陳 威，陸海軍，黃發(fā)興

(武漢輕工大學多孔介質力學研究所，湖北武漢430023)

近年來，隨著我國工業(yè)的迅速發(fā)展和城鎮(zhèn)化的不斷推進，城市污水排放量日益增多，污泥產(chǎn)量也隨之增加。污泥力學性質差，具有高含水率、高有機質含量、易腐化發(fā)臭等特點。若未能進行妥善處置或者直接排到環(huán)境中，容易對環(huán)境造成二次污染［1］，因此污泥的安全處置已成為全球關注的問題。將污泥進行固化處理是目前一種有效的資源化利用途徑，但由于污泥中含有大量水分、有機物而缺少固體無機顆粒，若采用傳統(tǒng)固化方法，水泥的初級水化反應都很難進行，且污染物的存在對水泥的水化反應有阻礙作用［2］，又增加了固化的負面影響，造成固化材料用量大，固化效果差，固化結實體力學強度低且易開裂收縮，難以取得較為理想的固化效果。固化污泥作為回填材料存在較為嚴重的收縮與開裂現(xiàn)象［3-5］，對工程的強度、抗?jié)B和穩(wěn)定性都會造成不利影響。固化后作為回填材料，水分蒸發(fā)會引起收縮變形，過大的收縮變形會產(chǎn)生裂縫［6-7］，對固化污泥的力學特性造成不利影響。

本文在骨架構架理論的基礎上，基于固體廢棄物材料(煤矸石)作為骨料，加入膠凝材料(水泥)與之相互作用形成致密堅固的骨架，對固化污泥起到支撐作用，再采用微集料(生石灰，粉煤灰)對剛性骨架進行填充，進一步促進骨架材料、污泥顆粒相互作用以達到改性固化效果，共同形成低收縮、小開裂的污泥改性固化結實體。骨架構建技術不僅能促進水泥的水化反應，提供了大量的具有活性的黏土礦物與水化產(chǎn)物反應，并且通過骨架支撐效應與孔隙填充效應，大幅度提高了污泥的固化效果，還能利用煤矸石、粉煤灰等一系列廢棄物，降低了固化成本，達到了以廢制廢的目的。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

實驗采用的污泥取自武漢市漢西污水處理廠，污泥樣品的含水率為80%，有機質含量為43.2%，pH 值 6.3，密度為 1.042 × 103 kg/m3，將煤矸石用球磨機進行粉碎，篩選粒徑為2.5—1.0 mm的顆粒進行實驗。固化材料的化學組成如表1所示。

表1 固化材料的化學組成

1.2 試驗方法

筆者基于骨架構建原理對高含水率污泥進行固化處理，實驗采用煤矸石作為骨料，水泥作為膠凝材料，并添加生石灰與粉煤灰作為微集料試樣的制備過程:先將污泥放入水泥靜漿攪拌機中，快速攪拌5 min，再按不同配比依次加入煤矸石、生石灰、水泥和粉煤灰，快速攪拌20 min使各改性劑與污泥充分混合均勻，將混合試樣取出置于鋼模中壓制成100 mm×100 mm×100 mm試件，每組各三個。試件在(20±2)℃環(huán)境中帶模密封養(yǎng)3 d后脫模，養(yǎng)護28 d時進入開裂收縮試驗階段。車承丹等通過實驗得出污泥的含水率越大，對污泥固化效果越不利［11］。

由于污泥含水率較高，在收縮過程中體積變化較大，且固化體會產(chǎn)生開裂，開裂情況可通過開裂因子(CIF)進行表征［8-9］，其值為試樣開裂面積(Ac)與試樣總面積(At)的比值。

CIF=Ac/At.

試樣表面開裂部分與未開裂部分相比，開裂部分明顯暗淡，通過比較開裂面積與未開裂面積之間的顏色差異，采用數(shù)字顯微圖像分析軟件計算開裂因子。

由于固化污泥含水率較高，產(chǎn)生的體積變化較大，因此在體積變化過程中容易導致不均勻變形，試樣的形狀不規(guī)則。所以采用蠟封法測定試樣的體積。試樣的收縮性用體積收縮率εs作為評估固化污泥收縮性指標［10］。εs的定義為:

εs=(V0－Vs)/V0×100%.

