污泥灰改性黏土強(qiáng)度特性試驗研究

戴睿，楊建康，王庚午

(武漢輕工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430023)

摘要：研究了一種新的處理利用污泥灰的方法，將適量的污泥灰摻入黏土當(dāng)中制成一種新的混合材料。為了研究污泥灰改性黏土混合材料的抗壓強(qiáng)度特性，通過擊實試驗、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗，確定了污泥灰改性黏土混合材料的擊實曲線及抗壓強(qiáng)度值。采用混合材料和純黏土各自最大干密度值制備試樣，進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗。試驗測得5%、10%、15%污泥灰含量的混合材料試樣最大干密度分別為1.60g/cm3、1.56g/cm3、1.5g/cm3，最優(yōu)含水率分別為20.5%、18.9%、17.9%，而不含污泥灰的純黏土對比試樣，其最大干密度為1.66g/cm3，最優(yōu)含水率為22%，試驗結(jié)果表明：隨著污泥灰量的添加，試樣的最優(yōu)含水率、最大干密度、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均有所減少，且隨著污泥灰含量的增大，其值隨之逐漸減少。

關(guān)鍵詞：污泥灰；黏土；擊實曲線；抗壓強(qiáng)度

收稿日期：2014-10-28.修回日期：2015-01-14.

作者簡介：戴睿(1988-)，男，碩士研究生，E-mail：dairui1130@163.com.

文章編號：2095-7386(2015)03-0084-04

DOI:10.3969/j.issn.2095-7386.2015.03.018

中圖分類號：TU 443

Experimental study on strength characteristics of

modified clay by sewage sludge ash

DAIRui，YANGJian-kang，WANGGeng-wu

(School of Civil Engineering and Architecture，Wuhan Polytechnic University，Wuhan 430023，China )

Abstract：This paper presents a new method of disposal and utilization of sludge ash. Moderate sludge ash mixed with clay, which made a new hybrid materials. In order to study the compressive strength characteristics of sewage sludge ash modified clay hybrid materials, carry out the compaction test, unconfined compressive strength test, determine the compaction curve and compressive strength of sludge ash modified clay hybrid materials value. The maximum dry density of the mixed materials and pure clay was used to make the experimental samples for the unconfined compression strength test. The maximum dry density of three kinds of sewage sludge ash content (5%、10%、15%) are 1.60g/cm3, 1.56g/cm3,1.5g/cm3,the optimum water content are 20.5%, 18.9%, 17.9%, and the contrast sample of pure clay with 0% sludge ash , the maximum dry density is 1.66g/cm3, the optimum water content is 22%. This test results show that, with the addition of sewage sludge ash, the optimal water sample rate, maximum dry density, the unconfined compressive strength are decreased and with the increase of sludge ash content, the value of unconfined compressive strength will be gradually reduced.

Key words：sewage sludge ash；clay；compaction curve；compressive strength

1引言

近年來，隨著中國城市化進(jìn)程的加快和人民生活水平的提高，中國城鎮(zhèn)污水處理廠數(shù)量逐年增加，污水處理能力不斷提高，由此產(chǎn)生的污泥量也日益增加。據(jù)統(tǒng)計2010年全國共產(chǎn)生濕污泥量超過3 000萬噸(含水率80%)[1]。目前，國內(nèi)外處理污泥方法主要有填埋、堆肥、土地利用、焚燒和熱解等[2]。其中，污泥焚燒可以最大限度地使其減量化和無害化,隨著污泥熱值的逐漸增加, 焚燒處理得以推廣, 但產(chǎn)生的污泥焚燒灰(以下簡稱污泥灰)仍需要去處理[3]。將污泥灰作為建筑材料加以利用是污泥灰資源化技術(shù)的重要發(fā)展方向之一，利用污泥灰的吸附性吸附重金屬的研究成果較豐富，甘義群, 夏暢斌, 尹奇德，張麗等專家學(xué)者所做試驗研究表明污泥灰可以作為一種良好的吸附材料在環(huán)境和建筑工程中利用[4-6]；Joo—Hwq Joy等[7]采用污泥灰做波特蘭水泥混凝土的填料試驗研究表明，污泥灰含量的增加，試樣的收縮稍微有所減少，試樣的終凝抗壓強(qiáng)度也有所減少，通過控制污泥灰的添加量，其抗壓強(qiáng)度可以控制在規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)值內(nèi)，因此，污泥灰可以作為混凝土的填料。

筆者提出的污泥灰改性黏土混合材料處理污泥灰的方法，是將適量的污泥灰摻入黏土當(dāng)中，制成一種新的混合材料應(yīng)用到垃圾填埋場襯墊系統(tǒng)當(dāng)中，既可以減少填埋場襯墊黏土材料的用量，又可以實現(xiàn)污泥灰的資源化利用。為了評價污泥灰改性黏土在襯墊系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性，本試驗研究采用擊實試驗和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗，確定混合材料的擊實曲線和混合材料抗壓強(qiáng)度值。

