董祎挈，陸海軍，李繼祥，徐文穎

（武漢輕工大學(xué) 多孔介質(zhì)力學(xué)研究所，湖北 武漢 430023）

1 引 言

污泥造成的環(huán)境污染已成為當(dāng)前和今后最突出的環(huán)境問題之一，相關(guān)調(diào)研顯示，全國(guó)城鎮(zhèn)污水處理廠中濕污泥（含水率為80%）產(chǎn)生量約2 241×104t，每天約產(chǎn)生濕污泥6.14×104t，有1/2的污泥沒有進(jìn)行妥善的處理。垃圾滲瀝液中含有大量有機(jī)污染物及重金屬元素，其pH值為4.5～9.0[1]，且含有大量重金屬元素。襯墊系統(tǒng)長(zhǎng)期受垃圾滲濾液腐蝕后易出現(xiàn)襯墊系統(tǒng)防滲功能失效及污染物滲漏的災(zāi)害。

許多學(xué)者利用粉煤灰、赤泥、膨潤(rùn)土、秸稈纖維等改性材料對(duì)黏土進(jìn)行改性，以提高襯墊系統(tǒng)的防滲及吸附能力[2－5]。市政污泥經(jīng)高溫焚燒后產(chǎn)生的灰分屬于多孔材料，污泥灰具有較高的比表面積和離子交換能力[6－7]，對(duì) Cd(II)、Ni(II)等重金屬離子具有較高的吸附能力[8]，污泥灰作為混凝土礦物摻合料對(duì)混凝土力學(xué)性能具有增強(qiáng)效果[9]。

為了評(píng)價(jià)污泥灰改性黏土作為填埋場(chǎng)襯墊材料的可行性，探究改性黏土襯墊受滲瀝液腐蝕后強(qiáng)度特性及微觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，通過室內(nèi)試驗(yàn)分析垃圾滲瀝液腐蝕下污泥灰改性黏土的抗剪強(qiáng)度與孔隙結(jié)構(gòu)，針對(duì)純黏土與不同污泥灰摻量的改性黏土，采用直接剪切試驗(yàn)分析污泥灰改性黏土的抗剪特性，采用靜態(tài)氮吸附試驗(yàn)觀察剪切變形后改性黏土的吸附規(guī)律與孔隙結(jié)構(gòu)組成。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用黏土取自中國(guó)武漢某一施工現(xiàn)場(chǎng)，取土深度為3 m，取土?xí)r將土樣裝入密封袋內(nèi)，以減少對(duì)土壤的擾動(dòng)帶來的影響。土樣屬天然黏土，其基本物理性質(zhì)見表1，化學(xué)成分見表2。各項(xiàng)污染物指標(biāo)均滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，所取土樣不屬于污染土。試驗(yàn)所用污泥取自中國(guó)武漢漢西污水處理廠，屬市政污泥，污泥出廠前已經(jīng)過機(jī)械脫水，根據(jù)《城市污水處理廠污泥檢驗(yàn)方法》[10]，測(cè)得試樣平均含水率為 80.3%，有機(jī)物含量為 43.2%。試驗(yàn)所用垃圾滲瀝液取自中國(guó)武漢陳家沖生活垃圾填埋場(chǎng)，屬試驗(yàn)前即時(shí)取用新鮮滲瀝液，基本化學(xué)特性及其測(cè)定方法見表3。

表1 黏土的基本物理性質(zhì)Table 1 Basic physical properties of clay

表2 黏土的化學(xué)成分Table 2 Chemical composition of clay

將所取新鮮污泥置于恒溫水浴箱中（金壇市成輝儀器廠）中，水浴振蕩加熱，控制水溫為80 ℃。24 h后取出污泥置于鼓風(fēng)干燥箱（上?？坪銓?shí)業(yè)發(fā)展有限公司）中加熱，調(diào)節(jié)爐溫為105 ℃，至污泥中自由水全部脫除后取出，采用球磨機(jī)將干燥污泥磨成微小顆粒，并放入坩堝置于馬弗爐中焚燒，調(diào)節(jié)馬弗爐（天津瑪福爾科技有限公司）溫度為750 ℃，每隔24 h打開爐膛并翻攪污泥顆粒后繼續(xù)焚燒，直至坩堝中顆粒成為均勻紅褐色粉末后完成制備，將其通過200目標(biāo)準(zhǔn)篩后立即置于干燥器內(nèi)，隔絕空氣存放[24]。

表3 垃圾滲瀝液化學(xué)特性Table 3 Chemical properties of the landfill leachate

污泥灰的化學(xué)成分見表 4，表面微觀形貌與孔容孔徑分布如圖1、2所示。從圖中可以看出，污泥灰殘片形狀不規(guī)則且具有較多孔隙，單片殘片體積較小，空間骨架結(jié)構(gòu)有利于承壓，且孔容分布較為均勻，2～4 nm孔徑分布所占比例較大。

