为了在处理废弃淤泥的同时能消纳工业废渣，研究了七种大宗工业固废与水泥协同固化淤泥的效果。根据对固化淤泥无侧限抗压强度的影响效果，可以将工业固废分为增强型和劣化型，高炉矿渣、电石渣、钢渣和粉煤灰为增强型工业废渣，磷石膏、赤泥和碱渣为劣化型工业废渣，并且将工业废渣按照对固化淤泥无侧限抗压强度的提升效果依次排序为高炉矿渣＞电石渣＞钢渣＞粉煤灰＞未掺入＞磷石膏＞赤泥＞碱渣。通过扫描电镜试验揭示了不同工业废渣-水泥协同固化淤泥的微观形貌。该研究结果可为疏浚淤泥固化处理工程的工业废渣种类选择提供设计依据。

1.2  试验方案

固化剂掺量定义为固化剂质量与湿土质量之比。图1为整体试验流程，具体步骤如下：将淤泥与固化剂按比例放入搅拌机搅拌均匀；将混合料分三层装入直径为39.1mm、高为80mm的圆柱状有机玻璃筒内，使用振实台充分插捣振实，1-2天后脱模，将试样用保鲜膜包裹后养护；养护至指定龄期后，使用南京土壤仪器厂WCY-1型无侧限压力仪开展无侧限抗压强度试验，控制加载速率为2.0mm/min，取3个平行试样的强度均值作为实测值；完成强度测定后，取养护龄期为28d的代表性试样在60°温度下烘干后，将待测断面喷金后进行SEM试验，仪器型号为Hitachi Regulus 8100。淤泥固化处理中固化剂掺量一般在5%至20%，为方便研究水泥与工业废渣的复掺效果，将水泥掺量固定为5%，工业废渣掺入量设为10%、20%和30%。在试验中根据试验结果又增设部分掺量，最终试验方案如表3所示。

2.1  工业废渣种类对水审稿泥固化淤泥强度的影响

将单一的不同种类工业废渣与水泥复掺，水泥掺量为5%。结果发现部分工业废渣对固化淤泥强度有提升作用，为增强型工业废渣，而一些工业废渣的掺入反而会降低固化淤泥强度，为劣化型工业废渣。

图2为向水泥固化淤泥中分别掺入高炉矿渣、电石渣、钢渣和粉煤灰时的强度变化情况。由图2a可知，高炉矿渣5%到10%掺量区间内强度急剧上升，最优掺量为20%。以28d强度为例，向水泥固化淤泥中加入高炉矿渣后，5%高炉矿渣掺量下强度仅为未掺入的强度的3.2倍，掺量提高至10%时，强度则提高至9.3倍。继续增加高炉矿渣掺量，强度先缓慢上升，之后略有下降。由图2b可知，伴随着电石渣掺量的增加，水解的电石渣使固化淤泥碱性增强，水泥固化淤泥的28d强度上升，最优掺量同样为20%。值得注意的是，较短龄期时，随着掺量增加，反而出现了强度下降现象。这可能是由于电石渣掺量增多，导致淤泥中自由水消耗量增加，水化反应因缺水而进行缓慢。随着养护时间继续增加，外界水分逐渐进入试样内，水化反应得以继续。由图2c可知，随着钢渣加入，固化土强度一直上升，这是因为向淤泥中掺入活性较强的水泥后，发生水化反应会产生利于钢渣水化的碱性环境，加速钢渣粉水化[8]。向水泥固化淤泥中加入粉煤灰（图3d），发现粉煤灰掺量与粉煤灰-水泥固化淤泥强度成正相关的同时，加入粉煤灰对水泥固化淤泥强度的提升效果较弱。

