一种高有机质、超高含水率河道淤泥固化材料及固化方法

本发明涉及淤泥资源化利用，特别是涉及一种高有机质、超高含水率河道淤泥固化材料及固化方法。

背景技术：

1、为改善河流水质、保障河道泄洪能力以及航道与港口的畅通，每年产生数以亿计的河道疏浚淤泥。由于河道疏浚通常采用水力绞吸的方式，所产生的淤泥具有超高含水率，工程性质极差。此外，对于污染严重的城市河道，河道疏浚淤泥中还富含有机质，通常情况下大于5％，因此，如何处置具有高有机质、超高含水率的河道疏浚淤泥是当今社会各界广泛关注的问题。化学固化是处理疏浚淤泥的一种有效方法，通过向淤泥中添加固化材料以及化学药剂，改变淤泥的物理化学性质，达到改善工程特性、保护环境等目的，固化效果好且处理量大。然而，针对富含有机质和超高含水率的河道疏浚淤泥，有机质含量以及高含水率对水泥、石灰等常规固化材料的固化效果产生较大的影响，使用常规固化材料对其进行固化的固化效果差、固化成本高、资源化利用程度低。因此，针对高有机质、超高含水率河道疏浚淤泥，亟需研发经济有效的新型固化材料。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种高有机质、超高含水率河道淤泥固化材料及固化方法，以解决现有固化材料针对高有机质、超高含水率河道疏浚淤泥固化效果差、固化成本高、资源化利用程度低的难题。本发明从促进钙矾石和钙铁石快速生成角度出发，最大化利用工业废渣(高炉矿渣和磷石膏)，开发固化效果强、成本低的新型固化材料及固化方法，以满足高有机质、超高含水量河道淤泥资源化利用需求。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、本发明的技术方案之一：一种用于高有机质、超高含水率河道淤泥的固化材料，按质量份数计，原料包括以下组分：

4、高炉矿渣70～85份、磷石膏5～30份、水泥1.0～5.0份、煅烧白云石粉0.5～2.0份、三氧化二铝1.5～3.0份、氧化铁0.5～1.5份、氯化钙0.5～1.0份、氢氧化钠1.0～2.0份。

5、进一步地，所述三氧化二铝的平均粒径为20～50nm；所述煅烧白云石粉的平均粒径为5～20μm，比表面积不低于600m2/kg；所述高炉矿渣的比表面积不低于600m2/kg。

6、进一步地，所述水泥为硅酸盐水泥；所述磷石膏为半水磷石膏。

7、进一步地，所述硅酸盐水泥为p.o42.5硅酸盐水泥。

8、进一步地，所述高炉矿渣和磷石膏为工业废渣。

9、进一步地，所述煅烧白云石粉的煅烧温度为900℃。

10、本发明的技术方案之二：一种高有机质、超高含水率河道淤泥的固化方法，包括以下步骤：将聚丙烯酰胺-壳聚糖复合絮凝剂配制成絮凝剂溶液；将所述絮凝剂溶液与河道淤泥混合，搅拌均匀后进行预排水；将上述固化材料与预排水后的淤泥混合，搅拌均匀后养护，实现淤泥的固化。

11、进一步地，所述预排水通过将搅拌均匀后的絮凝剂溶液与河道淤泥的混合物置于底部设有排水垫层的搅拌池中静置进行。

12、进一步地，所述静置的时间为0.5～1.0h。

13、进一步地，所述高有机质、超高含水率河道淤泥的有机质含量为5～20wt％，含水率为200～500wt％。

14、进一步地，所述聚丙烯酰胺-壳聚糖复合絮凝剂由聚丙烯酰胺和壳聚糖混合而成。

15、进一步地，所述聚丙烯酰胺-壳聚糖复合絮凝剂为粉末状。

16、进一步地，所述聚丙烯酰胺与所述壳聚糖的质量比为6:4。

17、进一步地，所述聚丙烯酰胺-壳聚糖复合絮凝剂的用量为所述河道淤泥干土质量(河道淤泥完全干燥后剩余的固体的质量)的0.12～0.18wt％；所述固化材料与预排水后的淤泥的质量比为8～15:100。