表4 污泥灰的化學(xué)成分Table 4 Chemical composition of sewage sludge ash

圖1 污泥灰的微觀形貌Fig.1 The microstructure of SSA

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 直接剪切試驗(yàn)

圖2 污泥灰的孔容孔徑分布曲線Fig.2 Pore volume and pore size of SSA

根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》[24]測(cè)得黏土的最大干密度為1.66 g/cm3，最優(yōu)含水率為22.4%。采用球磨機(jī)對(duì)試驗(yàn)所用黏土破碎，并通過2 mm標(biāo)準(zhǔn)篩，污泥灰改性黏土的組成分別為1%污泥灰+99%黏土、3%污泥灰+97%黏土、5%污泥灰+95%黏土。根據(jù)試驗(yàn)所得最優(yōu)含水率與最大干密度將污泥灰改性黏土壓入環(huán)刀，并置于垃圾滲瀝液中浸泡30 d后取出試驗(yàn)。采用ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀（南京寧曦土壤儀器有限公司）進(jìn)行剪切試驗(yàn)，測(cè)定土樣在100、200、300、400 kPa豎向壓力下抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律，并計(jì)算其黏聚力與內(nèi)摩擦角。

2.2.2 低溫氮?dú)馕皆囼?yàn)

取少量剪切試驗(yàn)中載荷壓力為200 kPa的表層土樣，采用JW-BK靜態(tài)氮吸附儀（北京精微高博科學(xué)技術(shù)有限公司生產(chǎn)）進(jìn)行靜態(tài)氮吸附試驗(yàn)，檢測(cè)200 kPa壓力下各試樣的孔隙結(jié)構(gòu)特性。試驗(yàn)中，以氮（99.99%）為吸附介質(zhì)，在相對(duì)壓力P/P0（P、P0分別為氮低溫吸附的平衡壓力及飽和壓力）為0.01～0.995之間，取22個(gè)比壓力點(diǎn)進(jìn)行等溫吸附與等溫脫附，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)BET方法[25]檢測(cè)孔徑、孔容分布情況。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 抗剪強(qiáng)度

不同污泥灰摻量下改性黏土受滲瀝液腐蝕前后的抗剪強(qiáng)度如圖3所示，黏聚力與內(nèi)摩擦角見表5。從表中可以看出，抗剪強(qiáng)度隨豎向壓力的增大而近似線性增大。受滲瀝液腐蝕后的試樣抗剪強(qiáng)度大幅下降，黏聚力與內(nèi)摩擦角分別降低60.12%和19.17%，200 kPa壓力時(shí)抗剪強(qiáng)度較未受腐蝕時(shí)下降47.44%～104.7 kPa，隨著污泥灰摻入量的增加，強(qiáng)度逐漸加大，黏聚力與內(nèi)摩擦角也隨之增大，200 kPa下5%污泥灰摻量試樣的抗剪強(qiáng)度達(dá)到184.8 kPa，但仍低于未受腐蝕時(shí)的強(qiáng)度7.23%。

圖3 污泥灰改性黏土的抗剪強(qiáng)度Fig.3 Shear strength of modified clay containing SSA

表5 抗剪強(qiáng)度參數(shù)Table 5 Parameters of shear strength

土顆粒受到滲瀝液腐蝕后結(jié)構(gòu)膠結(jié)物被腐蝕破壞，易發(fā)生顆粒重組現(xiàn)象，顆粒與顆粒間空隙增大，表面光滑程度增加，結(jié)構(gòu)緊密程度降低。此外，受到滲瀝液腐蝕后，易影響顆粒間存在的吸引力，擾動(dòng)并打破顆粒間黏結(jié)力，使其更為松散，故試樣受到側(cè)向擠壓后，顆粒間相對(duì)活動(dòng)增加，抵抗變形能力降低，抗剪強(qiáng)度下降，黏聚力與內(nèi)摩擦角也隨之降低。

土顆粒與污泥灰本身以及相互滑動(dòng)、咬合以及顆粒表面的物理化學(xué)作用決定了土樣的內(nèi)摩擦角；土顆粒與污泥灰兩者自身以及相互的靜電力、范德華力以及膠結(jié)作用決定了土樣的黏聚力[12]。此外由于污泥灰表面粗糙程度較大，能夠緊密黏結(jié)與土顆粒周圍，減少顆粒間相對(duì)活動(dòng)，故添加污泥灰后的改性黏土的顆粒間接觸滑動(dòng)、咬合作用較大，導(dǎo)致土體黏聚力與內(nèi)摩擦角較大，抗剪強(qiáng)度增加。

3.2 孔隙結(jié)構(gòu)

