王瑞彩,吳 騰

(1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院,江蘇 南京 210098; 2.河海大學(xué)疏浚技術(shù)教育部工程研究中心,江蘇 南京 210098)

由于大規(guī)模工程建設(shè)及河流湖泊治理,我國每年都會(huì)產(chǎn)生大量的疏浚淤泥[1-4],這些淤泥具有含水率高、力學(xué)性能差等特點(diǎn),內(nèi)陸地區(qū)主要采用陸上拋泥處置法進(jìn)行處理,需要占用大量土地,且會(huì)破壞周圍的生態(tài)環(huán)境。此外,拋泥區(qū)存在固化周期長及力學(xué)強(qiáng)度低的問題[5-6],可通過向疏浚淤泥中添加水泥、石灰、粉煤灰、磷石膏等固化材料的方法[7-13]縮短其固化周期、降低含水率、提高力學(xué)強(qiáng)度,同時(shí)可減小固化淤泥的干縮,但水泥、石灰、粉煤灰等作為主材固化劑成本較高,會(huì)造成資源浪費(fèi),而磷石膏會(huì)帶來環(huán)境污染問題。

垃圾焚燒底渣是城市生活垃圾經(jīng)過高溫焚燒之后留下的剩余物,具有含水率低和疏松多孔的特點(diǎn),含有一定量的火山灰活性成分,加入淤泥后可以起到一定的固化作用[14]。作為一種固體廢棄物,垃圾焚燒底渣的浸出毒性小于危險(xiǎn)廢棄物浸出毒性標(biāo)準(zhǔn)值,對(duì)環(huán)境污染小,因此可以進(jìn)行資源化利用[15],用于固化疏浚淤泥能夠起到以廢治廢的效果。陳萍等[16-17]將垃圾焚燒底渣作為污泥的骨架材料,通過添加水泥、石灰、石膏等固化材料來研究污泥的性能,發(fā)現(xiàn)適量添加垃圾焚燒底渣可以形成淤泥骨架,有效降低淤泥含水率。梁冰等[18]用不同級(jí)配的垃圾焚燒底渣固化淤泥,發(fā)現(xiàn)級(jí)配良好的垃圾焚燒底渣固化效果更好。胡學(xué)濤等[19]研究表明,垃圾焚燒底渣粗顆粒的骨架作用明顯,且固化體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和內(nèi)摩擦角隨著垃圾焚燒底渣顆粒粒徑的增大而增大,而固化體黏聚力隨著垃圾焚燒底渣粒徑的增大而減小。

垃圾焚燒底渣固化淤泥的效果隨著粒徑的變化而變化,而垃圾焚燒底渣具有一定的火山灰活性,粉碎后其比表面積將增大,能夠加速火山灰反應(yīng)速率,促進(jìn)膠凝物質(zhì)的產(chǎn)生?；诖?本文提出一種垃圾焚燒底渣固化疏浚淤泥的新思路:將部分垃圾焚燒底渣進(jìn)行研磨得到磨細(xì)粉(以下簡稱“底渣磨細(xì)粉”),和未研磨的垃圾焚燒底渣(以下簡稱“原渣”)按一定比例混合,通過改變粗細(xì)顆粒比例的方法,使細(xì)顆粒的火山灰活性和粗顆粒的骨架性達(dá)到最佳效果,從而提高垃圾焚燒底渣的固化效果,降低疏浚淤泥的固化成本,為疏浚淤泥資源化利用提供參考。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用疏浚淤泥取自南京江心洲江邊岸灘,初始含水率為67.4%,外觀為黑灰色流塑態(tài),無搖振反應(yīng),其顆粒粒徑分布曲線如圖1所示,主要礦物成分如圖2所示,基本物理性質(zhì)如下:比重2.7,塑限28.3%,液限42.7%,塑性指數(shù)14.0,砂粒、粉粒和黏粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.0%、81.3%和18.7%。

