道淤泥进行固化处理对于减少土石方的开采、保护生态环境、社会经济的发展都有着重要的意义。

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2 河道淤泥常见处理方式

目前，根据国内外河道淤泥的处理情况来看，可以将河道淤泥的再利用方式分为物理方法、热处理方法和化学方法三大类^[5-6]，处理原理及用途见表1所示。

表1 河道淤泥处理原理及用途