干湿循环对脱水污泥剪切性能的试验分析

李 丰， 王厚胜， 胡景玄

(1 湖北工业大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430068； 2 河南六建建筑集团有限公司，河南 洛阳 471000)

在垃圾填埋场运行的最后阶段，需要进行终场覆盖．终场覆盖一方面可以阻止垃圾与外界环境的直接接触，另一方面减少雨水和其他外来水进入填埋场而造成渗滤液的增加．我国大多数填埋场的覆盖材料以粘土为主，用粘土做覆盖材料会造成填埋场库容的浪费[1]．随着粘土资源日益紧缺，寻找能够替代粘土的材料的研究逐渐兴起．国外由于卫生填埋一般比较到位，对替代覆盖材料的研究方向偏重于一些废弃物资的资源化处理．而国内众多填埋场则往往是由于泥土的缺乏，对替代覆盖材料的研究倾向于寻找能在部分功能上替代黏土进行覆盖的材料．由于自来水厂污泥既具有土壤的一般特性[2]又是需要处理的废弃物，因此，将污泥改性后作填埋场的覆盖材料是可行的．国外从20世纪70年代开始研究污泥经改性后做填埋场覆盖材料的应用[3-7]，而国内的研究还处于起步阶段．大体上国内外有关填埋场覆盖层材料出现两个趋势,一是在满足环境保护要求的前提下,覆盖层组成状况越来越简单,二是越来越注重非自然表层土的利用,通过各种实验室和现场长期运行研究,挖掘新的替代品[8]．

污泥作填埋场的覆盖材料应满足含水率<45%，横向剪切强度>25kPa，臭气浓度<2级[9]，最终覆盖还应考虑边坡稳定性．横向剪切强度以无侧限压缩强度来研究[10]，无侧限压缩强度应>50kPa．本文以淤泥、生石灰、水泥和飞灰为添加剂对污泥进行正交试验，由正交试验的结果，选出适合做填埋场终场覆盖材料的配比为：污泥∶淤泥∶生石灰∶水泥∶飞灰=100∶70∶15∶5∶10(质量比)．由于污泥中有机质含量较高，为了研究此配比污泥的耐久性，对其进行干湿循环试验．

1 试验材料和试验方法

试验的污泥取自汉川生活污水厂的脱水污泥．淤泥取自汉川生活垃圾填埋场附近鱼塘底部．石灰是从武汉当地购买的建筑石灰．水泥是P.S.A32.5华石水泥．飞灰是江夏区长山口垃圾焚烧厂(在填埋场附近)焚烧后的产物．材料的基本性质见表1．

表1 试验材料的基本性质指标

渗透系数为50kPa固结压力下的结果

试样的制备过程：先将污泥放入搅拌机中，快速搅拌1 min；再依次加入淤泥、生石灰、水泥和飞灰，快速搅拌5 min，使各改性剂与污泥充分混合均匀；将混合试样取出，摊铺于托盘中，摊铺厚度约2 cm．

在实验室内通风条件下自然养护3 d，而后进行干湿循环试验．具体步骤为：在养护3天的时候将试验所需的试样全部制好；取余下试样直接进行无侧限抗压试验和直剪(快剪)试验，取余下试样进行抽气饱和，饱和时间为24 h，对饱和后的试样进行无侧限抗压试验和直剪(快剪)试验．直接饱和的试样记为0次干湿循环试样，以便于对比．其余试样先在50℃烘箱中烘干24 h，然后取出试样放入真空缸内，进行抽气饱和，饱和时间为24 h，此为一次干湿循环，共进行3次干湿循环试验．每次干湿循环后进行无侧限抗压试验和直剪(快剪)试验．

2 试验结果分析

2.1 试样的含水率随干湿循环次数的变化

试样的含水率随干湿循环次数的变化见图1．

图 1 试样的含水率随干湿循环次数的变化

从图1可以看出：未经干湿循环的试样的含水率稍大于45%，非饱和试样的含水率大于0次干湿循环试样的含水率．随着干湿循环次数的增加，试样的含水率逐渐减小，2次干湿循环后趋于稳定．

2.2 试样的直剪试验结果指标

试样的抗剪强度随着干湿循环次数的变化如图2和表2.

图 2 试样的抗剪强度随竖向荷载的变化

从图2可以看出：相同荷载作用下，未经干湿循环的非饱和试样和饱和试样的抗剪强度比较接近；经过干湿循环的试样的抗剪强度大于未经干湿循环试样的强度．结合含水率可知，含水率降低导致颗粒间结合力更强，从而使试样的抗剪强度增大．

表2 试样的Ф和c随干湿循环的变化

从表2可以看出：当试样未经过干湿循环试验时，经过浸水后，试样的内摩擦角和粘聚力都增大，内摩擦角增大约为1°，增大程度小于粘聚力的增大程度．试样经过3次干湿循环后，内摩擦角呈先增大后减小的趋势；粘聚力呈增大趋势．2次干湿循环与3次干湿循环试样的内摩擦角和粘聚力基本上相等，可见经过2次干湿循环，试样的抗剪强度已达到稳定状态．

《生活垃圾卫生填埋场岩土工程技术规范》[11]中规定，封场覆盖系统的稳定性分析宜采用无限边坡稳定分析法或双楔体法，验算无渗透水流和完全饱和时的安全系数．采用无限边坡稳定性分析法，验算完全饱和时的安全系数，考虑到施工时斜坡上有压实机械和施工人员，取黏聚力c=0时有.

Fs=γ′tanφγsattanβ.

