干濕循環(huán)對(duì)脫水污泥剪切性能的試驗(yàn)分析

李 豐， 王厚勝， 胡景玄

(1 湖北工業(yè)大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430068； 2 河南六建建筑集團(tuán)有限公司，河南 洛陽(yáng) 471000)

在垃圾填埋場(chǎng)運(yùn)行的最后階段，需要進(jìn)行終場(chǎng)覆蓋．終場(chǎng)覆蓋一方面可以阻止垃圾與外界環(huán)境的直接接觸，另一方面減少雨水和其他外來(lái)水進(jìn)入填埋場(chǎng)而造成滲濾液的增加．我國(guó)大多數(shù)填埋場(chǎng)的覆蓋材料以粘土為主，用粘土做覆蓋材料會(huì)造成填埋場(chǎng)庫(kù)容的浪費(fèi)[1]．隨著粘土資源日益緊缺，尋找能夠替代粘土的材料的研究逐漸興起．國(guó)外由于衛(wèi)生填埋一般比較到位，對(duì)替代覆蓋材料的研究方向偏重于一些廢棄物資的資源化處理．而國(guó)內(nèi)眾多填埋場(chǎng)則往往是由于泥土的缺乏，對(duì)替代覆蓋材料的研究?jī)A向于尋找能在部分功能上替代黏土進(jìn)行覆蓋的材料．由于自來(lái)水廠污泥既具有土壤的一般特性[2]又是需要處理的廢棄物，因此，將污泥改性后作填埋場(chǎng)的覆蓋材料是可行的．國(guó)外從20世紀(jì)70年代開(kāi)始研究污泥經(jīng)改性后做填埋場(chǎng)覆蓋材料的應(yīng)用[3-7]，而國(guó)內(nèi)的研究還處于起步階段．大體上國(guó)內(nèi)外有關(guān)填埋場(chǎng)覆蓋層材料出現(xiàn)兩個(gè)趨勢(shì),一是在滿足環(huán)境保護(hù)要求的前提下,覆蓋層組成狀況越來(lái)越簡(jiǎn)單,二是越來(lái)越注重非自然表層土的利用,通過(guò)各種實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期運(yùn)行研究,挖掘新的替代品[8]．

污泥作填埋場(chǎng)的覆蓋材料應(yīng)滿足含水率<45%，橫向剪切強(qiáng)度>25kPa，臭氣濃度<2級(jí)[9]，最終覆蓋還應(yīng)考慮邊坡穩(wěn)定性．橫向剪切強(qiáng)度以無(wú)側(cè)限壓縮強(qiáng)度來(lái)研究[10]，無(wú)側(cè)限壓縮強(qiáng)度應(yīng)>50kPa．本文以淤泥、生石灰、水泥和飛灰為添加劑對(duì)污泥進(jìn)行正交試驗(yàn)，由正交試驗(yàn)的結(jié)果，選出適合做填埋場(chǎng)終場(chǎng)覆蓋材料的配比為：污泥∶淤泥∶生石灰∶水泥∶飛灰=100∶70∶15∶5∶10(質(zhì)量比)．由于污泥中有機(jī)質(zhì)含量較高，為了研究此配比污泥的耐久性，對(duì)其進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)．

1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

試驗(yàn)的污泥取自漢川生活污水廠的脫水污泥．淤泥取自漢川生活垃圾填埋場(chǎng)附近魚(yú)塘底部．石灰是從武漢當(dāng)?shù)刭?gòu)買(mǎi)的建筑石灰．水泥是P.S.A32.5華石水泥．飛灰是江夏區(qū)長(zhǎng)山口垃圾焚燒廠(在填埋場(chǎng)附近)焚燒后的產(chǎn)物．材料的基本性質(zhì)見(jiàn)表1．

表1 試驗(yàn)材料的基本性質(zhì)指標(biāo)

滲透系數(shù)為50kPa固結(jié)壓力下的結(jié)果

試樣的制備過(guò)程：先將污泥放入攪拌機(jī)中，快速攪拌1 min；再依次加入淤泥、生石灰、水泥和飛灰，快速攪拌5 min，使各改性劑與污泥充分混合均勻；將混合試樣取出，攤鋪于托盤(pán)中，攤鋪厚度約2 cm．