圖1 疏浚淤泥顆粒粒徑分布曲線Fig.1 Particle size distribution curve of dredged sludge

圖2 疏浚淤泥XRD圖譜Fig.2 XRD patterns of dredged sludge

試驗(yàn)所用垃圾焚燒底渣為南京市某垃圾焚燒發(fā)電廠焚燒爐產(chǎn)出的底渣,不含飛灰成分,其含水率為5.9%,主要由砂石、玻璃、陶瓷、熔融物、鐵以及未燃燒的有機(jī)物組成,由顆粒篩分試驗(yàn)得到不同粒徑組(≥10mm、5～<10mm、3～<5mm、2～<3mm、1～<2mm、0.5～<1mm、0.25～<0.5mm、<0.25mm)顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為6.5%、11.1%、8.3%、10.4%、14.3%、18.2%、14.6%和16.6%。垃圾焚燒底渣基本化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為:Na2O 4.4%、MgO 2.3%、Al2O36.1%、SiO231.6%、P2O55.7%、CaO 33.7%、Fe2O36.6%、其他氧化物9.7%。

1.2 試樣制備

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)土樣模具為80mm高的鋼制三瓣模,快剪土樣模具為內(nèi)徑80mm的PVC管切割而成,每段長度30mm,采用塑料底蓋和頂蓋密封。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)分別采用南京土壤儀器廠的無側(cè)限壓力儀和應(yīng)變控制式直剪儀測(cè)定,含水率采用烘箱和電子天平測(cè)定。

試驗(yàn)前先去掉垃圾焚燒底渣中的大塊玻璃并過10mm篩。試樣制備前先將部分垃圾焚燒底渣研磨至200目(0.075mm)備用,然后將底渣磨細(xì)粉與原渣按一定比例放入機(jī)械攪拌器中攪拌均勻,得到改良的垃圾焚燒底渣(下文簡稱“改良底渣”),將改良底渣與疏浚淤泥按一定比例放入機(jī)械攪拌器中攪拌均勻,按照SL237—1999《土工試驗(yàn)規(guī)程》方法制作試樣并養(yǎng)護(hù)。

試樣養(yǎng)護(hù)到規(guī)定齡期后,分別測(cè)定固化淤泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度指標(biāo),并用快剪試驗(yàn)切下的余料測(cè)定固化淤泥的含水率。

同步制備純淤泥試樣,測(cè)得純淤泥試樣28d齡期的含水率、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角、黏聚力分別為60.5%、16.6kPa、10.0°和15.3kPa,孔隙比為1.8。

1.3 試驗(yàn)方案

胡學(xué)濤等[19]的研究表明,不同粒徑的垃圾焚燒底渣對(duì)市政污泥的固化效果不同,基于此,本文試驗(yàn)研究內(nèi)容主要包括確定改良底渣的最優(yōu)混合比(底渣磨細(xì)粉質(zhì)量占改良底渣總質(zhì)量的百分比)和分析改良底渣固化淤泥的特性兩個(gè)方面,設(shè)計(jì)S1和S2兩個(gè)試驗(yàn)組:①S1試驗(yàn)組為底渣磨細(xì)粉與原渣按照不同比例進(jìn)行混合,以20%的摻入比(改良底渣與淤泥干基質(zhì)量的比值)摻入疏浚淤泥中,測(cè)試不同齡期(3、7、28d)、不同混合比(0、25%、30%、50%、75%、100%)對(duì)疏浚淤泥固化效果的影響,確定最優(yōu)混合比;②S2試驗(yàn)組為在最優(yōu)混合比條件下,按照不同改良底渣摻入比摻入疏浚淤泥中,研究不同齡期(3、7、14、28d)、改良底渣不同摻入比(10%、15%、20%、25%、30%、35%)對(duì)疏浚淤泥固化效果的影響規(guī)律。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 混合比對(duì)淤泥固化效果的影響