图3为向水泥固化淤泥中分别掺入磷石膏、赤泥和碱渣时的强度变化情况。由图3a可知，随着磷石膏掺量的增加，水泥固化淤泥强度先下降后上升。究其原因，在磷石膏掺量小于30%时，由于磷石膏生成的膨胀性结晶物Aft过多，使得固化淤泥结构破坏，导致强度下降[5]。而当磷石膏掺量接近30%时，磷石膏的角色由固化剂转变为被固化的基质土，大量磷石膏加入改变基质土的性质：①磷石膏的含水率比淤泥低，磷石膏大量掺入降低了疏浚淤泥-磷石膏混合基质土的含水率；②磷石膏较疏浚淤泥砂粒（0.075mm~2mm）含量更多，磷石膏掺入使得疏浚淤泥-磷石膏混合基质土不断“砂化”，增多的孔隙能够容纳下膨胀性物质Aft，反而使得整体结构趋于稳定[6]。向水泥固化淤泥中加入赤泥（图3b），随着赤泥掺量的增加，水泥固化淤泥强度不断降低，并且强度下降规律与碱渣类似（图3c），主要发生在0~10%掺量内，加入10%掺量赤泥后的固化土强度下降了47%。这是由于拜耳赤泥未经过高温煅烧以及快速冷却，含有硅铝玻璃体相活性物质，未经活化即作为胶凝材料反而起到相反效果。向水泥固化淤泥中掺入碱渣，碱渣掺量为10%时固化土强度仅为未掺入时的36.8%。

2.2  养护龄期对固化淤泥强度的影响

根据前文可知，根据对固化土强度的影响趋势，可以将工业废渣分为增强型和劣化型。因此，继而研究了相同工业废渣掺量下，七种不同工业废渣与水泥协同固化淤泥的固化效果。工业废渣掺量均为10%，水泥掺量为5%，试验结果如图4所示。对七种工业废渣协同水泥固化淤泥的强度提升效果进行排序：高炉矿渣＞电石渣＞钢渣＞粉煤灰＞未掺入＞磷石膏＞赤泥＞碱渣。

高炉矿渣组强度最高，固化淤泥强度增长速度随养护龄期的增加逐渐变缓，这是因为在水泥水化产生的碱性环境下，高炉矿渣中活性氧化物质产生的胶凝物质使固化土强度迅速增加。同时，较水泥而言，高炉矿渣细度更大，水解速度更为迅速，因此前期强度增长迅速。与高炉矿渣相比，电石渣中CaO含量更高，Al2O3与SiO2含量较低，因此胶结性水化产物少，强度表现不如高炉矿渣组。可以发现电石渣-水泥组的龄期与强度曲线呈下凹状，这是由于电石渣存在缓凝性。从28d时的强度水平来看，掺入高炉矿渣和电石渣后强度分别提升了826%和138%。

水泥水化产生的碱性条件会加速钢渣水化，较为掺入组相比，强度增加了14%。向水泥固化淤泥中加入粉煤灰后，水泥固化淤泥强度仅提升6%，但金裕民等[12]指出粉煤灰除了与水泥产物发生火山灰反应，还能填充固化淤泥的孔隙，提高固化淤泥的致密性。而掺入磷石膏、碱渣、赤泥后，水泥固化淤泥强度均出现下降，下降幅度分别为38%、47%和63%。

2.3  固化淤泥微观形貌

利用扫描电镜试验分析各种固化剂下固化淤泥的微观形貌。图5为素土和5%水泥掺量固化淤泥的扫描电镜图片。素土组（图5a）中土颗粒成片状搭接，无连接作用，宏观上表现为淤泥呈流动状态。向淤泥中加入5%掺量水泥后（图5b），可见在土颗粒表面以及孔隙中有针片状的C-A-H以及絮状、网状C-S-H产生，固化淤泥整体性得到增强。

图6为七种工业废渣与水泥协同固化淤泥的扫描电镜图片。向水泥固化淤泥中加入高炉矿渣后，可见在土颗粒中穿插着许多连接紧密的蜂窝状水化产物（图6a）。加入电石渣后，电石渣在淤泥中的水作用下发生水化，增加固化淤泥中的碱性以及析出大量钙离子，并且图中出现蜂窝状与絮状水化产物，使得固化淤泥强度提高（图6b）。加入钢渣后，土颗粒的孔隙间生成相互交叉的针状水化产物以及零星分布的絮状水化产物（图6c）。加入粉煤灰后，在水泥产生的水化产物的基础上，针状水化产物不断增多（图6d）。

向水泥固化淤泥中加入磷石膏后，可见试样中充斥着许多短棒状水化产物，即钙矾石Aft。由于钙矾石的膨胀作用，将水泥固化淤泥从内部“涨破”，孔隙增多，使得固化淤泥强度下降（图6e）。加入赤泥后，絮状水化产物较水泥固化淤泥减少，与之对应的宏观表现为无侧限抗压强度下降（图6f）。加入碱渣后，出现了松散片状产物，并且生成短棒水化产物，土体中存在多处孔隙，宏观上表现为无侧限抗压强度降低（图6g）。