建筑渣土泥漿廢棄物再生利用途徑

地下連續墻、鉆孔灌注樁、非開挖水平定向鉆孔、泥水加壓式盾構等工程均會不可避免地產生大量廢棄工程泥漿。隨著我國工程建設規模的不斷擴大，城市交通等基礎設施不斷向地下空間發展，導致建筑工程廢棄泥漿的摻量迅猛增加。

據統計，中國一直是世界上廢棄泥漿產量最高的國家，并且長期處于低回收利用率。建筑廢棄泥漿現有的處理方式主要是將其自然風干、擠壓等方式脫水成泥餅，再通過運輸至加工廠進行廢棄泥土的處理。

存在效率低、成本高、周期長等缺點，甚至存在廢棄泥漿偷排、亂排現象，造成周圍河湖水生態環境的破壞并危及居民飲水安全。目前關于建筑渣土泥漿廢棄物的資源再生利用手段比較匱乏，大致分為兩類分別為：固化回填，制備成為建材。

1. 建筑渣土泥漿固化處置手段

土壤固化劑主要分為三大部分無機固化器、有機固化和生物酶固化劑三大類。

1.1 無機固化劑主要的固化機理：固化劑首先會和土壤中的水分發生反應生成水化硅酸鈣、水化硫酸鈣和水化鋁酸鈣等凝膠狀水化物，這些凝膠狀物質一部分自身硬化形成骨架，一部分與土壤顆粒生成絡合物附在土壤顆粒表面并將其包裹起來，或將相近的土壤顆粒黏接起來，最終形成空間穩定的網狀結構，這種結構大大增強了土壤的穩定性，有的還會生成膨脹性物質填充網狀結構之間的孔隙，改善土壤的孔隙結構，提高強度。

1.2 有機土壤固化劑的主要原理是：組分中的某些活性物質溶于水后可以明顯降低水的表面張力，置換出土壤中的陽離子，減小電勢并減薄擴散層厚度，使得土壤顆粒之間的排斥力降低，從而易于形成壓實度更高的壓實體。除此之外，有機物相鄰鍵節上帶有正電荷并且分子量高，高分子鏈會與土壤顆粒互相纏結，形成封閉整體，提高強度和水穩性。

1.3 生物酶土壤固化劑的主要固化機理是：生物酶的催化作用和外界壓力會在黏土顆粒表面形成凝結硬化殼，而滲入內部的某種酶組分會替換土壤中凝聚能力低的離子，可打破粘土礦物的雙電層結構，排出其中的水分，促使土壤顆粒膠結、集聚。同時，吸附在黏土礦物表層和內層的固化劑能阻止對水分的吸收，并且生物酶對水泥基材料水化具有一定的促進作用，以上這些因素協同作用使生物酶固化土的強度和穩定性均有所增強。

國外學者開展了一系列基于無機固化劑（水泥類、石灰類、堿性激發類等）和有機固化劑的工程渣土固化技術研究。Kampala等采用電石渣對粉質黏土進行固化處理，并對固化土的塑性指數、最佳含水量和最大干密度等指標進行了試驗研究；

Mohammed等通過不同摻量的無水石膏和水泥固化淤泥的試驗研究，指出占摻水泥量5~15％的無水石膏能較好地提高固化土早期強度和穩定性，但是其終凝時間會延長。Eldidamony等通過研究70%水泥和5~12％高爐礦渣固化污泥的抗壓強度和耐火性，指出摻入一定含量的高爐礦渣有利于提高固化土的抗壓強度和耐火性；

Gimenez等用粉煤灰摻入硅酸鹽水泥固化污泥，對在不同配合比下固化污泥的水化反應進行了詳細的分析。Dutta等使用粉煤灰和高爐礦渣固化膨脹黏土，研究了固化土的動力特性，發現隨著粉煤灰摻量增加，剪切模量增大同時阻尼比減小。