2.1.1 對(duì)含水率的影響

改良底渣摻入比為20%時(shí),不同齡期固化淤泥含水率隨混合比的變化規(guī)律如圖3所示。疏浚淤泥中摻入垃圾焚燒底渣后,無論齡期是3、7d還是28d,固化淤泥的含水率均隨著混合比的增大逐漸降低。28d齡期純淤泥試樣的含水率為60.5%,淤泥中分別摻入20%原渣、20%底渣磨細(xì)粉固化后,其含水率分別降至44.9%和42.4%,比純淤泥的含水率分別降低了25.8%和29.9%;摻入底渣磨細(xì)粉試樣的含水率比摻入原渣的降低了5.6%。說明垃圾焚燒底渣的摻入能夠有效降低疏浚淤泥的含水率,相對(duì)于原渣而言,底渣磨細(xì)粉對(duì)降低淤泥含水率的效果更好。這主要是因?yàn)槔贌自暮实?5.9%),摻入疏浚淤泥后,疏松多孔的底渣能夠吸收淤泥中的水分,底渣中的活性成分也會(huì)發(fā)生水化反應(yīng)消耗一部分水分。相比于原渣,底渣磨細(xì)粉顆粒變小,比表面積增大,其中具有活性的SiO2和Al2O3含量增大,使得底渣的活性增強(qiáng),水化反應(yīng)能夠消耗更多的水分,表現(xiàn)為相同質(zhì)量下底渣磨細(xì)粉固化的淤泥含水率比原渣的更低?；旌媳仍礁?改良底渣中的活性成分越多,水化反應(yīng)消耗的水分也越多,表現(xiàn)為隨著混合比的增大,固化淤泥含水率降低越多。

圖3 固化淤泥含水率與混合比的關(guān)系Fig.3 Relationship between water content of solidified dredged sludge and mixture ratio

2.1.2 對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是疏浚淤泥固化的重要指標(biāo),圖4為改良底渣摻入比為20%時(shí),不同齡期固化淤泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨混合比的變化規(guī)律。結(jié)果顯示:摻入垃圾焚燒底渣后,齡期為3d的固化淤泥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度只有4.1～5.7kPa,隨著混合比的增大無側(cè)限抗壓強(qiáng)度略微降低。這主要是由于齡期為3d時(shí)底渣磨細(xì)粉的水化反應(yīng)仍在繼續(xù),其水化生成物引起的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長量小于原渣中粗顆粒引起的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長量,表現(xiàn)為隨著混合比的增大無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長趨勢(shì)是減小的。

圖4 固化淤泥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與混合比的關(guān)系Fig.4 Relationship between UCS of solidified dredged sludge and mixture ratio

齡期為7d和28d的固化淤泥,在混合比低于50%時(shí),無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著混合比的增大而增大,當(dāng)混合比超過50%時(shí),無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著混合比的增大呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。這是因?yàn)楫?dāng)混合比較低時(shí),改良底渣中粗顆粒占比較大,雖然粗顆粒在淤泥中起骨架作用,但底渣中具有活性的SiO2和Al2O3含量較小,水化產(chǎn)物少,強(qiáng)度增長較小;隨著混合比的增大,等質(zhì)量下改良底渣中具有活性的SiO2和Al2O3含量增大,水化反應(yīng)增強(qiáng),生成的水化物如水化硅酸鈣凝膠和水化鋁酸鈣晶體等,起到黏結(jié)淤泥顆粒和底渣顆粒的作用,表現(xiàn)為固化淤泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸變大;當(dāng)混合比超過50%后,雖然改良底渣的活性增強(qiáng),但等質(zhì)量下改良底渣中的粗顆粒比例逐漸減小,反而導(dǎo)致固化淤泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸降低。

從28d齡期的試驗(yàn)結(jié)果看,純淤泥試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為16.6kPa。改良底渣摻入比20%條件下,原渣固化的淤泥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為36.8kPa,比純淤泥的提高了1.2倍;底渣磨細(xì)粉固化的淤泥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為33.8kPa,比純淤泥的提高了1.0倍;混合比為50%的改良底渣固化的淤泥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為42.8kPa,比純淤泥的提高了1.6倍。說明垃圾焚燒底渣固化疏浚淤泥是有效的,其固化效果與混合比有關(guān),當(dāng)混合比為50%時(shí),無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長值最大,為最優(yōu)混合比。

