污泥灰改性黏土脹縮與開裂變形特性

董 祎 挈， 陸 海 軍*,2

( 1.武漢輕工大學 多孔介質力學研究所, 湖北 武漢 430023；2.大連理工大學 巖土工程研究所, 遼寧 大連 116024 )

污泥灰改性黏土脹縮與開裂變形特性

董 祎 挈1， 陸 海 軍*1,2

( 1.武漢輕工大學 多孔介質力學研究所, 湖北 武漢 430023；2.大連理工大學 巖土工程研究所, 遼寧 大連 116024 )

針對垃圾填埋場襯墊系統(tǒng)受污染物侵蝕破壞現狀及污水處理廠剩余污泥回收處理利用工程評價問題，分析污泥灰改性黏土在酸堿化學溶液作用下脹縮與開裂特性，室內模擬酸堿化學溶液污染工況，將純黏土與污泥灰摻量為1%～5%的改性黏土受pH=5、6、8、9的酸堿化學溶液污染，通過界限含水率試驗測定改性黏土的液限與塑限，分析試樣的稠度界限；通過膨脹與收縮試驗測定改性黏土的膨脹率與收縮率，分析試樣的脹縮特性；通過開裂試驗測定改性黏土的開裂特性．結果表明：改性黏土液限約為43.5%，而隨著污泥灰摻量增大，塑限升高，塑性指數降低，經酸堿化學溶液污染后污泥灰摻量5%的試樣液、塑限達到最大，為45.9%、22.8%；污泥灰摻量為5%時膨脹率最低，為5.66%，摻量為3%時，線收縮率最低，為2.14%；受酸堿化學溶液污染后改性黏土膨脹率降低12.7%～36.5%，而線收縮率升高33.8%～75.7%；4次干濕循環(huán)后，純黏土試樣的開裂因子較第一次干濕循環(huán)末期大80.71%，而污泥灰摻量為3%試樣開裂因子僅較第一次干濕循環(huán)末期大43.47%．故建議采用3%污泥灰摻量的改性黏土作為填埋場襯墊材料．

污泥灰；改性黏土；膨脹收縮；開裂因子

0 引 言

填埋場的污染物滲漏、防滲系統(tǒng)失效等災害問題已成為生態(tài)環(huán)境與安全控制領域中的熱點和焦點[1]．據調查，垃圾滲濾液含有大量重金屬元素，pH為4.5～9.0[2]．襯墊系統(tǒng)長期受垃圾滲濾液腐蝕，產生連續(xù)的膨脹收縮，易出現襯墊系統(tǒng)的開裂致使防滲功能失效及造成污染物滲漏等災害．

許多學者利用粉煤灰、赤泥、膨潤土、秸稈纖維等材料對黏土進行改性，以提高襯墊系統(tǒng)的防滲及吸附能力[3-7]．市政污泥經高溫焚燒后產生的灰分屬于多孔材料[8]．污泥灰(SSA)具有較高硬度，可作為混凝土礦物摻合料，對混凝土力學性能具有增強效果[9]．

為了保障填埋場襯墊系統(tǒng)工程的安全，有效控制襯墊系統(tǒng)反復膨脹收縮導致襯墊系統(tǒng)的開裂，評價污泥灰改性黏土作為填埋場襯墊材料的可行性，通過試驗分析在酸堿化學溶液污染下污泥灰改性黏土的液塑限、膨脹收縮特性及開裂特性．采用界限含水率試驗分析酸堿化學溶液污染下改性黏土的稠度界限[10]；采用膨脹與收縮試驗評價改性黏土在酸堿化學溶液污染下抵抗膨脹與收縮能力；采用開裂試驗評價改性黏土的抗開裂特性．

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所需黏土土樣取自武漢某一施工現場，取土深度為3 m，其基本物理性質指標和化學成分組成如表1、2所示．試驗所需污泥取自武漢市漢西污水處理廠，污泥出廠前已經過離心脫水，其基本物理性質指標如表3所示．

