孫冬青,李俊才,華蘇東,張 健,江明鏡,郭大鵬,童 飛

(1.南京市市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,南京 210008；2.南京工業(yè)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院,南京 210009；3.南京南大巖土工程技術(shù)有限公司,南京 211800；4.南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,南京 211816；5.南京浦口城鄉(xiāng)建設(shè)集團(tuán)有限公司,南京 211800)

全國水廠尾泥(生活尾泥、工業(yè)尾泥和自來水廠尾泥等)日益劇增,其中自來水廠尾泥在2015年排放大約為2 200萬t(含水率70%)[1],預(yù)計(jì)到2020年底將超過3 000萬t。目前中國日益重視環(huán)境保護(hù),水質(zhì)排放的標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格,而原水的水質(zhì)卻日益下降,原水中有機(jī)質(zhì)和各種有害物質(zhì)的成分急劇增加,使得自來水廠尾泥的質(zhì)量也越來越差。因此,原有的水廠尾泥資源化利用方式可行性越來越低,探索一種高效、高附加值的資源利用途徑成為當(dāng)前亟需解決的問題。

自來水廠尾泥最明顯的特征是高含水率和富含有機(jī)質(zhì),以及微量的重金屬離子,不經(jīng)處理直接排放將給受納土壤和水體造成直接污染。通常,水廠尾泥的處置方法包括焚燒、垃圾填埋或海洋拋投[2]。尾泥填埋或者海洋拋投都是比較消極的處置方法,沒有從根本上消除尾泥對(duì)環(huán)境構(gòu)成的威脅。

水廠尾泥的主要成分是Al2O3、SiO2、MgO、CaO、Fe2O3等黏土礦物及制水過程中投加的鋁鹽、鐵鹽等混凝劑,其化學(xué)成分決定了水廠尾泥具有一定的吸附、耐熱、可塑的特性[3]；水廠尾泥含水率高于其液體極限[4],固化法是處理水廠尾泥直接有效的方法之一[5],固化后水廠尾泥的工程性質(zhì)得到全面提升,同時(shí)還降低了重金屬等污染物的遷移和溶解性[6]。

在工程上,處理高含水率的軟弱地基土常采用水泥和石灰作為固化劑進(jìn)行土體加固。當(dāng)水泥或石灰與軟土相接觸時(shí),發(fā)生碳酸化作用生成堅(jiān)硬的鈣化物,使硬化體產(chǎn)生一定的強(qiáng)度而達(dá)到加固目的?，F(xiàn)主要根據(jù)尾泥性質(zhì)和路基土使用要求選擇不同固化劑及摻量,以期固化后的水廠尾泥可作為路基回填土使用且環(huán)境性能滿足要求。

1 實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

不同地區(qū)的水廠尾泥在性能上存在差別,主要是因?yàn)榈乩砦恢?、氣候條件以及周圍污染程度不同。以南京長江沿岸某自來水廠的尾泥為研究對(duì)象,對(duì)其物理性質(zhì)、化學(xué)成分、微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行測定分析,確定其污染情況,為水廠尾泥脫水干化、固化穩(wěn)定化及資源利用提供依據(jù)。水廠尾泥為棕灰色,由于存在有機(jī)物,因此具有輕微難聞的氣味。

水廠尾泥基本性質(zhì)如表1所示。將水廠尾泥在105～110 ℃下干燥至恒重4 h,然后磨成粉末以進(jìn)行化學(xué)成分分析。干式尾泥的主要成分是二氧化硅(SiO2)、氧化鋁(Al2O3)、氧化鐵(Fe2O3)等,SiO2與Al2O3含量之比約為2。水廠尾泥的微觀形貌如圖1所示,由圖1可知,水廠尾泥處理前結(jié)構(gòu)比較松散,土顆粒簡單地堆積聚集,沒有較為緊密的聯(lián)系,顆粒之間的空隙較大。圖2所示為烘干后水廠尾泥XRD圖譜,可以看出水廠尾泥中含有大量的石英相(SiO2),這與前述化學(xué)分析結(jié)果相一致,還含有一定量的白云母和斜綠泥石。固化劑成分分析結(jié)果如表2～表5所示。