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)通風(fēng)條件下自然養(yǎng)護(hù)3 d，而后進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)．具體步驟為：在養(yǎng)護(hù)3天的時(shí)候?qū)⒃囼?yàn)所需的試樣全部制好；取余下試樣直接進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)和直剪(快剪)試驗(yàn)，取余下試樣進(jìn)行抽氣飽和，飽和時(shí)間為24 h，對(duì)飽和后的試樣進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)和直剪(快剪)試驗(yàn)．直接飽和的試樣記為0次干濕循環(huán)試樣，以便于對(duì)比．其余試樣先在50℃烘箱中烘干24 h，然后取出試樣放入真空缸內(nèi)，進(jìn)行抽氣飽和，飽和時(shí)間為24 h，此為一次干濕循環(huán)，共進(jìn)行3次干濕循環(huán)試驗(yàn)．每次干濕循環(huán)后進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)和直剪(快剪)試驗(yàn)．

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試樣的含水率隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化

試樣的含水率隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化見(jiàn)圖1．

圖 1 試樣的含水率隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化

從圖1可以看出：未經(jīng)干濕循環(huán)的試樣的含水率稍大于45%，非飽和試樣的含水率大于0次干濕循環(huán)試樣的含水率．隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的含水率逐漸減小，2次干濕循環(huán)后趨于穩(wěn)定．

2.2 試樣的直剪試驗(yàn)結(jié)果指標(biāo)

試樣的抗剪強(qiáng)度隨著干濕循環(huán)次數(shù)的變化如圖2和表2.

圖 2 試樣的抗剪強(qiáng)度隨豎向荷載的變化

從圖2可以看出：相同荷載作用下，未經(jīng)干濕循環(huán)的非飽和試樣和飽和試樣的抗剪強(qiáng)度比較接近；經(jīng)過(guò)干濕循環(huán)的試樣的抗剪強(qiáng)度大于未經(jīng)干濕循環(huán)試樣的強(qiáng)度．結(jié)合含水率可知，含水率降低導(dǎo)致顆粒間結(jié)合力更強(qiáng)，從而使試樣的抗剪強(qiáng)度增大．

表2 試樣的Ф和c隨干濕循環(huán)的變化

從表2可以看出：當(dāng)試樣未經(jīng)過(guò)干濕循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，經(jīng)過(guò)浸水后，試樣的內(nèi)摩擦角和粘聚力都增大，內(nèi)摩擦角增大約為1°，增大程度小于粘聚力的增大程度．試樣經(jīng)過(guò)3次干濕循環(huán)后，內(nèi)摩擦角呈先增大后減小的趨勢(shì)；粘聚力呈增大趨勢(shì)．2次干濕循環(huán)與3次干濕循環(huán)試樣的內(nèi)摩擦角和粘聚力基本上相等，可見(jiàn)經(jīng)過(guò)2次干濕循環(huán)，試樣的抗剪強(qiáng)度已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)．

《生活垃圾衛(wèi)生填埋場(chǎng)巖土工程技術(shù)規(guī)范》[11]中規(guī)定，封場(chǎng)覆蓋系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析宜采用無(wú)限邊坡穩(wěn)定分析法或雙楔體法，驗(yàn)算無(wú)滲透水流和完全飽和時(shí)的安全系數(shù)．采用無(wú)限邊坡穩(wěn)定性分析法，驗(yàn)算完全飽和時(shí)的安全系數(shù)，考慮到施工時(shí)斜坡上有壓實(shí)機(jī)械和施工人員，取黏聚力c=0時(shí)有.

Fs=γ′tanφγsattanβ.

Fs為安全系數(shù)；γ和γsat分別為有效容重和飽和容重，分別為8和18 kN/m3；φ為內(nèi)摩擦角；β為邊坡坡度；根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》[12]中一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)邊坡，最小安全系數(shù)分別為1.35、1.30和1.25，計(jì)算出允許的坡度見(jiàn)表3.