取適量污泥置于錐形瓶中，放入恒溫水浴箱內水浴振蕩，控制溫度為95 ℃，24 h后，取出污泥，將其放入恒溫干燥箱內烘干，控制溫度為

表1 黏土的基本物理性質Tab.1 The basic physical properties of clay

表2 黏土的化學成分Tab.2 The chemical composition of clay

表3 污泥的基本物理性質Tab.3 The basic physical properties of sludge

105 ℃，并每隔2 h稱量其質量直至不再變化．取出已烘干的污泥樣品分批次放入坩堝，置于馬弗爐中高溫焚燒，調節(jié)馬弗爐爐溫為850 ℃，并保持厭氧條件，3 h后關閉電源，待爐內溫度降至100 ℃以下后取出紅褐色污泥灰顆粒，并用球磨機研磨，過200目標準篩后置于干燥器內保存?zhèn)溆茫勰嗷业谋砻嫖⒂^形貌如圖1所示，孔容孔徑分布如圖2所示，可以看出，污泥灰顆粒微小，附著有小塊殘片，且顆粒間孔隙較多，孔容分布較為均勻，2～4 nm孔徑分布所占比例較大．化學組成成分如表4所示．

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

1.2 試驗方法

將黏土進行人工破碎，通過2 mm圓孔篩后，摻入污泥灰制成改性黏土，其組成分別為1%污泥灰+99%黏土、3%污泥灰+97%黏土、5%污泥灰+95%黏土．采用HCl和NaOH配制pH為5、6、8、9的化學溶液，并將改性黏土置于溶液中浸泡30 d后取出．

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

表4 污泥灰化學成分Tab.4 The chemical composition of SSA

根據《土工試驗規(guī)程》(SL 237—1999)，控制試樣含水率為47%、36%、22%左右，采用SYS數顯液塑限聯合測定儀(南京寧曦土壤儀器有限公司生產)測定改性黏土液限與塑限．

采用WZ-2型膨脹儀和SS-1型收縮儀(南京寧曦土壤儀器有限公司生產)測定受酸堿化學溶液污染后改性黏土的膨脹率與收縮率．膨脹試驗中，試樣初始含水率控制為19.0%，干密度1.65 g/cm3， 6 h內變形不超過0.01 mm時終止試驗．收縮試驗時，試樣初始含水率控制為25%，干密度與試樣起始高度同膨脹試驗，12 h內變形不超過0.01 mm時終止試驗．

取未受酸堿化學溶液污染、不同污泥灰摻量改性黏土進行開裂試驗，試驗在最大干密度(1.65 g/cm3)與最優(yōu)含水率(19.0%)條件下進行，在直徑61.8 mm、高20 mm環(huán)刀中壓制土樣，保持表面平整，放入保鮮袋中密封，在40 ℃恒溫狀態(tài)條件下養(yǎng)護28 d后取出土樣，采用數碼顯微攝像系統(tǒng)每隔10 min采集試樣照片．如圖3所示，數碼顯微攝像系統(tǒng)放大倍數為10倍，試樣置于顯微鏡鏡頭的軸線位置，并在下方放置天平，實時記錄土樣加環(huán)刀質量．24 h質量變化小于0.2 g后默認質量已穩(wěn)定，并加水直至土樣表面濕潤為止，記錄加水后的質量，并計算出加水水量，4次干濕循環(huán)后試驗完畢，終止試驗．

圖3 壓實黏土開裂監(jiān)測裝置Fig.3 Cracking monitoring device of compacted clay

試驗結束后，通過開裂因子(CIF)公式表征壓實黏土開裂情況，其值為試樣開裂面積(Ac)與試樣總面積(At)之比：

2 試驗結果與分析

2.1 界限含水率試驗

酸堿化學溶液污染下改性黏土的液限、塑限如圖4所示，可以看出，污泥灰改性黏土液限約43.5%，較純黏土大1.6%左右，而隨污泥灰摻入量的增加變化較小，同時，其塑限隨污泥灰摻入量的增加繼續(xù)增大，5%摻量污泥灰試樣塑限達到最大，為22.1%，較純黏土大20.3%．此外，試樣的液、塑限值隨受堿性溶液污染程度增加而增加，污泥灰摻入量5%試樣受pH=9溶液污染后液、塑限達到最大，為45.9%、22.8%；而對于受酸性溶液污染的試樣，當化學溶液pH由7降至6時，液塑限有明顯增大，其中液限增大2.7%～3.8%，塑限增大3.3%～15.7%，隨著pH繼續(xù)降低，酸性污染加大，液塑限值變化不明顯．