Amira等研究了如何解決土壤固化過程中的體積膨脹問題利用石灰石粉惰性材料對土壤固化進行改性處理，結果表明利用石灰石粉固化土壤體積膨脹大幅度減小，并且對強度有一定的提升。Wang等研究了粉煤灰對固化土壤中Cd離子的遷移影響，研究表明粉煤灰的摻入對Cd離子遷移率有明顯的降低。

離子類、聚合物類以及酶類等有機固化劑由于其運輸施工方便、早期后期強度易控制、適應性強等多方面特點，也被應用到軟土固化中。Zornberg等研究了砂土中摻廢舊輪胎的力學性能，指出廢舊輪胎在一定范圍內能增強其強度。

Alzigha等比較木質素磺酸鹽與水泥處理土壤樣品的吸水性和抗凍性結果，發現木質素磺酸鹽是一種對傳統堿性摻劑既經濟又環保的替代品。Yu等利用水玻璃堿激發高爐磨細礦渣固化土壤，研究了不同模數和不同摻量水玻璃的固化效果。

結果表明水玻璃模數在0.9-1.5之間，摻量在5%左右效果時土壤固化的無側限抗壓強度最高，固化效果最好，但是利用水玻璃固化土壤會帶來一定的體積膨脹。盡管有機化合物固化劑室內固化效果研究較多，但采用有機化合物固化劑進行現場軟土加固的工程應用還非常少。

Gowshik等使用泰然酶固化膨脹性黑棉土，研究了不同泰然酶摻量和不同養護時間對固化效果的影響，結果表明隨著固化劑摻量提高，黑棉土的液限、塑限、最佳含水量均降低，最大干密度則增大，無側限抗壓強度和CBR值則隨著摻量的增大和養護時間的延長而逐漸增大。表明泰然酶改變了黑棉土的膨脹性，改性后的黑棉土可以用于道路建設。

Eujine等將泰然酶固化劑用于加固印度道路底基層土壤，得出了最適宜的添加劑量，分析了養護時間不同造成的固化土無側限抗壓強度的變化。由于固化渣土泥漿作為道路回填以及道路工程的材料，無論其附加值以及處置成本都不具備經濟可持續性。

不同區域的渣土泥漿其礦物組成，物理特性具有區域差異性，現場進行固化處置方式不具備普遍適應性，因此將建筑渣土泥漿進行加工制備成為穩定性能的建材制品，從而運用于建筑工程中，才能夠有效的形成建筑渣土泥漿的資源利用。

2. 建筑渣土泥漿制備燒結制品

建筑渣土泥漿本身不具備水化活性因而不能通過水化自身產生強度，但是由于其礦物組成如圖4所示含有較高的 SiO2、CaO 和 Al2O3，可與潛在的水硬材料（例如粒狀高爐礦渣）、火山灰材料和填料（例如石灰石粉）相媲美。因而大量學者通過燒結的方式使其產生強度制備成為燒結制品其主要工藝流程如圖5所示。

Maroto等研究了富含鋅元素的污泥結合黏土混合物，外摻粉煤灰的方式通過燒結制備輕骨料，研究表明隨著摻入含鋅污泥的比例增大，燒結出來的骨料顏色越紅。

并且隨著粉煤灰摻量的增大，燒結骨料的密度也隨之增大，同時骨料中粉煤灰的填充效應對污泥的鋅元素具有一定的封鎖作用，使得鋅溶出更少，使其重金屬浸出濃度相較于原始污泥降低了85%。Chiou等指出摻入污泥和污泥灰制備燒結骨料，在節能的考慮下，污泥灰的混合物能夠更好的燒結出普通密度的骨料，相反添加污泥能夠制備更加輕質的骨料。

Kockal等研究不同添加劑對粉煤灰在不同燒結溫度下制備骨料的性能影響，結果表明在最高溫度1200℃下所有骨料的強度和密度均隨粘接劑含量的增加而降低。李潤東等利用市政淤泥和脈石、粉煤灰混合通過燒結制備輕骨料如圖所示，研究表明隨著淤泥的摻量占比增大，燒結得到的輕骨料強度和密度減小。隨著燒結溫度的增大，骨料的孔隙率先減小后增大，在1250℃達到最小，同時吸水率和強度密度都是在1250℃達到最優值。

