污泥灰改性黏土强度特性试验研究

污泥灰改性黏土强度特性试验研究

戴睿，杨建康，王庚午

(武汉轻工大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430023)

摘要：研究了一种新的处理利用污泥灰的方法，将适量的污泥灰掺入黏土当中制成一种新的混合材料。为了研究污泥灰改性黏土混合材料的抗压强度特性，通过击实试验、无侧限抗压强度试验，确定了污泥灰改性黏土混合材料的击实曲线及抗压强度值。采用混合材料和纯黏土各自最大干密度值制备试样，进行无侧限抗压强度试验。试验测得5%、10%、15%污泥灰含量的混合材料试样最大干密度分别为1.60g/cm3、1.56g/cm3、1.5g/cm3，最优含水率分别为20.5%、18.9%、17.9%，而不含污泥灰的纯黏土对比试样，其最大干密度为1.66g/cm3，最优含水率为22%，试验结果表明：随着污泥灰量的添加，试样的最优含水率、最大干密度、无侧限抗压强度均有所减少，且随着污泥灰含量的增大，其值随之逐渐减少。

关键词：污泥灰；黏土；击实曲线；抗压强度

收稿日期：2014-10-28.修回日期：2015-01-14.

作者简介：戴睿(1988-)，男，硕士研究生，E-mail：dairui1130@163.com.

文章编号：2095-7386(2015)03-0084-04

DOI:10.3969/j.issn.2095-7386.2015.03.018

中图分类号：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

近年来，随着中国城市化进程的加快和人民生活水平的提高，中国城镇污水处理厂数量逐年增加，污水处理能力不断提高，由此产生的污泥量也日益增加。据统计2010年全国共产生湿污泥量超过3 000万吨(含水率80%)[1]。目前，国内外处理污泥方法主要有填埋、堆肥、土地利用、焚烧和热解等[2]。其中，污泥焚烧可以最大限度地使其减量化和无害化,随着污泥热值的逐渐增加, 焚烧处理得以推广, 但产生的污泥焚烧灰(以下简称污泥灰)仍需要去处理[3]。将污泥灰作为建筑材料加以利用是污泥灰资源化技术的重要发展方向之一，利用污泥灰的吸附性吸附重金属的研究成果较丰富，甘义群, 夏畅斌, 尹奇德，张丽等专家学者所做试验研究表明污泥灰可以作为一种良好的吸附材料在环境和建筑工程中利用[4-6]；Joo—Hwq Joy等[7]采用污泥灰做波特兰水泥混凝土的填料试验研究表明，污泥灰含量的增加，试样的收缩稍微有所减少，试样的终凝抗压强度也有所减少，通过控制污泥灰的添加量，其抗压强度可以控制在规范标准值内，因此，污泥灰可以作为混凝土的填料。

笔者提出的污泥灰改性黏土混合材料处理污泥灰的方法，是将适量的污泥灰掺入黏土当中，制成一种新的混合材料应用到垃圾填埋场衬垫系统当中，既可以减少填埋场衬垫黏土材料的用量，又可以实现污泥灰的资源化利用。为了评价污泥灰改性黏土在衬垫系统中应用的可行性，本试验研究采用击实试验和无侧限抗压强度试验，确定混合材料的击实曲线和混合材料抗压强度值。

2试验材料与方法

2.1材料及组成

试验用黏土取自武汉市东西湖地区天然黏土，未受到污染，可以作为实验材料。黏土样品物理性质和化学成分见表1和表2，其中ρdmax为最大干密度，Wopt为最优含水率。

表1黏土的物理性质指标

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

表2　黏土的化学成分　%

参照土工试验方法标准GB_T50123-1999对黏土试样进行颗粒分析试验，粒径0.075 mm以上的土采用筛分法，粗筛孔径分别为10，9.5，8，5，2 mm，细筛孔径分别为1，0.8，0.5，0.25，0.1，0.075 mm。粒径0.075 mm以下的土采用移液管法。颗粒分析试验结果如图1所示，试验用天然黏土颗粒粒径主要集中在10—1 mm之间，占总体质量的91%，1—0.075 mm粒径的颗粒占总体质量的7%，小于0.075 mm粒径的占总体质量的2%。