18、进一步地，所述絮凝剂溶液的浓度为0.2wt％。

19、进一步地，将所述固化材料混合均匀后再与预排水后的淤泥混合。

20、进一步地，所述养护的条件为：温度18～30℃，相对湿度大于90％。

21、本发明的固化材料的工作原理为：

22、本发明所述配比的固化材料在固化高有机质、超高含水率河道淤泥时，通过半水磷石膏吸收淤泥中的自由水，大幅度降低淤泥含水率，同时，在水泥水化反应开始之前，通过磷石膏溶解提供钙离子和硫酸根离子，三氧化二铝和氧化铁与氢氧化钠反应提供铝、铁离子，氢氧化钠激发高炉矿渣提供钙、铝离子，促进钙矾石、钙铁石快速生成，以吸附淤泥中的有机质，防止有机质对水泥水化反应的抑制作用；通过钙矾石和钙铁石吸附有机质后，以水泥作为碱激发剂，采用煅烧白云石粉和氯化钙加快水泥水化反应，提高液相中的钙离子浓度，使液相的ph值快速达到12以上；在碱和硫酸根的双重激发下，促进高炉矿渣溶解以及c-s-h胶凝和钙矾石生成的连锁反应，使固化淤泥的强度不断提高。

23、本发明首选利用复合絮凝剂的絮凝脱水率先降低河道淤泥中的自由水含量，再利用钙矾石和钙铁石的快速生成进一步降低河道淤泥中的自由水含量并吸附有机质，防止有机质对后期水泥水化反应的抑制作用；然后，将水泥作为碱激发剂，利用碱和硫酸根双重激发，促进高炉矿渣溶解以及c-s-h凝胶和钙矾石生成的连锁反应，大幅度提高固化淤泥的后期强度，并使固化淤泥ph值在28天龄期后降至8.0以下，提高固化淤泥的植生性能。

24、本发明公开了以下技术效果：

25、(1)本发明的固化材料原料包括高炉矿渣、磷石膏、水泥、煅烧白云石粉、三氧化二铝、氧化铁、氯化钙、氢氧化钠，其中的高炉矿渣、磷石膏、三氧化二铝、氧化铁以及氢氧化钠，可促进钙矾石和钙铁石快速生成以吸附淤泥中的有机质，防止有机质对后续水泥水化反应的抑制作用，同时，其中的磷石膏也可消耗淤泥中大量的自由水；其中的煅烧白云石粉和氯化钙可促进水泥水化反应，以增加液相中的钙离子浓度，使液相ph值快速达到12以上，促进矿渣溶解。以上各组分协同作用，可有效降低河道淤泥的含水量，显著提高具有高有机质、超高含水率河道淤泥的固化效果。

26、(2)本发明采用絮凝脱水和固化联合的方法，先利用聚丙烯酰胺-壳聚糖复合絮凝剂对超高含水率的河道淤泥进行预排水，通过降低初始含水率以减小后续固化材料用量。

27、(3)本发明通过促进水泥水化反应生成钙离子和氢氧根离子，同时利用半水磷石膏溶解提供的硫酸根离子，共同激发高炉矿渣不断发生连锁水化反应和钙矾石生成反应，促进c-s-h凝胶和钙矾石不断生成，利用钙矾石针、棒状晶体的相互搭接、箔片状和纤维状c-s-h的交缠攀附，形成一个三维空间牢固结合、密实的整体，大幅提高固化淤泥的长期强度。另外，本发明利用钙矾石生成反应，不断消耗液相中的钙离子和氢氧根离子，使固化淤泥ph值在28d龄期后降低至8.0左右，使其适合植物生长。

28、(4)本发明固化材料中高炉矿渣、磷石膏等工业废渣成分高达85％以上，成本约为240元/吨，常规水泥固化剂为350～450元/吨，降低了30～47％；在减少碳排放方面，由于高炉矿渣不需要煅烧，制备本发明固化材料的二氧化碳排放量约为444千克/吨，常规水泥固化剂约为894千克/吨，约降低了50％。

29、(5)本发明所提供的固化材料及固化方法最显著的优点是，针对有机质含量为5～20wt％，含水率为200～500wt％的河道淤泥，经过絮凝脱水再固化后，其3d抗压强度可稳定达到0.6mpa以上，水稳定性系数达到70％以上；28d无侧限抗压强度可达1.5mpa以上，水稳定性系数达到90％以上，且ph值降低至8～9之间，能够满足高有机质、超高含水率河道淤泥的资源化利用要求。此外，固化处置成本和碳排放量大幅度降低，具有显著的社会、经济以及环保效益。