廢棄泥漿制備成建材制品主要工藝流程

曹云等研究了淤泥化學組分對燒結制備的輕骨料性能的影響，研究表明隨著淤泥組分中的SiO2含量從25%到40%，骨料的強度從0.5MPa增大至6.18MPa，密度從755kg/m3增大至1268kg/m3，同時1h吸水率從50%減少至14%。淤泥組分中的Al2O3含量在20%-30%時可以燒結制備輕質多孔骨料，但是過量會引起結晶的抑制作用。

淤泥組分中的CaO含量從20%增加至21%時，骨料的性能發生了巨大的變化，強度從8.82MPa減小為2.02MPa，密度從1300kg/m3減小至862kg/m3,1h吸水率從4%增大至36%，表明CaO的含量增加使得燒結過程中產生了更多的CO2，導致骨料中形成更多的孔隙。劉榮等研究了燒結溫度、溫度提升速率、燒結時間對燒結骨料的性能影響，研究表明燒結溫度從1130℃上升到1160℃會使得燒結陶粒的微觀結構逐漸變得更加密實，使得強度從0.1MPa增加至3.64MPa，1h吸水率從68%下降至25%。

溫度提升速率從15K/min是最適合燒結骨料強度成長的，對吸水率的抑制效果最好，但是對骨料密度影響不大。Yee等研究了原材料組成、燒結過程、預熱過程對燒結骨料的性能影響，研究表明預熱溫度為500℃，預熱時間為10min，燒結溫度為1175℃，燒結時間為15min對燒結陶粒的性能達到最優，當淤泥摻量為27%時，陶粒強度達到23.2MPa。

劉明偉等研究淤泥組分堿性（氧化鐵、氧化鈣、氧化鎂）與酸性（二氧化硅、氧化鋁）的比值K對陶粒性能的影響。研究表明當K值在0.15-0.3的時候輕骨料達到最小的吸水率、最小的鹽酸溶解度、最大的顆粒密度、最大的堆積密度，當K的值在0.2的時候，

二氧化硅：氧化鋁為4：1到1：1，

Fe2O3:CaO:MgO在5:2.2:1~1.7:1.9:1時輕骨料的強度最大達到了17.07MPa。Ying等研究了燒結溫度和取代組分對燒結陶粒性能的影響。

其制備過程如圖所示，研究表明用綠色紙淤泥替代普通燒結粘土，能夠有效的降低燒結溫度，能夠降低能耗。綠色紙淤泥摻量最優范圍在10%-50%，紙漿淤泥的最佳范圍在10%-40%，制備出的輕骨料顆粒密度為0.66~1.69g/cm3，吸水率為5%-30%，燃燒損失為10%-43%，隨著紙漿淤泥摻量占比的增加，燃燒損失會增大。

燒結骨料實驗室制備過程

整體上利用渣土淤泥制備燒結骨料的研究已經比較全面，其制備出來的骨料產品性能參數已經達到了工程利用的要求。

許多學者進一步研究在混凝土中利用渣土廢棄物制備的骨料替代天然骨料，對混凝土的性能影響，普遍對強度起到減小不利作用，不過面向工程需求不高的工程是可行的使廢棄物變為建筑資源途徑但是該方法具有一定的提升空間，諸如燒結過程中的CO2排放量，燒結工藝使得該方法的能耗大大提升，不利于節能降耗。

關于泥漿固化劑產品特點

固化時間短，成型快

① 通過和泥漿中水分發生化合反應，可以使含水率80%左右的污泥在添加后稠化失去流動性，晾曬時加速水份蒸發，加快干化脫水速度。

② 加入后自然狀態下即可加速失水速度，不使用干化設備即可達到要求，如使用設備干化時加入少量干化劑則可加快處理速度，減少熱量消耗。

③ 添加后污泥膠體性質即刻被破壞，毛細管迅速建立并增加、擴散，使污泥內部水分向外擴散揮發通道打開，利于污泥的迅速干化。