2.1.3 對(duì)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響

改良底渣摻入比為20%時(shí),不同齡期固化淤泥抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨混合比的變化規(guī)律如圖5所示。從圖5(a)可以看出:在混合比低于50%時(shí),固化淤泥的黏聚力隨混合比的增大而增大,當(dāng)混合比超過50%時(shí),黏聚力隨著混合比的增大呈現(xiàn)降低趨勢(shì),但當(dāng)混合比超過75%時(shí),黏聚力又逐漸呈現(xiàn)增大的趨勢(shì),其中混合比為50%時(shí)黏聚力達(dá)到最大值。28d齡期純淤泥試樣的黏聚力為15.3kPa,原渣試樣、純底渣磨細(xì)粉試樣、混合比為50%的試樣的黏聚力分別為12.1、15.6、18.0kPa,與純淤泥相比,黏聚力分別降低了20.9%和提高了2.0%和17.6%。說明改良垃圾焚燒底渣固化疏浚淤泥對(duì)淤泥的黏聚力有影響,該影響與混合比有關(guān),其中單獨(dú)摻入原渣會(huì)降低淤泥的黏聚力,而摻入混合比為50%的改良底渣對(duì)淤泥黏聚力的提高效果最優(yōu)。

圖5 固化淤泥抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與混合比的關(guān)系Fig.5 Relationship between shear strength parameters of solidified dredged sludge and mixture ratio

黏聚力取決于淤泥顆粒間的各種物理化學(xué)作用力。當(dāng)混合比較低時(shí),改良底渣中粗顆粒較多,淤泥顆粒間的膠結(jié)作用力較小,黏聚力小。隨著混合比的增大,底渣磨細(xì)粉含量增大,改良底渣的活性增大,生成的水化產(chǎn)物增多。水化產(chǎn)物以粗顆粒為骨架相互黏結(jié),包裹淤泥顆粒,形成更穩(wěn)固的結(jié)構(gòu),增大了黏聚力,并在混合比為50%時(shí)固化淤泥的黏聚力達(dá)到最大;隨著混合比的繼續(xù)增大,改良底渣所生成的水化產(chǎn)物雖然繼續(xù)增多,但缺少粗顆粒,黏結(jié)結(jié)構(gòu)較為脆弱,其固化淤泥的黏聚力較50%時(shí)小。

內(nèi)摩擦角隨混合比的變化規(guī)律見圖5(b),混合比低于50%時(shí),固化淤泥的內(nèi)摩擦角先減小再增大,在混合比為50%時(shí)達(dá)到最大,隨后隨著混合比的增大逐漸減小。相比于同為28d齡期的純淤泥試樣內(nèi)摩擦角(10.0°),改良底渣摻入比為20%條件下,原渣試樣內(nèi)摩擦角為13.1°,比純淤泥的提高了31.0%;混合比為50%試樣的內(nèi)摩擦角為13.9°,比純淤泥的提高了39.0%;純底渣磨細(xì)粉的內(nèi)摩擦角為12.0°,比純淤泥的提高了20.0%。說明摻入垃圾焚燒底渣能夠增大內(nèi)摩擦角,尤以混合比為50%的改良底渣對(duì)淤泥內(nèi)摩擦角的提高效果最優(yōu)。

內(nèi)摩擦角反映了顆粒之間的摩擦特性,包含了顆粒表面之間的摩擦和顆粒之間的嵌入與連鎖作用。在混合比為0時(shí),摻入的原渣全部為粗骨料,顆粒之間的摩擦、相互嵌入和連鎖作用比較大,表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角較大;隨著混合比的增大,粗顆粒比例減小,細(xì)顆粒比例增大,與此同時(shí)細(xì)顆粒水化作用生成的水化產(chǎn)物增大了摩擦,這是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程,表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角隨著混合比的增大先減小而后增大,在混合比達(dá)到50%時(shí)這種摩擦作用達(dá)到了最大,此時(shí)的內(nèi)摩擦角最大。而后隨著混合比的繼續(xù)增大,粗顆粒成分進(jìn)一步減少、水化產(chǎn)物繼續(xù)增多,這種粗顆粒減少導(dǎo)致摩擦作用的減小比水化產(chǎn)物增多導(dǎo)致摩擦作用的增大更明顯,從而顯示隨著混合比的增大,內(nèi)摩擦角逐漸減小。

