冻融循环对固化污泥力学及微观结构特性影响

第37卷第5期岩土力学Vol.37No.52016年5月RockandSoilMechanicsMay2016收稿日期：2015-07-10基金项目：中科院院地合作项目（武新管科创[2014]2号），中国科学院学科交叉与合作创新团队项目（人字（2013）47号）。ThisworkwassupportedbytheCooperationProgramforChineseAcademyofSciencesandRegion([2014]2),theProgramforInterdisciplinarityandtheCooperativeInnovationofChineseAcademyofSciences((2013)47).第一作者简介：胡学涛，男，1986年生，博士，主要从事污泥固化处理处置。E-mail:[e-mail]通讯作者：陈亿军，男，1984年生，博士，助理研究员，主要从事污泥/淤泥安全处置研究。E-mail:[e-mail]：10.16285/j.rsm.2016.05.013冻融循环对固化污泥力学及微观结构特性影响胡学涛1,2，梁冰1，陈亿军2，薛强2，万勇2（1.辽宁工程技术大学力学与工程学院，辽宁阜新123000；2.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室，湖北武汉430071）摘要：冻融循环作用会改变固化污泥工程特性，影响固化污泥堆体稳定及安全。在封闭系统下对固化污泥进行冻融循环试验，每经历一次冻融循环，就测定固化体的无侧限抗压强度、渗透系数等工程指标，并根据试验结果选取试样进行扫描电镜和压汞试验。研究结果表明：第1次冻融循环作用使固化污泥强度衰减30%，渗透系数增大80%，随后变化幅度逐渐降低；经过约6次冻融循环后，固化污泥强度衰减幅度高达50%，渗透系数增加约1个数量级，随后基本保持恒定，渗透系数的变化较无侧限抗压强度变化表现出微弱的滞后性。随着冻融循环次数的增加，固化污泥孔隙体积逐渐增大，固化污泥强度逐渐降低，渗透系数逐渐增大。在封闭系统下，固化体内部水分结冰引起的总膨胀体积恒定，固化污泥内部水分分布均匀。当冻融循环作用达到一定次数后，孔隙体积不再持续增大，只是在空间上重新融合分布，使各参数逐渐达到恒定状态。研究成果对寒区污泥固化填埋的安全处理处置提供技术参数和指导。关键词：固化污泥；冻融循环；抗压强度；渗透系数；微观结构中图分类号：TU411文献标识码：A文章编号：1000－7598(2016)05－1317－07MechanicalandmicrostructuralpropertieschangesofsolidifiedsewagesludgeduetocyclicfreezingandthawingHUXue-tao1,2,LIANGBing1,CHENYi-jun2,XUEQiang2,WANYong2(1.SchoolofMechanicsandEngineering,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin,Liaoning123000,China;2.StateKeyLaboratoryofGeomechanicsandGeotechnicalEngineering,InstituteofRockandSoilMechanics,ChineseAcademyofSciences,Wuhan,Hubei430071,China)Abstract:Thestabilityandsafetyofthesolidifiedsludgepilewillbethreatenedwhentheengineeringpropertieschangeduetofreezingandthawingcycles(FTC).LaboratoryFTCtestsareconductedonthesolidifiedmunicipaldewateredsludgeintheclosedsystem.UnconfinedcompressivestrengthandpermeabilitycoefficientofthesolidifiedsludgearetestedaftereachFTC.Accordingtotheresultsoftests,somesamplessubjectedtocyclicfreezingandthawingareselectedtoperformmercuryintrusionporosimetry(MIP)testsandtoanalyzewiththescanningelectronmicroscope(SEM).Theresultsshowthatthe1stFTCresultsinadecreaseinthestrengthby30%andanincreaseinthepermeabilityby80%ofthethesolidifiedsludge.Whereafterthechangerangegraduallydecreases.Thestrengthdecreasesby50%andthepermeabilitycoefficientincreasesbyaboutoneorderofmagnitudeafterabout6FTC,thereaftertheybothalmostkeepconstant.Thevariationofthepermeabilitycoefficientlagsslightlybehindthatoftheunconfinedcompressivestrength.TheporevolumeandthepermeabilitycoefficientgraduallyincreasewhilethestrengthdecreaseslittlebylittlewiththeincreaseofFTC.Intheclosedsystem,thetotalswellingvolumeinducedbythefrozenwaterinthesolidifiedbodyisconstantandtheinternalmoistureisuniformlydistributed,sotheporevolumedoesn’tcontinueincreasinganymorewhilejusttheporesmixtogetherandredistributewhenreachingancertainnumberofFTC,theneachparameterbecomesconstant.Theinvestigationprovidesparametersandguidingforsafelandfillingofthesolidifiedsludgeinthecoldregions.Keywords:solidifiedsludge;freezingandthawingcycle;compressivestrength;permeabilitycoefficient;microstructure1引言随着我国污水处理能力快速提高，污水处理厂污泥产量不断增加，市政污泥的处理、处置问题日益严重，而污泥卫生填埋由于投资少、容量大、处理快等优点[1]，目前仍是我国污泥处理最为常用的1318岩土力学2016年方法[2]。脱水是污泥处理处置的关键，很多研究尝试了不同的方法对污泥进行脱水[34]，但到目前经过污水处理厂脱水处理后的污泥，其含水率仍然高达75%以上，无法达到直接填埋处置要求，须用水泥、石灰等无机胶凝材料对污泥进行固化处理[5]，以改善污泥的物理、力学特性。固化填埋污泥在封场覆盖前会受到环境应力的影响，从而导致固化污泥的力学特性及渗透特性发生改变，对填埋固化污泥堆体的稳定性及安全性带来极大的隐患。作为一种强烈的风化作用，对土的结构及物理力学性质会产生很大的影响[67]，冻融循环作用引起的固化污泥力学及渗透特性规律研究，对污泥的安全处理处置及填埋场的安全运行及长期稳定性控制及监测具有重要的指导作用。冻融循环现象在世界上很多国家及我国北方地区广泛存在，在这些地区的污泥固化体处于冻融循环环境中[8]。而冻融循环作用对工程体，如原状黏土[910]、盐碱土[11]、重塑土[1213]、软土[14]及石灰改性土[15]、水泥改性土[1617]、粉煤灰改性土[18]等的物理力学特性有很大的影响。然而针对污泥受冻融循环作用的研究很少。Moo-Young等[1920]研究了冻融循环作用对利用造纸厂污泥做填埋场覆盖材料的渗透系数的影响规律，但其仅关注了污泥的渗透特性，且污泥是经压实处理而未经固化处理。李亚林[21]将固化过程与脱水过程同步得到低含水率（50%）的污泥，参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》[22]中的快冻法，将试样冰冻后浸于水中融化，进行了冻融循环作用研究，在冻融过程中有补水情况但没有研究固化污泥的渗透特性。填埋场底部有防渗膜防渗，填埋处置的污泥固化体不会从地下水中获得补给水，因此，本文在无补水条件下对污水处理厂污泥（含水率为75%～80%）固化后进行冻融循环试验，分析冻融作用对固化污泥强度及渗透特性的影响规律，并从微观结构角度揭示其机制，为污泥固化填埋的安全处理处置提供技术参数。2试验材料和方法2.1试验材料试验中进行固化处理的污泥为武汉市某污水处理厂经过脱水处理后的污泥，含水率为77.1%，有机质含量为41.5%，密度为1.12g/cm3，pH值为7.8，干污泥固体颗粒中重金属含量如表1所示，其中限值标准依据是《城镇污水处理厂污泥泥质》[23]及《城镇污水处理厂污泥处置混合填埋泥质》[24]。试验中选择的固化剂为自主配置的无机胶凝固化材料，主要成分有硫铝酸钙、硅酸二钙、硅酸三钙、氧化钙等。表1试验材料重金属含量（单位：mg/kg）Table1Heavymetalcontentsintestmaterial(unit:mg/kg)金属元素污泥检测值限值Pb30.01000Zn3002.04000Cu278.01500Cr186.01000Cd19.020As23.075Ni96.5200Hg13.8252.2试验方法与步骤污泥固化过程试样制备步骤为：首先按设计比例称量好污泥，然后向其中添加固化剂，手动搅拌均匀后，再用水泥胶砂搅拌机先慢搅2min后，快搅2min至均匀，然后将试样填入50mm50mm的环刀，1d后脱模，并置于温度为201℃、相对湿度为95%养护箱中进行标准养护，固化体用薄膜封闭保证固化体不会出现水分蒸发，与实际污泥固化情况相接近。结合工程情况，选择脱水污泥与固化剂按质量比为100:20的配比进行固化。考虑到污泥以及固化污泥渗透系数都很低，待试样在标准养护箱中养护28d后，将试样彼此间隔20mm以上放入恒温试样箱体内，在封闭系统（无补水）情况下开始进行固化污泥的冻融循环试验。为保证固化体完全冰冻和融化，冰冻和融化的持续时间均为24h，一个冻融循环周期为48h。冰冻室温度稳定在20℃，融化过程在温度为201℃的恒温养护箱环境中进行。固化污泥养护28d后，测试固化体的无侧限抗压强度和渗透系数作为参照。虽然是用无机胶凝材料固化污泥，但考虑到固化污泥强度较低，目前有关冻融循环对土及改性土作用的研究[2526]最多考虑12次循环试验，故在此基础上初步考察15次冻融循环作用（根据试验结果再确定后续试验方案），每完成一次冻融循环后就立刻进行固化污泥的无侧限抗压强度和渗透性试验，以考察其相关特性与冻融循环次数的关系。根据试验结果，选取养护28d、未经循环（0次循环）固化体以及经过不同冻融循环次数的固化体进行扫描电镜和压汞试验，从微观角度分析冻融循环作用对固化污泥影响机制。第5期胡学涛等：冻融循环对固化污泥力学及微观结构特性影响1319固化污泥无侧限抗压强度采用无侧限抗压试验机，渗透系数用PN3