图1　黏土级配曲线

污泥试验样品由武汉市某污水处理厂取得。污泥的基本物理性质指标如表3所示。

表3污泥的基本物理性质指标

pH值比重/(g·mL-1)有机质含量/%含水率/%孔隙比渗透系数/(cm·s-1)抗压强度/(kg·cm-2)6.941.2343.548.63.351.21×10-80.065

试验用污泥，首先需要研究污泥的可变性，取不同批次、不同时间的5组污泥样品，将取得的污泥样品放置在恒温干燥箱中，温度设置为100 ℃，每3 h测一次污泥样品的质量，直至样品达到恒重状态取出，将干化的污泥放进马弗炉中进行高温焚烧5 h，温度设定为850 ℃，去除污泥中的有机质。经过充分焚烧的污泥灰，其颜色由黑色变为土黄色或红褐色。将充分焚烧的污泥灰用球磨机研磨过1.5 mm标准筛。制得的污泥灰样品成分见表4。从表4可以看出，5组污泥灰成分的百分比较为接近，可以作为本次试验材料。

表4　污泥灰的化学成分　/%

制备5%、10%、15%，3种不同污泥灰含量的混合材料和不含污泥灰的纯黏土试样，根据土工试验方法标准[8]GB_T50123-1999开展轻型击实试验和无侧限抗压强度试验，研究污泥灰的含量对其最大干密度及无侧限抗压强度的影响，用不含污泥灰的纯黏土试样作对比试验。

2.2试验方法与原理

本次击实试验采用轻型击实。干法制备5%、10%、15%污泥灰含量的混合材料和纯黏土试样，按照土工试验方法标准GB_T50123-1999制备各组试样并开展轻型击实试验。测定并计算各组击实完毕后试样的密度ρ0与最终含水率ω，确定3种污泥灰含量混合材料及纯黏土试样各最大干密度值。需要注意的是，制备每一个含水率试样时，需要做3个平行含水率试样，所得干密度值取其平均值；测定最终试样的含水率时，须在试样不少于3个位置取土测定，取其平均值。各污泥灰含量混合材料的最大干密度如图3所示。

基于各污泥灰含量的混合材料和纯黏土的最大干密度值，制备无侧限抗压强度试验的4种试样。采用应变控制式无侧限压缩仪进行试验，轴向应变速率设置每分钟应变3%，试验前期，轴向应变小于3%时，每隔0.5%的应变读取测力计数值；轴向应变大于3%后，每隔1%的应变读取测力计数值。出现峰值后，继续进行3%—5%的应变后，终止试验；无峰值时，试样应变达到20%终止试验。

3结果与讨论

从图3看出，纯黏土即污泥灰含量为0%的试样最大干密度值最大，其值为1.66 g/cm3，最优含水率为22%，污泥灰含量为5%的最大干密度、最优含水率值次之，分别为1.60 g/cm3，20.5%；污泥灰含量为10%的最大干密度、最优含水率值排第三，为1.56 g/cm3，18.9%，污泥灰含量为15%的最大干密度、最优含水率值最小，分别为1.5 g/cm3，17.9%。

图3　不同污泥灰含量的黏土混合料击实曲线

试验表明，污泥灰的添加，使混合材料的最大干密度和最优含水率均有所减小，且污泥灰的添加量越大，其值减小量越大。这是因为，污泥灰多孔且形状不规则，不能与粘土颗粒进行紧密的排列组合，且污泥灰颗粒与黏土颗粒间粘聚力较小，最终导致混合材料整体结构变得松散，密实程度降低。