圖4和圖5結(jié)果表明,摻入改良底渣可以有效提高疏浚淤泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度指標(biāo),當(dāng)?shù)自ゼ?xì)粉和原渣按1∶1混合時(shí),可以使細(xì)顆粒的火山灰活性和粗顆粒的骨架性達(dá)到最佳效果,從而提高垃圾焚燒底渣的固化效果,使得固化淤泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)達(dá)到峰值,是最優(yōu)混合比。

2.2 齡期對(duì)淤泥固化效果的影響

2.2.1 對(duì)含水率的影響

圖6為最優(yōu)混合比條件下固化淤泥含水率隨齡期的變化規(guī)律,無論改良底渣摻入比如何變化,固化淤泥的含水率均隨著齡期的增大而降低,含水率降低速率在齡期0～3d時(shí)最大,3～7d時(shí)次之,7～14d時(shí)有變緩的趨勢(shì),14d以后漸趨變緩。以改良底渣摻入比35%為例,3、7、14、28d齡期時(shí)的含水率分別降至43.2%、40.7%、38.8%、38.0%,與淤泥初始含水率67.4%相比,降幅分別為35.9%、39.6%、42.4%和43.6%;以28d齡期含水率降低幅度為基準(zhǔn),前3、7、14d的含水率降幅分別完成了82.3%、90.8%和97.3%。這是因?yàn)樵诠袒跗?淤泥中的水分一部分由含水率極低的改良底渣吸收,另一部分由具有活性的SiO2和Al2O3的水化反應(yīng)消耗掉,表現(xiàn)為前期含水率降幅更大;隨著齡期的增大,淤泥中水分主要由改良底渣中活性成分水化反應(yīng)所消耗,而水化反應(yīng)到后期逐漸變緩,表現(xiàn)為后期含水率降低幅度逐漸變小。

圖6 固化淤泥含水率與齡期的關(guān)系Fig.6 Relationship between water content of solidified dredged sludge and curing age

2.2.2 對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

圖7為最優(yōu)混合比條件下固化淤泥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期的變化規(guī)律,無論改良底渣摻入比如何變化,固化淤泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨齡期的增大而增大,在齡期3～7d時(shí)增速最快,7～14d時(shí)增速稍減,14～28d時(shí)增速明顯下降,但總體趨勢(shì)上仍然在增大。以改良底渣摻入比35%為例,3、7、14、28d齡期時(shí)的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別增長至19.0、46.5、53.5、58.4kPa;以28d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為總增長量基準(zhǔn),則3、7、14d齡期時(shí)的增長幅度分別為32.5%、79.6%、91.6%,可以看出無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長主要發(fā)生在前14d。

圖7 固化淤泥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系Fig.7 Relationship between UCS of solidified dredged sludge and curing age

早期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增長主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面,一是改良底渣本身能夠提升淤泥強(qiáng)度,二是底渣水化反應(yīng)的生成物使得淤泥的強(qiáng)度增大。水化反應(yīng)早期速度比較快,隨著水化產(chǎn)物的增多,逐漸包裹底渣粗顆粒和淤泥顆粒,使得后期水化反應(yīng)越來越慢,表現(xiàn)為14d后無側(cè)限抗壓強(qiáng)度雖有增長,但增長緩慢。

2.2.3 對(duì)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響

圖8為最優(yōu)混合比條件下固化淤泥抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨齡期的變化規(guī)律,無論改良底渣摻入比如何變化,固化淤泥的黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨著齡期的增大而增大,在齡期3～7d時(shí)增速最快,7～14d時(shí)增速減緩,14～28d時(shí)增速明顯下降,但總體趨勢(shì)上仍然在增大。若以28d齡期抗剪強(qiáng)度指標(biāo)為基準(zhǔn),改良底渣摻入比為35%的固化淤泥,其14d齡期的黏聚力和內(nèi)摩擦角分別達(dá)到了28d齡期的87.0%和95.6%。早期黏聚力增大占主導(dǎo)作用的是改良底渣吸水性引起的淤泥含水率降低,早期內(nèi)摩擦角增大占主導(dǎo)作用的則是改良底渣導(dǎo)致的淤泥顆粒粒徑變化;后期黏聚力和內(nèi)摩擦角的增大則主要是由于改良底渣中活性成分的水化作用,生成了具有水硬性膠凝能力的水化物引起的。隨著齡期的增大水化反應(yīng)漸趨變緩,因此黏聚力和內(nèi)摩擦角隨著齡期的增大增速逐漸變緩。

圖8 固化淤泥抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與齡期的關(guān)系Fig.8 Relationship between shear strength parameters of solidified dredged sludge and curing age

由圖6～8的試驗(yàn)結(jié)果可以看出,以28d齡期為基準(zhǔn),固化淤泥含水率降幅在14d齡期時(shí)已達(dá)到了28d齡期的97.3%,無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)增幅在14d齡期時(shí)已達(dá)到28d齡期的87.0%以上。從工程角度考慮,若工期較緊,可以14d齡期作為開展下一步工序的控制條件。

2.3 改良底渣摻入比對(duì)淤泥固化效果的影響

2.3.1 對(duì)含水率的影響

圖9為最優(yōu)混合比條件下固化淤泥含水率隨改良底渣摻入比的變化規(guī)律,無論處于哪個(gè)齡期段,固化淤泥的含水率均隨著改良底渣摻入比的增大而降低,尤其是14d和28d齡期的試樣,改良底渣摻入比位于20%～30%之間的含水率的變化率較大。從降低固化淤泥含水率的角度考慮,在此區(qū)間可以尋找一個(gè)合適的改良底渣摻入比,既能起到降低固化淤泥含水率的目的,又能盡量少用底渣,降低工程造價(jià)。

圖9 固化淤泥含水率與改良底渣摻入比的關(guān)系Fig.9 Relationship between water content of solidified dredged sludge and ratio of improved MSWI bottom ash

2.3.2 對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

圖10為最優(yōu)混合比條件下固化淤泥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨改良底渣摻入比的變化規(guī)律,固化淤泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨改良底渣摻入比的增大而單調(diào)增大,且各齡期增長趨勢(shì)線的斜率大致相同?；诖艘?guī)律,在最優(yōu)混合比條件下,可以通過調(diào)整改良底渣摻入比的辦法提高固化淤泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

圖10 固化淤泥無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與改良底渣摻入比的關(guān)系Fig.10 Relationship between UCS of solidified dredged sludge and ratio of improved MSWI bottom ash

根據(jù)胡學(xué)濤等[19]的研究,底渣摻入比超過45%時(shí),可滿足市政污泥經(jīng)固化處理后無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到50.0kPa的填埋要求,本文采用的改良底渣在摻入比為30%時(shí),28d齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度即可達(dá)到52.6kPa,減少了底渣使用量。

2.3.3 對(duì)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響

圖11為改良底渣最優(yōu)混合比條件下固化淤泥抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨改良底渣摻入比的變化規(guī)律,無論處于哪個(gè)齡期段,固化淤泥的黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨著改良底渣摻入比的增大而增大。這是由于隨著改良底渣摻入比的增大,粗顆粒原渣和細(xì)顆粒磨細(xì)粉的數(shù)量均增多,使得磨細(xì)粉產(chǎn)生的水化產(chǎn)物量變多,與淤泥顆粒的黏結(jié)更緊密,粗顆粒的骨架作用更顯著,形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu),表現(xiàn)為黏聚力和內(nèi)摩擦角隨改良底渣摻入比的增大而增大。

圖11 固化淤泥抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與改良底渣摻入比的關(guān)系Fig.11 Relationship between shear strength parameters of solidified dredged sludge and ratio of improved MSWI bottom ash

由圖9～11的試驗(yàn)結(jié)果可以看出,改良底渣摻入比的增大有利于淤泥強(qiáng)度的提高和含水率的降低,從工程角度考慮,可以選取符合工程需求的合適摻入比進(jìn)行疏浚淤泥的固化處理。