Fs为安全系数；γ和γsat分别为有效容重和饱和容重，分别为8和18 kN/m3；φ为内摩擦角；β为边坡坡度；根据《建筑边坡工程技术规范》[12]中一级、二级和三级边坡，最小安全系数分别为1.35、1.30和1.25，计算出允许的坡度见表3.

表3 干湿循环过程中各级边坡允许坡度

从表3可以看出：《生活垃圾卫生填埋技术规范》[13]中填埋场封场顶面坡度不应小于5%的要求．每次干湿循环后，试样的允许坡度都满足要求，经历3次干湿循环后，试样的允许坡度仍满足要求．

2.3 试样的无侧限压缩试验结果指标

试样的无侧限抗压强度随干湿循环次数的变化如图3和图4.从图3可以看出：试样未经干湿循环，没有出现明显峰值应力，发生较大的应变才达到破坏．试验过程中，试样先被挤压成鼓形后出现明显的主裂缝．经过干湿循环后，试样在发生较小的应变时，就达到峰值强度．3次干湿循环试样的峰值强度所对应的应变值很接近．结合含水率的变化，可知经过干湿循环后，试样的塑性变差．

图 3 试样的应力—应变关系曲线

图 4 试样的无侧限压缩强度随干湿循环次数的变化

从图4可以看出：未经干湿循环，非饱和试样的无侧限压缩强度大于饱和试样的无侧限压缩强度．随着干湿循环次数的增加，试样的无侧限压缩强度呈先增大后减小，再增大的趋势．

2.4 试样的收缩和膨胀性能试验分析

经过干湿循环后，试样发生明显的收缩，因此有必要对试样的收缩和膨胀性能进行研究．对试样在常温下进行收缩试验和膨胀试验．收缩试验历时3天，每天的温度分别为29℃、30℃和25℃.膨胀试验历时较短，不足一天，试验当天温度为24℃.收缩试验和膨胀试验的结果见图5和图6.

图 5 试样的线收缩率随时间的变化

图 6 试样的线膨胀率随时间的变化

从图5和图6可以看出：试样收缩达到稳定所需的时间远大于试样膨胀达到稳定所需的时间．试样的线收缩率大于线膨胀率．试样的线收缩率为9.49%，体缩率为13.2%，线膨胀率为1.05%，体积膨胀率为2%．试样的收缩率大于膨胀率，作为填埋场的终场覆盖时，在干湿循环的条件下，容易开裂形成裂隙，同时又不容易愈合．因此，以此配比污泥做终场覆盖时，要采取一定的有效措施，防止水分的散失，如：可以在此改性污泥上面铺设植被营养层、设一定厚度的保护土层等．

3 结论

1)未经干湿循环的改性污泥，经过饱和后，含水率略有降低，内摩擦角和粘聚力均增大，无侧限抗压强度降低，但是差别不大．说明短时的浸水对改性污泥性质影响不大．

2)经过干湿循环后，改性污泥的塑性变差，抗剪强度和无侧限抗压强度均呈增大趋势，作为填埋场终场覆盖时，满足填埋场封场顶面坡度不小于5%的要求．经过2次干湿循环，改性污泥已达到稳定的状态．

3)改性污泥的收缩率远大于膨胀率，在经历干湿循环后，形成的裂隙不容易愈合．将此改性污泥做填埋场终场覆盖时，应采取一定的保水措施防止其开裂．

[参考文献]

[1] 刘旭. 城市生活垃圾填埋场每日覆盖替代材料及评估方法[J].城市管理与科技,2006,8(03):119-121.

[2] 赵由才 ．实用环境工程手册——固体废物污染控制与资源化[M]．北京 ：化学 工业 出版社 ，2002.

[3] Malmstead MJ.Closure of a nine-acre industrial using pulp and paper mill residuals[J]. Tappi Journal,1999,82(02):153-160.

[4] Moo-Young H K，Zimmie T F.Geotechnical p roperties of paper mill sludge for use in landfill covers[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,1996(09):122.

[5] Rhew R D，Barlaz M A. Effect of Lime-stabilized Sludge as Landfill Cover on Refuse Decomposition[J]. J Environ Eng，1995，121 (07)：499-506.

[6] Silver J M. Sludge Management at the Middlesex County Utilities Authority[J]. Water Sci Technol，1990，22 (12)：93-106.

[7] Nam Y W，Park T U，Park J Y. Stabilization of sewage treatment sludges using by - product lime based binder for recycling as daily cover material in municipal waste landfills (in korean)[J]. Korea Society of Waste Management，2000，17 (05) : 658-664.

[8] 赵由才,龙 燕,张 华.固体废物处理与资源化丛书----生活垃圾卫生填埋技术[M].北京:化学工业出版社,2004.

[9] 中华人民共和国住房与城乡建设部, GB/T 23485-2009城镇污水处理厂污泥处置 混合填埋用泥质[M]. 北京：中国标准出版社, 2009.

[10] 陈 萍,林伟岸, 占鑫杰,等.渗滤液浸泡对深度脱水污泥强度和渗透性能的影响[J].岩土力学,2013,34(02):337-341.

[11] 中华人民共和国住房与城乡建设部, CJJ176-2012生活垃圾卫生填埋场岩土工程技术规范[M]. 北京：中国建筑工业出版社, 2012.

[12] 中华人民共和国建设部. GB 50330-2002建筑边坡工程技术规范[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2002.

[13] 中华人民共和国建设部, CJJ17-2004生活垃圾卫生填埋技术规范[M]. 北京：中国建筑工业出版社, 2004.