对纯黏土(污泥灰含量为0的试样)进行无侧限抗压强度试验时，达到试样临界破坏强度时，纯黏土试样出现裂缝，继续施压，裂缝逐渐发展成为一个完整的破裂面，试样瞬间失去承载能力，且试样横向变形不明显，如图4所示。

图4　混合材料破坏形态

对其余三种混合材料进行无侧限抗压强度试验，当达到污泥灰混合料试样的临界破坏强度时，随着污泥灰含量的增加，试样表面裂缝的出现越迟缓，继续施压，试样很快失去承载能力，污泥灰含量为15%的试样破坏后没有出现一个完整的破裂面。表面随着污泥灰含量的不断增加，试样在破坏过程中，试样中间部分向外围鼓起，产生的横向变形随之加大，破坏后呈现多个碎块。

图5给出了污泥灰改性黏土混合材料的污泥灰含量与无侧限抗压强度的关系。Daniel等[9]认为作为衬垫系统材料的无侧限抗压强度不能小于200 kPa。本次无侧限抗压强度试验中，纯黏土试样临界无侧限抗压强度值为368.2 kPa；5%，10%，15%污泥灰含量的各混合材料临界无侧限抗压强度值分别为337.2 kPa，293.1 kPa，245.9 kPa，无侧限抗压强度对比纯黏土分别下降了8.4%、20.4%、33.2%，但均大于200 kPa。试验表明，黏土掺入污泥灰，其抗压强度减小，且随着掺入量的增大逐渐减小。

尽管不可能从部分已知元素中恢复所有的低秩矩阵，但是可以期望恢复其中的绝大多数矩阵.要恢复一个低秩矩阵，可以先将其转化为求解下面的矩阵秩最小化问题：

从图5中可见，混合材料抗压强度随应变的增大有一段线性增长阶段，在这阶段，污泥灰混合材料的轴向应力均略大于纯黏土，试验显示，污泥灰的掺入能提高材料的前期强度。

在无侧限抗压强度试验中，破裂的黏土试样最终分成完整的两部分，且密实程度良好；而从混合材料最终破坏的试样分析，其破坏的土样呈松散状，污泥灰颗粒与黏土颗粒较容易分离。

4结束语

此项研究所获得的结果显示，污泥灰改性黏土混合材料的无侧限抗压强度与最大干密度随着污泥灰含量的增大而减小。实验表明，污泥灰是一种惰性材料，本身无粘聚力，并且与黏土颗粒间粘聚力较小，把污泥灰掺入黏土中，污泥灰改变了黏土原本的骨架结构，减小了黏土原本的密实程度，并且减弱了黏土的整体粘聚力。污泥灰含量为5%的混合材料抗压强度比纯黏土只下降了8.5%，且试验各污泥灰含量无侧限抗压强度值均大于200 kPa。本次试验结果显示，控制好污泥灰的掺入量，污泥灰改性黏土混合材料在填埋场衬垫系统中的应用具有潜在的可行性。

参考文献：

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部. 关于全国城镇污水处理设施2010年第四季度建设和运行情况的通报[R]. 建城[2011]12号, 2011.

[2]万立国, 田禹, 张丽君, 等. 污水污泥高温热解技术研究现状与进展[J]. 环境科学与技术, 2011, 34(6): 109-113.

[4]甘义群, 王焰新. 改性污泥灰去除废水中Cu2+试验研究[J].环境科学与技术,2005, 28(6): 28-29.

[5]尹奇德, 夏畅斌, 何湘柱.污泥灰对Cd( II)和Ni( II)的吸附作用研究[J].材料保护,2008,41(6): 80-82.

[6]张丽, 陈建林，刘龙茂, 等.污泥灰对模拟染料废水的吸附研究[J].环境科学学报,2009,29(12): 2510-2518.

[7]Joo—Hwq Joy, 国元. 污泥灰做波特兰水泥混凝土的填料[J].国外环境科学技术,1988(5): 40-43.

[8]GB_T50123-1999, 中华人民共和国国家标准土工试验方法标准[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.