酸堿化學溶液污染下改性黏土的塑性指數變化如圖5所示．根據《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021—2001)，黏性土可根據塑性指數分為粉質黏土和黏土．其中塑性指數大于10，且小于或等于17的應定名為粉質黏土，塑性指數大于17的應定名為黏土．由圖5可知，試驗所用黏土塑性指數均大于20，故屬于黏土類別．

(a) 液限

(b) 塑限

圖4 改性黏土的液限、塑限

Fig.4Theliquidlimitandplasticlimitofmodifiedclay

圖5 改性黏土的塑性指數Fig.5 The plastic index of modified clay

此外，由圖5可以看出，隨著污泥灰摻入量的增多，試樣塑性指數也相對降低，5%摻量改性黏土塑性指數為21.5，較純黏土小12.2%，此時，試樣的硬度增大，試樣顆粒越粗，比表面積也越?。@是由于污泥灰屬于多孔介質，顆粒較小，有一定硬度，可塑性較低，與黏土顆粒混合后，極易進入黏土顆粒內部成為顆粒骨架結構使整體硬度增大，故塑性指數隨污泥灰摻量的增加有所降低．

當受酸堿化學溶液污染后，改性黏土塑性指數升高，而純黏土的降低．這是由于受酸堿化學溶液污染后，黏土顆粒間原有空間骨架結構被腐蝕，顆粒間結構產生重組現象，經失水后顆粒間結構松散，表面粗糙，流動性與可塑性均有所降低，液塑限升高，而當塑限增加值大于液限增加值時，塑性指數減?。?/p>

改性黏土受到堿性化學溶液腐蝕后，污泥灰中次生二氧化硅、游離氧化物、黏土礦物的等電位pH差值增大，黏粒的熱力學電位增大，電動電位上升，黏粒表面負電荷增多[11]，溶液中Na+進入固定層和擴散層增多，使得固定層和擴散層變厚，土的可塑性增強．而受到酸性化學溶液腐蝕后，隨著酸濃度的增大，改性黏土顆粒的熱力學電位愈大，電動電位也愈大，但溶液中大量的H+使得部分黏粒帶正電荷，部分帶負電荷，帶正電荷的黏粒擴散層含有較多的Cl-，帶負電荷的黏粒擴散層含較多的H+，使得擴散層變薄[12]，但受酸性污染試樣溶解于酸的膠體離子會析出部分膠質，其膠結作用使塑限增大，故酸性污染下改性黏土液塑限是眾多因素綜合作用的結果，其隨酸度的變化規(guī)律并不明顯．

2.2 膨脹與收縮試驗

酸堿化學溶液污染下改性黏土的膨脹率曲線如圖6所示．可以看出，改性黏土的膨脹率α隨污泥灰摻量增加而減小，污泥灰摻量為5%的改性黏土膨脹率最低，為5.66%，較純黏土膨脹率小42.0%；受酸堿化學溶液污染后改性黏土膨脹率降低12.7%～36.5%，其中受酸性化學溶液污染的改性黏土膨脹率下降幅度小于受堿性化學溶液污染的改性黏土．

圖6 改性黏土的膨脹率曲線Fig.6 The swelling rate curves of modified clay

根據《膨脹土地區(qū)建筑技術規(guī)范》(GB 50112—2013)，黏土的自由膨脹率大于或等于40%時屬于膨脹土，可以看出試驗所用黏土膨脹性較差．黏土發(fā)生脹縮變形可以分為兩類，一類為粒間膨脹，另一類為晶格膨脹，黏土顆粒、晶格間水膜變化是導致其脹縮變形的直接原因[13]．由于污泥灰屬多孔介質，水分子進入后自動充填至孔隙中，而污泥灰顆粒表面結構密實，硬度較大，吸收水分膨脹能力較弱，故污泥灰能夠減小改性黏土膨脹．而受到酸堿化學溶液污染后，改性黏土起膠結的有機無機復合膠體、無機可溶性鹽、游離氧化物被酸堿溶液腐蝕，黏土顆粒變得細小[14]，顆粒間的孔隙發(fā)育也變大，水分子完全充滿孔隙空間需要一定時間，而這不會對最終膨脹率造成影響．對于受酸性污染的改性黏土，大量的H+使部分顆粒帶負電，部分帶正電，顆粒在電荷力的作用下相互吸引，減少了包裹顆粒水分子的數量．而對于受堿性污染的改性黏土，大量的Na+進入擴散層使得弱結合水增加，土顆粒的距離增大，但污染黏土結構的破壞導致的顆粒的松散相比Na+對雙電層的影響要大，故酸堿濃度高的污染土膨脹率反而較?。?/p>

