本发明涉及淤泥资源化利用，特别是涉及一种适用于高含水率淤泥早期强度快速提升的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，每年会产生大量的河道疏浚淤泥。通常，河道疏浚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，且淤泥中还存在较高含量的有机质，如何经济、有效地处置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。
2、淤泥固化处置是通过加入固化剂来降低淤泥的含水率，改变淤泥的物理化学性质，从而将废弃淤泥转化为水利、道路、水运等工程中的优良填筑材料。因此，对河道疏浚淤泥进行固化处理不仅解决了土地占用以及水土污染的问题，还实现了废弃淤泥的资源化利用，有着巨大的社会和经济价值。
3、然而，需要指出的是，对于高含水率、高有机质含量的河道疏浚淤泥，常规的固化材料通常存在固化效果差、用量大，同时还在存在碳排放量高的问题，如水泥、石灰基固化剂等。因此，针对高含水率河道疏浚淤泥，亟需研发经济有效且环保的绿色新型固化材料。另外，对于固化土破碎压实施工方法，采用现有的大部分新型固化材料，淤泥固化后28d的龄期强度通常能够满足破碎碾压施工要求，但3～7d龄期以内的早期强度却难以达到设计强度目标，这使得固化淤泥的前期养生时间大大延长，不仅导致固化淤泥破碎压实施工效率降低，还要求工程中有足够的堆场进行养生，造成工程施工成本大幅度增加。
技术实现思路
1、本发明的目的是提供一种适用于高含水率淤泥早期强度快速提升的固化材料及固化方法，以解决现有固化材料针对高含水率、高有机质河道疏浚淤泥固化效果差、早期强度低以及资源化利用难度大的工程问题，大幅提升高含水率固化淤泥的早期强度。
2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
3、本发明技术方案之一：提供一种淤泥固化材料，所述淤泥固化材料包括外加剂和主固化材料；
4、按照质量份数计，所述外加剂的原料包括：硅酸镁18～20份、硫酸铝15～18份、聚合硫酸铁10～13份、硫酸铵22～26份和生石灰24～26份；
5、按照质量份数计，所述主固化材料的原料包括：高炉矿渣50～70份、钢渣5～10份、电石渣15～25份和磷石膏8～15份。
6、所述外加剂的质量为所述主固化材料质量的3～4wt％。
7、进一步地，所述外加剂由硅酸镁、硫酸铝、聚合硫酸铁、硫酸铵和生石灰按照质量份数配比混合得到；所述主固化材料由高炉矿渣、钢渣、电石渣和磷石膏按照质量份数配比混合得到。
8、本发明技术方案之二：提供上述淤泥固化材料在高含水率淤泥固化中的应用，所述高含水率淤泥的含水率为100-600wt％，有机质含量为10～15wt％。
9、本发明中，淤泥含水率采用土力学定义：含水率＝土中水的质量/干土质量。
10、本发明技术方案之三：提供一种高含水率淤泥固化方法，采用上述淤泥固化材料，所述方法包括如下步骤：
11、将硅酸镁、硫酸铝、聚合硫酸铁、硫酸铵和生石灰按照质量份数配比混合得到所述外加剂；
12、将高炉矿渣、钢渣、电石渣和磷石膏按照质量份数配比混合得到所述主固化材料；
13、将所述外加剂加入高含水率淤泥中，搅拌10～15min后，得到预处理淤泥，之后将所述主固化材料加入所述预处理淤泥中，养护，实现高含水率淤泥的固化；
14、所述高含水率淤泥的含水率为100-600wt％，有机质含量为10～15wt％。
15、进一步地，所述主固化材料的添加量为所述高含水率淤泥中湿土质量的5～15wt％。
16、进一步地，所述养护的温度为15-30℃，相对湿度＞85％。
17、进一步地，当所述高含水率淤泥的含水率＞160wt％且≤600wt％时：将所述外加剂加入高含水率淤泥中，搅拌10～15min后，静置5～10min使泥水分离，抽离上清液，得到预处理淤泥，之后将所述主固化材料的原料加入所述预处理淤泥中，养护，实现高含水率淤泥的固化。
18、本发明基于先快速絮凝脱水再固化的设计思路，先利用外加剂进行絮凝脱水，再利用工业废渣(高炉矿渣、钢渣、电石渣和磷石膏)进行第二阶段的固化，由此开发固化效果好、早期强度高的绿色新型固化材料及固化方法，满足高含水率河道淤泥资源化利用的需求。