2試驗材料與方法

2.1材料及組成

試驗用黏土取自武漢市東西湖地區(qū)天然黏土，未受到污染，可以作為實驗材料。黏土樣品物理性質(zhì)和化學(xué)成分見表1和表2，其中ρdmax為最大干密度，Wopt為最優(yōu)含水率。

表1黏土的物理性質(zhì)指標(biāo)

孔隙比eρdmax/(g·cm-3)Wopt/%液限/%塑限/%0.421.662247.627.7

表2　黏土的化學(xué)成分　%

參照土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)GB_T50123-1999對黏土試樣進(jìn)行顆粒分析試驗，粒徑0.075 mm以上的土采用篩分法，粗篩孔徑分別為10，9.5，8，5，2 mm，細(xì)篩孔徑分別為1，0.8，0.5，0.25，0.1，0.075 mm。粒徑0.075 mm以下的土采用移液管法。顆粒分析試驗結(jié)果如圖1所示，試驗用天然黏土顆粒粒徑主要集中在10—1 mm之間，占總體質(zhì)量的91%，1—0.075 mm粒徑的顆粒占總體質(zhì)量的7%，小于0.075 mm粒徑的占總體質(zhì)量的2%。

圖1　黏土級配曲線

污泥試驗樣品由武漢市某污水處理廠取得。污泥的基本物理性質(zhì)指標(biāo)如表3所示。

表3污泥的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

pH值比重/(g·mL-1)有機(jī)質(zhì)含量/%含水率/%孔隙比滲透系數(shù)/(cm·s-1)抗壓強(qiáng)度/(kg·cm-2)6.941.2343.548.63.351.21×10-80.065

試驗用污泥，首先需要研究污泥的可變性，取不同批次、不同時間的5組污泥樣品，將取得的污泥樣品放置在恒溫干燥箱中，溫度設(shè)置為100 ℃，每3 h測一次污泥樣品的質(zhì)量，直至樣品達(dá)到恒重狀態(tài)取出，將干化的污泥放進(jìn)馬弗爐中進(jìn)行高溫焚燒5 h，溫度設(shè)定為850 ℃，去除污泥中的有機(jī)質(zhì)。經(jīng)過充分焚燒的污泥灰，其顏色由黑色變?yōu)橥咙S色或紅褐色。將充分焚燒的污泥灰用球磨機(jī)研磨過1.5 mm標(biāo)準(zhǔn)篩。制得的污泥灰樣品成分見表4。從表4可以看出，5組污泥灰成分的百分比較為接近，可以作為本次試驗材料。

表4　污泥灰的化學(xué)成分　/%

制備5%、10%、15%，3種不同污泥灰含量的混合材料和不含污泥灰的純黏土試樣，根據(jù)土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)[8]GB_T50123-1999開展輕型擊實試驗和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗，研究污泥灰的含量對其最大干密度及無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，用不含污泥灰的純黏土試樣作對比試驗。

2.2試驗方法與原理

本次擊實試驗采用輕型擊實。干法制備5%、10%、15%污泥灰含量的混合材料和純黏土試樣，按照土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)GB_T50123-1999制備各組試樣并開展輕型擊實試驗。測定并計算各組擊實完畢后試樣的密度ρ0與最終含水率ω，確定3種污泥灰含量混合材料及純黏土試樣各最大干密度值。需要注意的是，制備每一個含水率試樣時，需要做3個平行含水率試樣，所得干密度值取其平均值；測定最終試樣的含水率時，須在試樣不少于3個位置取土測定，取其平均值。各污泥灰含量混合材料的最大干密度如圖3所示。

基于各污泥灰含量的混合材料和純黏土的最大干密度值，制備無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗的4種試樣。采用應(yīng)變控制式無側(cè)限壓縮儀進(jìn)行試驗，軸向應(yīng)變速率設(shè)置每分鐘應(yīng)變3%，試驗前期，軸向應(yīng)變小于3%時，每隔0.5%的應(yīng)變讀取測力計數(shù)值；軸向應(yīng)變大于3%后，每隔1%的應(yīng)變讀取測力計數(shù)值。出現(xiàn)峰值后，繼續(xù)進(jìn)行3%—5%的應(yīng)變后，終止試驗；無峰值時，試樣應(yīng)變達(dá)到20%終止試驗。

3結(jié)果與討論

從圖3看出，純黏土即污泥灰含量為0%的試樣最大干密度值最大，其值為1.66 g/cm3，最優(yōu)含水率為22%，污泥灰含量為5%的最大干密度、最優(yōu)含水率值次之，分別為1.60 g/cm3，20.5%；污泥灰含量為10%的最大干密度、最優(yōu)含水率值排第三，為1.56 g/cm3，18.9%，污泥灰含量為15%的最大干密度、最優(yōu)含水率值最小，分別為1.5 g/cm3，17.9%。