表2 干燥尾泥的化學(xué)組成Table 2 Chemical composition of dried tailings

表3 水泥固化劑的化學(xué)組成Table 3 Chemical composition of cement curing agent

表4 石灰固化劑的化學(xué)組成Table 4 Chemical composition of lime curing agent

表5 副產(chǎn)石膏固化劑的化學(xué)組成Table 5 Chemical composition of by-product gypsum curing agent

圖1 水廠尾泥的微觀形貌Fig.1 Micromorphology of tailings from waterworks

圖2 水廠尾泥的XRD分析Fig.2 XRD analysis of tailingsfrom waterworks

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 樣品制備

根據(jù)《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009)[7]無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試件制作方法(圓柱形),按擊實(shí)試驗(yàn)做得的最優(yōu)含水率和最大干密度,用靜壓成型法壓制成型50 mm(直徑)×50 mm(高度)試件,成型之后脫模,稱取質(zhì)量,量取高度后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)。不同固化劑各個(gè)摻量下的強(qiáng)度數(shù)據(jù)測試3組,取平均值。試驗(yàn)研究4%水泥+6%石灰固化劑和16%副產(chǎn)石膏固化劑(未摻強(qiáng)氧化劑、摻4% KMnO4)的4種配方固化水廠尾泥后的路用性能。

1.2.2 性能評(píng)估

(1)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)是公路工程常用的一種試驗(yàn)方法,同時(shí)也可以反映固化尾泥的水化反應(yīng)速率[8]。根據(jù)《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20—2015)[9]中對(duì)二級(jí)及二級(jí)以下公路基層的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn),壓力機(jī)速率控制1 mm/min,記錄試件破壞時(shí)的壓力值。

(2)水穩(wěn)定性試驗(yàn)。根據(jù)《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009),硬化體的水穩(wěn)定性是硬化體在被浸水后抵抗變形的能力。在養(yǎng)護(hù)期后將試件放入(20±2) ℃水中,試驗(yàn)前擦拭干凈并稱取質(zhì)量后進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

(3)凍融循環(huán)試驗(yàn)。根據(jù)《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009),按無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料凍融試驗(yàn)方法進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn),在養(yǎng)護(hù)期最后一天將試件進(jìn)入(20±2) ℃水中,第二天取出,擦干表面水分,之后放入凍融循環(huán)試驗(yàn)箱,試驗(yàn)箱凍結(jié)溫度為-18 ℃凍結(jié)時(shí)間為8 h,融化溫度為 20 ℃融化時(shí)間為16 h,試驗(yàn)結(jié)束后測量無側(cè)限抗壓強(qiáng)度損失率、質(zhì)量損失率和形貌變化。

(4)浸出液檢測試驗(yàn)。根據(jù)《固體廢棄物浸出毒性浸出方法水平振動(dòng)法》(HJ 557—2010)[10]制備浸出液,溶液的固液比為10 L/kg,振動(dòng)8 h,靜置16 h后取上層清液,將這些清液過濾至0.45 μm膜,然后分析濾液中的重金屬。

1.2.3 固化機(jī)理分析

(1)X射線衍射分析。用少量固體粉末或小塊樣品便可得到其X射線衍射圖。通過樣品的X射線衍射圖與已知晶態(tài)物質(zhì)的X射線衍射圖對(duì)比分析便可以完成樣品物相組成和結(jié)構(gòu)的定性鑒定；通過對(duì)樣品衍射強(qiáng)度數(shù)據(jù)的分析計(jì)算,可以完成樣品物相組成的定量分析。

(2)微觀形貌分析。掃描電子顯微鏡可以觀測水廠尾泥及其固化后的微觀形貌、孔隙大小、水化產(chǎn)物和密實(shí)程度等,這些都決定固化后的性能。掃描電子顯微鏡可以清楚地反映這些微觀特征,是觀察分析樣品微觀結(jié)構(gòu)方便、易行的有效方法。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 擊實(shí)試驗(yàn)分析