19、本发明固化材料的工作原理为：
20、本发明所述配比的固化材料在固化高含水率河道疏浚淤泥时，先通过加入外加剂对淤泥进行絮凝脱水，其中外加剂中的硫酸铝、聚合硫酸铁和生石灰通过凝聚悬浮颗粒，形成絮凝物；硫酸铵与水反应生成硫酸，硅酸镁与硫酸反应生成硫酸镁和胶体二氧化硅，生成的硫酸镁利用离子交换和电中和作用将细小的悬浮颗粒和小的絮凝物聚集成较大的团簇，从而加快其沉淀或凝结成固体物质，而生成的胶体二氧化硅利用其强烈的吸附架桥性能，将细小而松散的絮凝物及团簇变得粗大而密实，从而加快淤泥沉淀脱水；此外，通过施加外加剂，在淤泥中引入的铝离子、钙离子、硫酸根离子等能促进后续固化阶段钙矾石生成，而镁离子和铁离子对淤泥中的重金属离子具有络合吸附作用，对淤泥中的重金属离子具有稳定化效果。之后，在絮凝脱水后的淤泥中加入工业废渣基固化剂，其中电石渣和钢渣为碱激发剂，磷石膏为硫酸盐激发剂，通过碱激发和硫酸盐激发共同促进高炉矿渣中活性二氧化硅和活性氧化铝的解聚、溶解，同时联合絮凝脱水阶段中引入的铝离子、硫酸根离子等促进钙矾石快速生成，而外加剂中的硅酸根离子也可以加速c-s-h的生成，从而提高固化淤泥的早期强度。
21、本发明首选利用硅酸盐、铝盐和铁盐复合外加剂进行絮凝脱水，率先降低河道淤泥中的自由水含量，同时引入能够促进钙矾石快速生成的铝离子、钙离子、硫酸根离子等离子，再利用以高炉矿渣、钢渣、电石渣和磷石膏为主要成分的工业废渣基固化剂，促进钙矾石和c-s-h快速生成，实现固化淤泥的早期强度的大幅度提升。
22、本发明公开了以下技术效果：
23、(1)本发明的外加剂由硅酸镁、硫酸铝、聚合硫酸铁、硫酸铵、生石灰混合而成，其中外加剂中的硫酸铝、聚合硫酸铁和生石灰通过凝聚悬浮颗粒，加快絮凝物生成；硫酸铵与水反应生成硫酸，硅酸镁与硫酸反应生成硫酸镁和胶体二氧化硅，生成的硫酸镁利用离子交换和电中和作用将细小的悬浮颗粒聚集成较大的团簇，促进沉淀和凝结成固体物质，而生成的胶体二氧化硅具有强烈的吸附架桥功能，可使絮凝物变得粗大而密实，从而加快淤泥絮凝沉淀脱水；此外，通过掺入外加剂，在淤泥中引入的铝离子、钙离子、硫酸根离子等能够促进后续固化阶段钙矾石生成，且镁离子和铁离子对淤泥中的重金属离子具有络合稳定化效果。
24、(2)本发明的主固化材料主要由高炉矿渣、钢渣、电石渣和磷石膏组成，其中，利用钢渣和电石渣作为碱激发剂，磷石膏作为硫酸盐激发剂，共同激发高炉矿渣中的活性二氧化硅和活性氧化铝的解聚、溶解，从而促进钙矾石的快速生成，同时利用引入的硅酸根离子加速c-s-h生成，通过协同作用提升高含水率河道疏浚的早期固化效果。
25、(3)本发明采用外加剂和固化剂两段式施加的方法，先利用外加剂对高含水率进行絮凝沉淀脱水，并引入铝离子、钙离子、硫酸根离子等能够促进钙矾石生成所需的离子，再利用主固化材料对絮凝脱水后的淤泥进行固化，通过该方法处理的固化淤泥3d、7d无侧限抗压强度较不掺入外加剂时可提高1.5～2.0倍，能够满足固化淤泥破碎压实土的快速施工及资源化利用要求，具有显著的工程价值。
1.一种淤泥固化材料，其特征在于，所述淤泥固化材料包括外加剂和主固化材料；
2.根据权利要求1所述的淤泥固化材料，其特征在于，所述外加剂由硅酸镁、硫酸铝、聚合硫酸铁、硫酸铵和生石灰按照质量份数配比混合得到；所述主固化材料由高炉矿渣、钢渣、电石渣和磷石膏按照质量份数配比混合得到。
3.如权利要求1所述的淤泥固化材料在高含水率淤泥固化中的应用，其特征在于，所述高含水率淤泥的含水率为100-600wt％，有机质含量为10～15wt％。
4.一种高含水率淤泥固化方法，其特征在于，采用权利要求1所述的淤泥固化材料，所述方法包括如下步骤：
5.根据权利要求4所述的高含水率淤泥固化方法，其特征在于，所述主固化材料的添加量为所述高含水率淤泥中湿土质量的5～15wt％。
6.根据权利要求4所述的高含水率淤泥固化方法，其特征在于，所述养护的温度为15-30℃，相对湿度＞85％。
7.根据权利要求4所述的高含水率淤泥固化方法，其特征在于，当所述高含水率淤泥的含水率＞160wt％且≤600wt％时：将所述外加剂加入高含水率淤泥中，搅拌后静置，抽离上清液，得到预处理淤泥，之后将所述主固化材料的原料加入所述预处理淤泥中，养护，实现高含水率淤泥的固化。