圖3　不同污泥灰含量的黏土混合料擊實曲線

試驗表明，污泥灰的添加，使混合材料的最大干密度和最優(yōu)含水率均有所減小，且污泥灰的添加量越大，其值減小量越大。這是因為，污泥灰多孔且形狀不規(guī)則，不能與粘土顆粒進(jìn)行緊密的排列組合，且污泥灰顆粒與黏土顆粒間粘聚力較小，最終導(dǎo)致混合材料整體結(jié)構(gòu)變得松散，密實程度降低。

對純黏土(污泥灰含量為0的試樣)進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗時，達(dá)到試樣臨界破壞強(qiáng)度時，純黏土試樣出現(xiàn)裂縫，繼續(xù)施壓，裂縫逐漸發(fā)展成為一個完整的破裂面，試樣瞬間失去承載能力，且試樣橫向變形不明顯，如圖4所示。

圖4　混合材料破壞形態(tài)

對其余三種混合材料進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗，當(dāng)達(dá)到污泥灰混合料試樣的臨界破壞強(qiáng)度時，隨著污泥灰含量的增加，試樣表面裂縫的出現(xiàn)越遲緩，繼續(xù)施壓，試樣很快失去承載能力，污泥灰含量為15%的試樣破壞后沒有出現(xiàn)一個完整的破裂面。表面隨著污泥灰含量的不斷增加，試樣在破壞過程中，試樣中間部分向外圍鼓起，產(chǎn)生的橫向變形隨之加大，破壞后呈現(xiàn)多個碎塊。

圖5給出了污泥灰改性黏土混合材料的污泥灰含量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系。Daniel等[9]認(rèn)為作為襯墊系統(tǒng)材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不能小于200 kPa。本次無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗中，純黏土試樣臨界無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值為368.2 kPa；5%，10%，15%污泥灰含量的各混合材料臨界無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值分別為337.2 kPa，293.1 kPa，245.9 kPa，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度對比純黏土分別下降了8.4%、20.4%、33.2%，但均大于200 kPa。試驗表明，黏土摻入污泥灰，其抗壓強(qiáng)度減小，且隨著摻入量的增大逐漸減小。

盡管不可能從部分已知元素中恢復(fù)所有的低秩矩陣，但是可以期望恢復(fù)其中的絕大多數(shù)矩陣.要恢復(fù)一個低秩矩陣，可以先將其轉(zhuǎn)化為求解下面的矩陣秩最小化問題：

從圖5中可見，混合材料抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變的增大有一段線性增長階段，在這階段，污泥灰混合材料的軸向應(yīng)力均略大于純黏土，試驗顯示，污泥灰的摻入能提高材料的前期強(qiáng)度。

在無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗中，破裂的黏土試樣最終分成完整的兩部分，且密實程度良好；而從混合材料最終破壞的試樣分析，其破壞的土樣呈松散狀，污泥灰顆粒與黏土顆粒較容易分離。

4結(jié)束語

此項研究所獲得的結(jié)果顯示，污泥灰改性黏土混合材料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與最大干密度隨著污泥灰含量的增大而減小。實驗表明，污泥灰是一種惰性材料，本身無粘聚力，并且與黏土顆粒間粘聚力較小，把污泥灰摻入黏土中，污泥灰改變了黏土原本的骨架結(jié)構(gòu)，減小了黏土原本的密實程度，并且減弱了黏土的整體粘聚力。污泥灰含量為5%的混合材料抗壓強(qiáng)度比純黏土只下降了8.5%，且試驗各污泥灰含量無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值均大于200 kPa。本次試驗結(jié)果顯示，控制好污泥灰的摻入量，污泥灰改性黏土混合材料在填埋場襯墊系統(tǒng)中的應(yīng)用具有潛在的可行性。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. 關(guān)于全國城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施2010年第四季度建設(shè)和運(yùn)行情況的通報[R]. 建城[2011]12號, 2011.

[2]萬立國, 田禹, 張麗君, 等. 污水污泥高溫?zé)峤饧夹g(shù)研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù), 2011, 34(6): 109-113.

[4]甘義群, 王焰新. 改性污泥灰去除廢水中Cu2+試驗研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2005, 28(6): 28-29.

[5]尹奇德, 夏暢斌, 何湘柱.污泥灰對Cd( II)和Ni( II)的吸附作用研究[J].材料保護(hù),2008,41(6): 80-82.

[6]張麗, 陳建林，劉龍茂, 等.污泥灰對模擬染料廢水的吸附研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2009,29(12): 2510-2518.

[7]Joo—Hwq Joy, 國元. 污泥灰做波特蘭水泥混凝土的填料[J].國外環(huán)境科學(xué)技術(shù),1988(5): 40-43.

[8]GB_T50123-1999, 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)[S].

[9]Daniel D E, Wu Y K. Compacted clay liners and covers for arid sites [J]. Journal of Geotechnical Engineering, 1993,119(2):223-237.