表3 干濕循環(huán)過(guò)程中各級(jí)邊坡允許坡度

從表3可以看出：《生活垃圾衛(wèi)生填埋技術(shù)規(guī)范》[13]中填埋場(chǎng)封場(chǎng)頂面坡度不應(yīng)小于5%的要求．每次干濕循環(huán)后，試樣的允許坡度都滿足要求，經(jīng)歷3次干濕循環(huán)后，試樣的允許坡度仍滿足要求．

2.3 試樣的無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)結(jié)果指標(biāo)

試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化如圖3和圖4.從圖3可以看出：試樣未經(jīng)干濕循環(huán)，沒(méi)有出現(xiàn)明顯峰值應(yīng)力，發(fā)生較大的應(yīng)變才達(dá)到破壞．試驗(yàn)過(guò)程中，試樣先被擠壓成鼓形后出現(xiàn)明顯的主裂縫．經(jīng)過(guò)干濕循環(huán)后，試樣在發(fā)生較小的應(yīng)變時(shí)，就達(dá)到峰值強(qiáng)度．3次干濕循環(huán)試樣的峰值強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值很接近．結(jié)合含水率的變化，可知經(jīng)過(guò)干濕循環(huán)后，試樣的塑性變差．

圖 3 試樣的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線

圖 4 試樣的無(wú)側(cè)限壓縮強(qiáng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化

從圖4可以看出：未經(jīng)干濕循環(huán)，非飽和試樣的無(wú)側(cè)限壓縮強(qiáng)度大于飽和試樣的無(wú)側(cè)限壓縮強(qiáng)度．隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的無(wú)側(cè)限壓縮強(qiáng)度呈先增大后減小，再增大的趨勢(shì)．

2.4 試樣的收縮和膨脹性能試驗(yàn)分析

經(jīng)過(guò)干濕循環(huán)后，試樣發(fā)生明顯的收縮，因此有必要對(duì)試樣的收縮和膨脹性能進(jìn)行研究．對(duì)試樣在常溫下進(jìn)行收縮試驗(yàn)和膨脹試驗(yàn)．收縮試驗(yàn)歷時(shí)3天，每天的溫度分別為29℃、30℃和25℃.膨脹試驗(yàn)歷時(shí)較短，不足一天，試驗(yàn)當(dāng)天溫度為24℃.收縮試驗(yàn)和膨脹試驗(yàn)的結(jié)果見(jiàn)圖5和圖6.

圖 5 試樣的線收縮率隨時(shí)間的變化

圖 6 試樣的線膨脹率隨時(shí)間的變化

從圖5和圖6可以看出：試樣收縮達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間遠(yuǎn)大于試樣膨脹達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間．試樣的線收縮率大于線膨脹率．試樣的線收縮率為9.49%，體縮率為13.2%，線膨脹率為1.05%，體積膨脹率為2%．試樣的收縮率大于膨脹率，作為填埋場(chǎng)的終場(chǎng)覆蓋時(shí)，在干濕循環(huán)的條件下，容易開(kāi)裂形成裂隙，同時(shí)又不容易愈合．因此，以此配比污泥做終場(chǎng)覆蓋時(shí)，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鋪設(shè)植被營(yíng)養(yǎng)層、設(shè)一定厚度的保護(hù)土層等．

3 結(jié)論

1)未經(jīng)干濕循環(huán)的改性污泥，經(jīng)過(guò)飽和后，含水率略有降低，內(nèi)摩擦角和粘聚力均增大，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低，但是差別不大．說(shuō)明短時(shí)的浸水對(duì)改性污泥性質(zhì)影響不大．

2)經(jīng)過(guò)干濕循環(huán)后，改性污泥的塑性變差，抗剪強(qiáng)度和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均呈增大趨勢(shì)，作為填埋場(chǎng)終場(chǎng)覆蓋時(shí)，滿足填埋場(chǎng)封場(chǎng)頂面坡度不小于5%的要求．經(jīng)過(guò)2次干濕循環(huán)，改性污泥已達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)．

3)改性污泥的收縮率遠(yuǎn)大于膨脹率，在經(jīng)歷干濕循環(huán)后，形成的裂隙不容易愈合．將此改性污泥做填埋場(chǎng)終場(chǎng)覆蓋時(shí)，應(yīng)采取一定的保水措施防止其開(kāi)裂．

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