改性黏土受滲瀝液污染前后的吸附-脫附等溫線如圖4所示。不同污泥灰摻量下等溫曲線類似，故選取污泥灰摻量為 3%曲線進(jìn)行分析。根據(jù)國(guó)際理論與應(yīng)用化學(xué)協(xié)會(huì)（IUPAC）頒布的標(biāo)準(zhǔn)可知，試驗(yàn)所得等溫線均屬于IV型等溫線，且存在H3型滯后環(huán)，而滯后環(huán)的大小及形狀反映了孔隙結(jié)構(gòu)的差異[27]，相對(duì)壓力較低時(shí)，曲線出現(xiàn)小幅凸起，這階段主要是H2在顆粒微孔孔壁吸附，隨著相對(duì)壓力逐漸增大，吸附量緩慢上升。當(dāng)P/P0>0.2后，吸附曲線與脫附曲線出現(xiàn)分離，此時(shí)主要出于改性黏土表面大孔壁單層分子數(shù)的增多和多層吸附占比較大；當(dāng) P/P0＞0.6后，曲線急劇上升，吸附量大幅增加，并在較大孔隙中出現(xiàn)毛細(xì)積聚現(xiàn)象。

圖4 吸附-脫附等溫線Fig.4 Adsorption-desorption isotherm

未受滲瀝液腐蝕的黏土試樣最大吸附量為90.49 cm3/g，大于受腐蝕試樣16.19%，且未受腐蝕時(shí)滯后環(huán)面積也較大，而添加污泥灰后最大吸附量有小幅上升，這是由于受滲瀝液腐蝕后，黏土顆粒結(jié)構(gòu)松散，原有的瓶口狀孔隙出現(xiàn)連結(jié)，并易產(chǎn)生兩端開放型聯(lián)通孔隙，如圖5所示。此時(shí)毛細(xì)積聚能力降低，吸附能力減弱，此外由于污泥灰為多孔結(jié)構(gòu)，且抵抗污染物侵蝕能力較強(qiáng)，對(duì)吸附能力的提高有一定效果，故最大吸附量有所上升。

圖5 瓶口模型（一端開口型與兩端聯(lián)通型）Fig.5 Bottle model (one and both ends of hole)

圖6 孔容-孔徑分布曲線Fig.6 Distribution curves of pore volume and pore size

改性黏土受滲瀝液污染前后的孔容-孔徑分布曲線如圖6所示，圖中，sum dV為總孔容；dV/dr為微分孔徑。由IUPAC的分類可知，多孔物質(zhì)的孔可按孔徑大小分為孔徑大于50 nm的大孔、孔徑為2～50 nm的介孔、孔徑小于2 nm的微孔[28]。從圖中可以看出，改性黏土顆粒顆粒孔徑以1～2 nm的微孔與2～7 nm介孔為主，未受滲瀝液污染時(shí)，顆粒孔徑分布呈現(xiàn)雙肩峰形式，3、6 nm處孔徑占比較大，而受到滲瀝液污染后試驗(yàn)，雙肩峰形式減弱，3～6 nm之間孔徑占比出現(xiàn)震蕩，且變化較小，主要是由于滲瀝液腐蝕黏土顆粒后改變其孔隙組成結(jié)構(gòu)，孔隙內(nèi)部?jī)?nèi)壁程度增加，3～6 nm孔徑占比增大，2 nm以下微孔的數(shù)量主要由晶面間距控制，滲瀝液對(duì)礦物晶格物質(zhì)組成影響較小[29]，故2 nm以下孔徑占比變化較小。由于污泥灰存在一定吸附滲瀝液中污染物的能力，減輕滲瀝液對(duì)土顆粒的腐蝕效果，故隨著污泥灰摻量的增多，孔徑分布曲線逐漸恢復(fù)雙肩峰形式。此外，由圖6可知，未受腐蝕的黏土總孔容為0.547 cm3/g，總孔容曲線近似于一條直線，孔容分布較為均勻，而受滲瀝液腐蝕后總孔容增至0.568 cm3/g，這是由于滲瀝液腐蝕孔隙內(nèi)外表面致使孔壁厚度降低，孔隙內(nèi)部容積增大所致。此外，由于污泥灰顆粒存在較多微孔，故隨著污泥灰含量的逐漸增加，改性黏土的總孔容繼續(xù)緩慢增加，污泥灰摻量 5%的改性黏土總孔容增至0.595 cm3/g。

4 結(jié) 論

（1）受滲瀝液污染后黏土的抗剪強(qiáng)度大幅下降，黏聚力與內(nèi)摩擦角較未受腐蝕時(shí)下降 60.12%和19.17%，而添加污泥灰后改性黏土的抗剪強(qiáng)度逐漸增加，黏聚力與內(nèi)摩擦角也隨污泥灰摻量的增加而增大。

（2）改性黏土存在IV型吸附-脫附等溫線，H3型滯后環(huán)，受到垃圾滲瀝液腐蝕后的氮?dú)庾畲笪搅坑兴档?，滯后環(huán)面積略微減小。

（3）黏土顆粒孔隙結(jié)構(gòu)以雙肩峰形式為主，微孔與2～6 nm介孔的數(shù)量占比較大，且孔容分布較為均勻，受滲瀝液腐蝕后雙肩峰發(fā)育不明顯，總孔容有所增加，添加污泥灰后，孔徑分布逐漸恢復(fù)雙肩峰形式，且總孔容繼續(xù)增大。

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