式中:V0為試樣原體積(100 cm3)，Vs為試樣收縮后的穩(wěn)定體積。

2 實驗結果及分析

2.1 煤矸石與水泥摻入量對污泥收縮開裂特性的影響

基于國內外實驗研究［12］及經(jīng)濟性與增容比等各方面考慮，將污泥加入如表2所示配比的水泥與煤矸石中，養(yǎng)護28 d后進行開裂與收縮實驗，試驗結果如圖1—2所示

表2 水泥與煤矸石加入量 /kg·kg－1

由于污泥含水率高，其體積收縮不可避免。在溫度恒定的條件下，固化污泥的體積收縮主要有兩個原因，一是由于在養(yǎng)護期內固化過程中固化劑發(fā)生了化學反應引起固化體的形變，為化學收縮，二是由于污泥水分的散失而發(fā)生的收縮，稱為干燥收縮。污泥固化體與空氣接觸，由于水分的散失產(chǎn)生干縮，對于含水率較高的固化污泥，干縮在收縮中所占的比例較大，是固化體收縮的重要因素，并且干縮往往是引起開裂的最主要的原因。干縮主要是由于污泥表面水分的蒸發(fā)，引起污泥體水分的遷移，導致內部顆粒受力平衡的破壞，在不平衡力的作用體系中，固體顆粒發(fā)生了相對位移，污泥顆粒不斷向內部運動，使顆粒間的距離越來越小，體積收縮［4-5］。

由圖1與圖2可知，在加入等量水泥的條件下，不加入煤矸石作為骨料，固化污泥的體積收縮與開裂都比較嚴重，煤矸石加入的量越多，體積收縮率越小，越能抑制固化體的變形，開裂因子CIF也隨之降低，裂縫減少，開裂減弱，當煤矸石加入量為0.3 kg/kg，固化體的開裂能得到大幅度的抑制。加入等量的煤矸石條件下，水泥加入量與體積收縮率成反比，固化污泥中水泥添加量越大，對降低污泥固化體的變形越有利，加入的水泥量越多，體積變形越小，CIF越小。當加入0.4 kg/kg煤矸石，0.2 kg/kg水泥能形成最為緊密的結實體，體積收縮與開裂降到了最低。

圖1 收縮特性曲線

圖2 開裂特性曲線

骨架構建固化法對污泥的改性主要體現(xiàn)在兩個方面，即骨架支撐效應，孔隙填充效應。骨架支撐效應增加了污泥固化體的整體性，孔隙填充效應減小了污泥固化體的孔隙［6］。加入煤矸石后，污泥體的內部結構被改變，固體無機顆粒增加，促進了水泥的水化反應，，煤矸石加入量越多，水化反應越徹底，水化產(chǎn)生的水化產(chǎn)物CHS(水化硅酸鈣)膠凝體就越多。而水泥添加量的增長，也能使水化產(chǎn)物CHS膠凝體增多。CHS膠凝體越多，就能膠結更多污泥中的分散顆粒，同時與煤矸石形成連續(xù)的網(wǎng)狀骨架結構，從而具有較高的骨架強度，對污泥體產(chǎn)生了骨架支撐效應。由于存在一定的骨架支撐作用，使污泥顆粒在固化過程中不能夠自由地靠近，從而在宏觀上體積收縮受到抑制。骨架支撐效應越強，越能阻止污泥顆粒的靠近，對收縮力的抵抗能力越強，在宏觀上越能抑制固化污泥的體積收縮。而在形成骨架結構的同時，隨著水泥水化反應的不斷進行，溶液中電離出大量的鈣離子，當數(shù)量超過離子交換需要量后，在堿性環(huán)境下生成不溶于水的結晶化合物，這些晶體的產(chǎn)生，填充了污泥顆粒間大量的孔隙，產(chǎn)生了填充效應。由于存在著孔隙填充效應，在收縮力的作用下，孔隙填充物對污泥體同樣存在一定的支撐效應，使污泥顆粒不能自由靠近，從而在宏觀上體積收縮受到了抑制。水泥與煤矸石加入量越多，骨架支撐效應與孔隙填充效應越強，對污泥顆粒的支撐作用就越顯著，體積收縮就越小，開裂越少，固化效果越理想。

污泥固化體的開裂主要是由于固化污泥液態(tài)水蒸發(fā)的不均勻。與空氣接觸那部分污泥其液態(tài)水揮發(fā)較快，而污泥固化體內部水分減少很慢，水分喪失的快慢引起的固化體的不均勻收縮變形，形成了張拉應力場，當收縮應力大于固化污泥體的抗拉強度時，固化體就會產(chǎn)生裂縫，引起開裂。煤矸石的加入促進了水泥的水化，降低了污泥體液態(tài)水的含量，同時形成了密實的骨架結構，增強了固化污泥體的抗拉強度。所以，煤矸石有效地抑制了污泥固化體的開裂。