摻4%水泥+6%石灰固化劑后的水廠尾泥擊實(shí)曲線如圖3所示,摻16%副產(chǎn)石膏固化劑后的水廠尾泥擊實(shí)曲線如圖4所示。

圖3 4%水泥+6%石灰固化尾泥擊實(shí)試曲線Fig.3 Compaction test curve of 4% cement+6% lime-solidified soil

圖4 16%副產(chǎn)石膏固化尾泥擊實(shí)試曲線Fig.4 Compaction test curve of 16%by-product gypsum solidified soil

由圖3可知,摻入4%水泥+6%石灰固化劑后的水廠尾泥最優(yōu)含水率為24%,最大干密度為1.51 g/cm3。由圖4可知,摻入16%副產(chǎn)石膏固化劑后的水廠尾泥最優(yōu)含水率為21%,最大干密度為1.54 g/cm3。水廠尾泥摻入固化劑之后,最優(yōu)含水率增大,最大干密度減小。其主要原因可能是固化劑摻入水廠尾泥中發(fā)生水化反應(yīng)并消耗部分水,土顆粒表面水膜變薄[11]。

2.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

路面是直接承受輪胎壓力的結(jié)構(gòu)層,路面將豎向荷載傳遞到路基,因此路基材料的抗壓強(qiáng)度對(duì)公路的壽命影響最大。路基土強(qiáng)度不足而產(chǎn)生的路面變形過大,已經(jīng)成為道路破壞的主要原因之一[12]。因此,路基土強(qiáng)度不足造成的破壞應(yīng)該引起足夠的重視。水廠尾泥硬化體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度如圖5所示。

圖5 水廠尾泥硬化體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度Fig.5 Unconfined compressive strength of hardened tailings of waterworks

由圖5可知,先摻入4%KMnO4后的硬化體比起未摻4%KMnO4的硬化體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提升較為明顯。先摻入4%KMnO4,再摻入4%水泥+6%石灰固化劑后形成的硬化體,養(yǎng)護(hù)28 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為4.2 MPa,而未摻強(qiáng)氧化劑的硬化體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為3.35 MPa,強(qiáng)度提高了31.9%；先摻入4%KMnO4,再摻入16%副產(chǎn)石膏固化劑后形成的硬化體,養(yǎng)護(hù)28 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為3.82 MPa,而未摻強(qiáng)氧化劑的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為3.12 MPa,強(qiáng)度提高了22.4%。摻入強(qiáng)氧化劑,除養(yǎng)護(hù)28 d的硬化體試樣,養(yǎng)護(hù)7 d和14 d的硬化體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度也有不同程度的提高。這說明摻入4%KMnO4后的硬化體比起未摻4%KMnO4的硬化體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高較為明顯,使用強(qiáng)氧化劑可以有效地降低有機(jī)質(zhì)對(duì)固化的不利影響[13]。

2.3 水穩(wěn)定性試驗(yàn)

水廠尾泥雖然在固化劑的作用下發(fā)生了水化反應(yīng),但是這種水化反應(yīng)不能破壞親水性的土壤成分。固化土基層浸水后會(huì)在土顆粒之間產(chǎn)生濕應(yīng)力,增大分子間距離[14]。使原本密實(shí)的結(jié)構(gòu)體變得松散,宏觀上表現(xiàn)為水解、崩散的現(xiàn)象。道路往往會(huì)遭遇雨水的侵襲,若基層經(jīng)受不住長時(shí)間的水侵蝕,就會(huì)使路面沉陷而破壞。因此,水穩(wěn)定性對(duì)水廠尾泥作為路基填土使用具有很重要的意義。試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)試件養(yǎng)生方法,在養(yǎng)生期最后一天浸水,通過對(duì)比不同浸水時(shí)間的硬化體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度來反映固化水廠尾泥的水穩(wěn)定性。水廠尾泥硬化體水穩(wěn)性能如圖6所示。

圖6 水廠尾泥硬化體水穩(wěn)性能Fig.6 Water stability of tailings solidified body of water plant

由圖6可以看出,隨著浸水時(shí)間延長,水廠尾泥硬化體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低；水穩(wěn)性能:摻入4%KMnO4試樣>未摻強(qiáng)氧化劑試樣。其中,未摻強(qiáng)氧化劑的固化試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低較快。強(qiáng)氧化劑對(duì)水廠尾泥硬化體水穩(wěn)性能的影響如下。