3 固化淤泥強(qiáng)度預(yù)測(cè)

在最優(yōu)混合比條件下,不同摻入比的改良底渣固化疏浚淤泥后,其28d齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、黏聚力和內(nèi)摩擦角的趨勢(shì)線如圖12所示。由圖12可知:固化淤泥28d齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、黏聚力和內(nèi)摩擦角均呈現(xiàn)二次多項(xiàng)式相關(guān)關(guān)系,依據(jù)回歸分析R2最大的原則,分別以無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、黏聚力和內(nèi)摩擦角為因變量,以改良底渣摻入比為自變量,得到如下固化淤泥強(qiáng)度預(yù)測(cè)的二次多項(xiàng)式模型:

圖12 固化淤泥強(qiáng)度預(yù)測(cè)曲線Fig.12 Strength prediction curves of solidified dredged sludge

qu28=-0.0245α2+2.4467α+2.2174

(1)

c28=-0.0119α2+1.0268α+1.2806

(2)

θ28=-0.0082α2+0.6403α+4.3666

(3)

式中:qu28為固化淤泥28d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度,kPa;c28為固化淤泥28d的黏聚力,kPa;θ28為固化淤泥28d的內(nèi)摩擦角,(°);α為固化淤泥中改良底渣摻入比,10%≤α≤35%。式(1)(2)(3)的R2分別為0.9952、0.9829和0.9907。

根據(jù)式(1)(2)(3),當(dāng)改良底渣摻入比為26.6%時(shí),固化淤泥28d齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)到50.0kPa,與胡學(xué)濤等[19]的底渣摻入比超過45%時(shí)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)50.0kPa的填埋要求相當(dāng)。此時(shí)固化淤泥的黏聚力達(dá)到20.2kPa,內(nèi)摩擦角達(dá)到15.6°,比純淤泥28d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大了33.4kPa、內(nèi)摩擦角增大了5.7°、黏聚力增大了4.9kPa;從圖9的試驗(yàn)規(guī)律預(yù)估含水率可降低至40%左右。

綜上,疏浚淤泥經(jīng)過改良底渣的固化,其強(qiáng)度的提高和含水率的降低效果顯著,說明采用改良垃圾焚燒底渣對(duì)疏浚淤泥進(jìn)行固化處理是可行的。

固化淤泥強(qiáng)度預(yù)測(cè)二次多項(xiàng)式模型(式(1)(2)(3))是基于最優(yōu)混合比條件和改良底渣摻入比為10%～35%得到的結(jié)論,更廣泛的摻入比范圍和固化淤泥的其他特性有待進(jìn)一步試驗(yàn)研究,以達(dá)到工程應(yīng)用的目的。

4 結(jié) 論

a.改良垃圾焚燒底渣能夠顯著降低疏浚淤泥的含水率,提高其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度指標(biāo),隨著混合比的增大,固化淤泥的含水率逐漸減小,無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)先明顯增大而后逐漸減小,當(dāng)垃圾焚燒底渣磨細(xì)粉與未研磨原渣按照1∶1比例混合時(shí),對(duì)疏浚淤泥的固化效果最好,為最優(yōu)混合比。

b.在最優(yōu)混合比條件下,固化淤泥的含水率隨著齡期的增大逐漸降低,無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)則相反,且早期變化速率均較大,14d齡期的含水率降幅達(dá)到97.1%,而無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)增幅則在87.0%以上。

c.在最優(yōu)混合比條件下,固化淤泥的含水率隨著改良底渣摻入比的增大逐漸降低,無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)則相反,且固化淤泥28d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、黏聚力和內(nèi)摩擦角與改良底渣摻入比均呈現(xiàn)二次多項(xiàng)式相關(guān)關(guān)系。當(dāng)改良底渣摻入比為35%時(shí),固化淤泥28d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到了58.4kPa,含水率由初始的67.4%降至38.0%,表明采用改良底渣固化疏浚淤泥是可行的。