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      干濕循環(huán)對脫水污泥剪切性能的試驗(yàn)分析

      2013-11-12 06:32:34王厚勝胡景玄
      關(guān)鍵詞:填埋場污泥含水率

      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 471000)

      在垃圾填埋場運(yùn)行的最后階段,需要進(jìn)行終場覆蓋.終場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水進(jìn)入填埋場而造成滲濾液的增加.我國大多數(shù)填埋場的覆蓋材料以粘土為主,用粘土做覆蓋材料會(huì)造成填埋場庫容的浪費(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.國外由于衛(wèi)生填埋一般比較到位,對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.而國內(nèi)眾多填埋場則往往是由于泥土的缺乏,對替代覆蓋材料的研究傾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的覆蓋材料是可行的.國外從20世紀(jì)70年代開始研究污泥經(jīng)改性后做填埋場覆蓋材料的應(yīng)用[3-7],而國內(nèi)的研究還處于起步階段.大體上國內(nèi)外有關(guān)填埋場覆蓋層材料出現(xiàn)兩個(gè)趨勢,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越簡單,二是越來越注重非自然表層土的利用,通過各種實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場長期運(yùn)行研究,挖掘新的替代品[8].

      污泥作填埋場的覆蓋材料應(yīng)滿足含水率<45%,橫向剪切強(qiáng)度>25kPa,臭氣濃度<2級[9],最終覆蓋還應(yīng)考慮邊坡穩(wěn)定性.橫向剪切強(qiáng)度以無側(cè)限壓縮強(qiáng)度來研究[10],無側(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,選出適合做填埋場終場覆蓋材料的配比為: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附近魚塘底部.石灰是從武漢當(dāng)?shù)刭徺I的建筑石灰.水泥是P.S.A32.5華石水泥.飛灰是江夏區(qū)長山口垃圾焚燒廠(在填埋場附近)焚燒后的產(chǎn)物.材料的基本性質(zhì)見表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,對飽和后的試樣進(jìn)行無側(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)過干濕循環(huán)試驗(yàn)時(shí),經(jīng)過浸水后,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3次干濕循環(huán)后,內(nèi)摩擦角呈先增大后減小的趨勢;粘聚力呈增大趨勢.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,可見經(jīng)過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)生填埋場巖土工程技術(shù)規(guī)范》[11]中規(guī)定,封場覆蓋系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析宜采用無限邊坡穩(wěn)定分析法或雙楔體法,驗(yàn)算無滲透水流和完全飽和時(shí)的安全系數(shù).采用無限邊坡穩(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、二級和三級邊坡,最小安全系數(shù)分別為1.35、1.30和1.25,計(jì)算出允許的坡度見表3.

      表3 干濕循環(huán)過程中各級邊坡允許坡度

      從表3可以看出:《生活垃圾衛(wèi)生填埋技術(shù)規(guī)范》[13]中填埋場封場頂面坡度不應(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 試樣的無側(cè)限壓縮試驗(yàn)結(jié)果指標(biāo)

      試樣的無側(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)過程中,試樣先被擠壓成鼓形后出現(xiàn)明顯的主裂縫.經(jīng)過干濕循環(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)度所對應(yīng)的應(yīng)變值很接近.結(jié)合含水率的變化,可知經(jīng)過干濕循環(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),非飽和試樣的無側(cè)限壓縮強(qiáng)度大于飽和試樣的無側(cè)限壓縮強(qiáng)度.隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,試樣的無側(cè)限壓縮強(qiáng)度呈先增大后減小,再增大的趨勢.

      2.4 試樣的收縮和膨脹性能試驗(yàn)分析

      經(jīng)過干濕循環(huán)后,試樣發(fā)生明顯的收縮,因此有必要對試樣的收縮和膨脹性能進(jìn)行研究.對試樣在常溫下進(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,作為填埋場的終場覆蓋時(shí),在干濕循環(huán)的條件下,容易開裂形成裂隙,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)過飽和后,含水率略有降低,內(nèi)摩擦角和粘聚力均增大,無側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低,但是差別不大.說明短時(shí)的浸水對改性污泥性質(zhì)影響不大.

      2)經(jīng)過干濕循環(huán)后,改性污泥的塑性變差,抗剪強(qiáng)度和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均呈增大趨勢,作為填埋場終場覆蓋時(shí),滿足填埋場封場頂面坡度不小于5%的要求.經(jīng)過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終場覆蓋時(shí),應(yīng)采取一定的保水措施防止其開裂.

      [參考文獻(xiàn)]

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