非饱和固化淤泥中重金属的迁移规律及离心机模拟研究

使用固化-稳定化技术处理疏浚泥（淤泥）可使大量的废弃物通过材料改性变成再生土工材料，对环境保护和资源的可持续发展具有重要意义。但是由于目前的淤泥大多含有重金属等污染物，所以当固化淤泥进行资源化利用时，除了能够满足作为工程材料的力学要求之外，从可持续发展的观点来看，必须避免对环境造成二次污染，因此通过掌握固化淤泥在长期恶劣的外界环境中重金属物质的迁移规律与如何调整固化水平建立控制固化淤泥二次污染的方法是推广淤泥固化-稳定化处理技术的关键问题。本研究拟通过（1）从水泥固化-稳定化过程中水分势能转化和水化物产生量之间的定量关系，建立相对应的固化材料配方、添加量与固化淤泥渗透特性、重金属弥散特性、化学稳定性等之间的相关关系；（2）离心与数值模拟在酸雨入渗与干湿循环等环境条件下固化淤泥中重金属的长期迁移规律，从力学性质与控制固化淤泥二次污染方面考虑对固化材料的配方和添加量进行优化设计。

使用固化-稳定化技术处理疏浚泥（淤泥）可使大量的废弃物通过材料改性变成再生土工材料，对环境保护和资源的可持续发展具有重要意义。但是由于目前的淤泥大多含有重金属等污染物，所以当固化淤泥进行资源化利用时，除了能够满足作为工程材料的力学要求之外，从可持续发展的观点来看，必须避免对环境造成二次污染，因此明确固化淤泥在恶劣外界环境中重金属物质的迁移规律是推广固化淤泥资源化利用的关键问题。本项目研究主要内容分为室内单元试验与离心机及数值模型两个部分。室内单元试验部分主要进行了土水特征曲线、饱和与非饱和渗透、动态与静态浸出、压汞与X射线衍射等试验。分别探讨了膠凝材料(水泥与谷壳灰)与其掺量、初始含水率、固化龄期与浸取液酸碱性等因素对固化淤泥持水、渗透与重金属(铅与铜)扩散及浸出特性的影响。并通过水分势能转化、微观孔径分布与X射线衍射等方法分析了固化淤泥的物理封闭与化学稳定机理。离心机与数值模型部分主要通过模拟模型法验证了离心机模拟固化淤泥中重金属弥散行为的相似性，并数值模拟了离心机土柱试验的重金属长期迁移行为。主要研究结果为：(1)通过水化产物中的结合水增量与矿物水增量评价水化反应对固化淤泥持水与渗透特性的影响，并分别建立了与空气进入值和饱和渗透系数之间的定量关系。(2)基于毛细管理论模型，通过孔径分布曲线预测了固化淤泥的土水特征曲线，并建立了孔径参数与饱和渗透系数的定量关系。(3)明确固化淤泥中铅与铜的不同浸出机理，铜离子的表观扩散系数比较铅离子小4-6个数量级，但在强酸条件下其最大浸出率明显比铅离子高。表明铅与铜的固化稳定化机理并不完全一致，铅以物理包裹为主，但铜则以化学稳定为主。从孔径分布曲线发现含铅固化淤泥相对含铜固化淤泥具有更多从胶凝水化产物形成的微小孔隙，因此铅被这些无定型纳米级胶凝水化产物包裹或吸附在表面。从X射线衍射分析中可以检测到硅酸铜、铝酸铜等含铜沉淀，却没有含铅化合物。这些铜化合物可能沉淀在水化产物的表面，所以更容易与外界的酸性环境发生反应。(4)用于判别离心机模拟砂土中重金属弥散行为相似性的标准并不适用于固化淤泥，发现其Pe数的临界值为0.001远小于砂土的临界值(Pe=1)。