浸水1 d,摻入4%KMnO4后,4%水泥+6%石灰硬化體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度3.67 MPa,16%副產(chǎn)石膏硬化體3.25 MPa。未摻4%KMnO4,4%水泥+6%石灰硬化體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度2.95 MPa,16%副產(chǎn)石膏硬化體2.65 MPa。摻入強(qiáng)氧化劑后無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高了24.8%、22.6%。浸水5 d,摻入4%KMnO4,4%水泥+6%石灰硬化體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度2.94 MPa,16%副產(chǎn)石膏硬化體2.67 MPa。未摻4%KMnO4,4%水泥+6%石灰硬化體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度2.05 MPa,16%副產(chǎn)石膏硬化體1.88 MPa。摻入強(qiáng)氧化劑后無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高了43.4%、42%。

以上數(shù)據(jù)可以看出,用強(qiáng)氧化劑高錳酸鉀改性后的水廠尾泥,其硬化體水穩(wěn)性能顯著提高,并且浸水時(shí)間越長這一效果越明顯。還可以看出,加入高錳酸鉀后,水泥石灰硬化體水穩(wěn)性能提升的幅度略大于副產(chǎn)石膏硬化體。

2.4 凍融循環(huán)試驗(yàn)分析

路基是路面的基礎(chǔ),凍融循環(huán)的作用會(huì)改變路基的力學(xué)性質(zhì),從而影響路基的承載力和穩(wěn)定性。冰凍期,路基土內(nèi)的水分會(huì)凍結(jié)成冰晶體,導(dǎo)致路基體積發(fā)生膨脹,路面會(huì)出現(xiàn)鼓包開裂的現(xiàn)象。融化期,凍結(jié)土體的上層和最底層最先開始融化,上層土體的水分不能下滲導(dǎo)致其含水量增大,破壞路基的承載力,路面會(huì)出現(xiàn)沉陷的現(xiàn)象。所以,凍害也是造成道路破壞的重要原因,而引起凍害的根本原因是凍融作用。水廠尾泥硬化體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度損失率如表6所示，質(zhì)量損失率如表7所示。

表7 硬化體質(zhì)量損失率Table 7 Lost rate of quality of solidified samples

由表6可知,水廠尾泥硬化體的凍融穩(wěn)定性能:摻4%KMnO4試樣>未摻KMnO4試樣。凍融循環(huán)降低了水廠尾泥硬化體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度,且隨著循環(huán)次數(shù)的增加,水廠尾泥硬化體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度下降越多。其中,摻入4%KMnO4+4%水泥+6%石灰的硬化體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度損失最小,凍融循環(huán)1、3、5次后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)失分別為3.5%、6.2%、7.4%。摻入16%副產(chǎn)石膏的硬化體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度損失最大,凍融循環(huán)1、3、5次后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度損失分別為4.9%、8.3%、10.4%。

表6 硬化體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度損失率Table 6 Lost rate of unconfined compressive strength of solidified samples

由表7可知,隨著凍融次數(shù)的增加,硬化體質(zhì)量損失率逐漸增加,并且有加速的趨勢。這個(gè)趨勢與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度損失率恰好相反,原因是土體的脫落直接體現(xiàn)為質(zhì)量損失率,但對(duì)硬化體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響并不明顯。其中,摻入4%KMnO4+4%水泥+6%石灰的硬化體質(zhì)量損失率最小,凍融循環(huán)1、3、5次后的質(zhì)量損失率分別為0.35%、0.49%、0.71%。摻入16%副產(chǎn)石膏的硬化體質(zhì)量損失率最大,凍融循環(huán)1、3、5次后的質(zhì)量損失率分別為0.6%、0.85%、1.12%。

由圖7可以看出,凍融循環(huán)5次后,硬化體均出現(xiàn)了不同程度的破壞。其中未摻強(qiáng)氧化劑的硬化體的底部四周出現(xiàn)了凍裂脫落的現(xiàn)象,如圖7(a)所示。摻強(qiáng)氧化劑的硬化體的底部四周出現(xiàn)褶皺,土體脫落不明顯,破壞程度較小,如圖7(b)所示。因此,從宏觀上可以看出加入強(qiáng)氧化劑分解有機(jī)質(zhì)可以改善硬化體的抗凍融性能。