2.2 生石灰摻入量對污泥收縮開裂特性的影響

將污泥加入如表3所示配比的水泥、煤矸石與生石灰中，養(yǎng)護28 d后進行開裂與收縮實驗，實驗結果如圖3—4所示

表3 生石灰加入量 /kg·kg－1

由實驗結果可知，在加入0.1 kg/kg水泥的條件下，加入煤矸石與生石灰的比例不同，體積收縮呈非線性變化，煤矸石加入0.3 kg/kg，生石灰加入0.05 kg/kg，污泥固化體的收縮率最小，加入生石灰的量越多，開裂因子越小，越不利于裂縫的生成。

圖3 收縮特性曲線

圖4 開裂特性曲線

一方面生石灰與污泥中的水發(fā)生化學反應，改變了原有水分的賦予狀態(tài)，將一部分自由水轉換為化學結合水，還有一部分進入了更加細小的孔隙中形成了細孔水，大幅度降低了自由水的含量，從而抑制了污泥的開裂，但是有利于增加干縮;另一方面Ca(OH)2與CaCO3等鈣化物的生成對污泥中顆粒起到了膠結作用，在一定程度上增強了顆粒間的黏聚力，使顆粒連接得更加緊密，改變了污泥的顆粒組分和結構。鈣化物本身具有一定的強度，起到了骨架的作用，增加了骨架的強度，并且細小的黏粒能填充污泥顆粒與煤矸石之間的空隙，增加了整體的密實性，進一步增強了固化體抵抗變形的能力，抑制了干縮，同時也抑制了開裂。因此加入生石灰后，固化體的開裂得到了明顯的降低，但是污泥固化體干縮究竟是增大還是減小并不確定，還需要看以上兩方面的力量對比。

2.3 粉煤灰摻入量對污泥收縮開裂特性的影響

將污泥加入如表4所示配比的水泥與煤矸石中，養(yǎng)護28 d后進行開裂與收縮實驗。粉煤灰具有火山灰特性，同時它還是一種廢物，用粉煤灰能替代部分水泥，從而減少水泥用量，降低固化成本。實驗結果如圖5、圖6所示

表4 生石灰加入量 /kg·kg－1

從圖5、圖6的實驗結果可以看出，加入粉煤灰后，體積收縮率沒有大幅度減小，基本保持穩(wěn)定狀態(tài)。同時，粉煤灰加入量在0.05 kg/kg時開裂因子能部分降低，但加入量過多時，并不能抑制開裂，開裂因子反而成上升趨勢。這說明粉煤灰并不能大幅度抑制固化體的收縮與開裂，對其影響較弱。

圖5 收縮特性曲線

圖6 開裂特性曲線

這主要是因為粉煤灰是由一系列玻璃態(tài)，帶有空洞的圓形顆粒組成，沒有自身的水化特性，粉煤灰中的活性SiO2、Al2O3只有在生石灰提供的強堿環(huán)境下才能發(fā)生類似火山灰的水化反應，生成非晶態(tài)的CHS膠凝等水化產(chǎn)物，起到類似水泥固化的效果，但是這需要較長的時間。加入過量的粉煤灰后，沒有足量的氫氧化鈣與其發(fā)生火山灰反應，水化硅酸鈣的生成沒有得到促進，骨架支撐效應不顯著，同時孔隙填充效應也未得到有效的增強，使污泥固化體的收縮并沒有得到進一步的抑制，這也是開裂沒有得到控制的一個重要因素。

3 結論

3.1 加入煤矸石作為骨料，能有效地抑制污泥固化體的開裂與收縮，煤矸石與水泥加入量越多，開裂與收縮越小。

3.2 生石灰能有效的抑制固化污泥的開裂，但對污泥固化體收縮的抑制作用并不確定。

3.3 粉煤灰的加入量對固化污泥的開裂與收縮影響較小。加入過量的粉煤灰不能抑制污泥固化體的開裂。

3.4 骨架構建固化方法有效的抑制了固化污泥體收縮與開裂等重要問題，并提升了固化效果，降低了固化成本，對解決污泥問題提供了新方法。

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