圖7 凍融循環(huán)對(duì)水廠尾泥硬化體試樣形貌的影響Fig.7 The effect of freeze-thaw cycles on the morphology of tailings solidified samples in waterworks

2.5 膨脹率實(shí)驗(yàn)

土的體積穩(wěn)定性作為土的膨脹潛勢,極大地影響著路基土的長期性能和支撐路面的能力。水廠尾泥固化材料作為路基材料時(shí),必須要滿足路基土體積穩(wěn)定性的相關(guān)要求。水廠尾泥膨脹率隨時(shí)間的關(guān)系如圖8所示。

圖8 水廠尾泥硬化體膨脹性能Fig.8 Swelling performance of solidified samples from tailings of waterworks

由圖8可知,隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加,4種水廠尾泥硬化體的膨脹率趨于穩(wěn)定。前12 h膨脹增長較快,12 h后膨脹幾乎不再增長。摻4%水泥+6%石灰固化劑的硬化體體積穩(wěn)定性要優(yōu)于摻16%副產(chǎn)石膏固化劑的硬化體。水廠尾泥中摻入4%水泥+6%石灰固化劑的硬化體膨脹率為0.29%,摻入16%副產(chǎn)石膏固化劑的硬化體膨脹率為0.38%。水廠尾泥中先摻入4%KMnO4,再摻入4%水泥+6%石灰固化劑后的硬化體膨脹率為0.23%；先摻入4%KMnO4,再摻入16%副產(chǎn)石膏固化劑后的硬化體膨脹率為0.34%。在水廠尾泥中摻入4%KMnO4可以降低硬化體的膨脹率,且硬化體的膨脹率為0.23%～0.34%,滿足《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30—2015)中膨脹小于0.7%的要求。在實(shí)際道路施工時(shí),水廠尾泥作為路基填土壓實(shí)后,應(yīng)過24 h后再進(jìn)行下一工序施工,從而保證施工質(zhì)量。

2.6 淋濾實(shí)驗(yàn)

水廠尾泥作為路基填土重要的前提條件是不能對(duì)環(huán)境造成污染,所以對(duì)水廠尾泥浸出性能研究的重要性不言而喻。查閱中外的研究發(fā)現(xiàn),降低土壤重金屬含量有3種思路:①改變土中重金屬離子存在形態(tài),減小重金屬離子的移動(dòng)性,使其固定在土壤中；②把重金屬離子與外界環(huán)境進(jìn)行隔絕,防止向外擴(kuò)散污染；③增加重金屬離子移動(dòng)性,使其與土體更容易分離。通過向水廠尾泥中加入固化劑,不僅改善了其工程性質(zhì),同時(shí)還降低了重金屬等污染物的遷移性和溶解性。水廠尾泥硬化體的浸出測試結(jié)果如表8所示。

由表8可以看出,摻入固化劑之后,重金屬含量顯著下降,主要有兩個(gè)原因:①固化劑的水化產(chǎn)物將重金屬固定水廠尾泥硬化體中,降低了重金屬離子的溶出；②摻入固化劑的行為本身稀釋了水廠尾泥。還可以看出加入強(qiáng)氧化劑之后,重金屬溶出進(jìn)一步降低,再次表明了加入強(qiáng)氧化劑消除有機(jī)質(zhì)有益于水化產(chǎn)物的生成。綜上所述,處理后水廠尾泥浸出液中的重金屬濃度遠(yuǎn)低于《生活垃圾填埋場污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 16889—2008)的標(biāo)準(zhǔn)限值,采用上述摻量的固化劑處理后的水廠尾泥對(duì)環(huán)境無害,即水廠尾泥固化后作為道路路基材料不會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成污染。

表8 水廠尾泥硬化體的浸出測試結(jié)果Table 8 Leaching test results of solidified tailings from waterworks

3 固化機(jī)理分析

3.1 射線衍射(XRD)分析

利用XRD對(duì)養(yǎng)護(hù)28 d后的試樣(4%水泥+6%石灰固化劑摻量,16%副產(chǎn)石膏固化劑摻量)進(jìn)行晶相組成分析,水廠尾泥硬化體XRD圖譜如圖9所示。

由圖9(a)可知,水泥石灰水化析出的產(chǎn)物是鈣礬石。由圖9(b)可知,副產(chǎn)石膏基固化材料硬化體水化產(chǎn)物主要為CaSO4·2H2O晶體(石膏)和少量鈣礬石晶體。水化產(chǎn)生的Ca(OH)2含量較少且水化過程中不斷被消耗,因而未檢測出其特征峰。另外,無定型C-S-H凝膠的彌散峰被其他晶體特征峰覆蓋,較難分辨出。生成鈣礬石和C-S-H凝膠是固化硬化體產(chǎn)生無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的主要原因,早期鈣礬石生成越多則無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越高,XRD分析結(jié)果與硬化體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律一致。

圖9 水廠尾泥硬化體XRD圖譜Fig.9 XRD pattern of tailings hardening in waterworks

3.2 掃描電鏡(SEM)分析

利用掃描電鏡對(duì)養(yǎng)護(hù)28 d后的試樣(4%水泥+6%石灰固化劑摻量,16%副產(chǎn)石膏固化劑摻量)微觀形貌分析,水廠尾泥硬化體微觀形貌如圖10所示。

圖10(a)為4%水泥+6%石灰固化劑硬化體斷面的微觀形貌，圖中出現(xiàn)了大量具有膨脹性質(zhì)的鈣礬石,使凝固尾泥的結(jié)構(gòu)緊湊。除鈣礬石的膨脹作用外,其晶體相互纏繞,并形成具有水化產(chǎn)物的獨(dú)特網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),起著重要的支撐作用。圖10(b)為16%副產(chǎn)石膏固化劑硬化體斷面的微觀形貌。隨著副產(chǎn)石膏固化劑不斷的水化,出現(xiàn)針狀的鈣礬石以及表面覆蓋了C-S-H凝膠,使得硬化體結(jié)構(gòu)趨于致密。掃描電鏡的結(jié)果與XRD結(jié)果一致。

圖10 水廠尾泥硬化體微觀形貌Fig.10 Microstructure of hardened sludge in waterworks

4 結(jié)論

(1)水廠尾泥硬化體標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后,摻4%水泥+6%石灰的硬化體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為3.35 MPa,摻16%副產(chǎn)石膏的水廠尾泥硬化體為3.12 MPa,無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均大于3 MPa。達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》(JTG 034—2000)中二級(jí)及二級(jí)以下公路底基層無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的要求(1.5～2 MPa)。

(2)浸水5 d,4%水泥+6%石灰硬化體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為2.05 MPa,16%副產(chǎn)石膏硬化體為1.88 MPa。處理后的水廠尾泥硬化體表現(xiàn)出良好的水穩(wěn)性能。

(3)摻入4%水泥+6%石灰的硬化體凍融循環(huán)5次后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度損失9.2%。摻入16%副產(chǎn)石膏的硬化體強(qiáng)度損失10.4%,處理后的水廠尾泥硬化體表現(xiàn)出良好的抗凍融性能。

(4)摻4%水泥+6%石灰固化劑的硬化體膨脹率為0.29%,摻16%副產(chǎn)石膏固化劑的硬化體膨脹率為0.38%。硬化體的膨脹率在0.23%～0.38%,滿足《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》中膨脹小于0.7%的要求。

(5)固化處置后,重金屬含量顯著下降。水廠尾泥浸出液中的重金屬濃度遠(yuǎn)低于《生活垃圾填埋場污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 16889—2008)的標(biāo)準(zhǔn)限值,水廠尾泥固化后作為道路路基材料不會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成污染。

(6)4%水泥+6%石灰和16%副產(chǎn)石膏可以滿足固化水廠尾泥作為路基填土的要求,副產(chǎn)石膏固化劑與水泥石灰傳統(tǒng)固化劑材料相比具有較大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。添加4% KMnO4分解有機(jī)質(zhì),可以提高水廠尾泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、耐水性能、凍融性能、體積穩(wěn)定性能和浸出性能。