酸堿化學溶液污染下改性黏土的收縮率ε曲線如圖7所示，可以看出，污泥灰摻量為3%時，其線收縮率達到最小，為2.14%，隨著污泥灰摻量的繼續(xù)增加改性黏土線收縮率有所增大．受酸堿化學溶液污染后改性黏土收縮率大幅增加，且污泥灰摻量為3%的改性黏土收縮率增量最大達75.7%．

圖7 改性黏土的收縮率曲線Fig.7 The shrinking rate curves of modified clay

由于改性黏土顆粒內部失水產生空洞后，污泥灰顆粒的強度使其能夠成為骨架結構支撐填充孔隙起到減小其繼續(xù)收縮的作用，但隨著污泥灰摻量的繼續(xù)增加，收縮時原有的污泥灰顆粒與黏土顆粒之間的連結將部分變?yōu)槲勰嗷翌w粒之間的直接接觸，污泥灰支撐土顆粒的骨架作用受到破壞，致使收縮率增大．而受酸堿化學溶液污染后的改性黏土隨水分的蒸發(fā)，其顆粒包裹的水分減少得越多，則其收縮率就越大，在室內溫度基本恒定的過程中，顆粒的孔隙越大，骨架中空氣對流就相對越快，失去的水分就越多，故酸堿濃度越大，其線收縮率就越大．

2.3 開裂試驗

污泥灰改性黏土開裂因子分布如圖8所示，污泥灰改性黏土最大開裂因子如圖9所示．可以看出，試驗初期開裂因子不為零，即恒溫養(yǎng)護28 d后試樣表面已產生少量裂縫，隨著試驗開始，含水率下降，開裂因子上升明顯．而進行干濕循環(huán)后，開裂因子較前一次干濕循環(huán)末期有所減小，但隨著時間的增加，試樣表面水分的繼續(xù)散失，開裂面積繼續(xù)增大，開裂因子也隨之增大，但增大速率較前一次干濕循環(huán)均有所減小．各試樣開裂因子增大率相似，4次干濕循環(huán)結束后，純黏土試樣的開裂因子最大為0.022 86，較第一次干濕循環(huán)末期大80.71%，而污泥灰摻量為3%試樣開裂因子為0.019 57，僅較第一次干濕循環(huán)末期大43.47%，可見添加污泥灰的改性黏土對抵抗開裂有積極作用．

試樣內部主要由基質與孔隙水組成，而改性黏土基質又主要由污泥灰與黏土顆粒組成，二者之間由孔隙水充填，試樣養(yǎng)護28 d以后，表面的孔隙水由于自然蒸發(fā)等原因流失，致使試樣表面孔隙水壓力減小，而孔隙水壓力決定基質吸引力，則基質吸引力也減小，當基質吸引力小于顆粒與顆粒之間所能夠承受的最小黏結力時，顆粒之間即會產生微小裂痕，隨著孔隙水壓力的繼續(xù)減小，基質吸引力也繼續(xù)減小，裂痕逐漸加大產生裂縫．干濕循環(huán)初期，由于試樣表面裂縫及孔隙受水分子充盈，加之下層顆粒對試樣表面顆粒壓力增大，表面顆粒產生粒間膨脹，較小的裂縫即會產生假愈合現象，即表面視為裂縫已充填愈合，而實際原顆粒連結處已無法重新完整結合，愈合處仍存在微小裂痕，隨著孔隙水再次流失，愈合處會再次開裂，開裂因子也會再次增大．

污泥灰顆粒自身具有較多孔隙，水分子易貯存于孔隙中，不易蒸發(fā)散失，鎖水能力較強，故試驗開始后，當試樣表面黏土顆粒間水分散失后，顆粒間孔隙水壓力減小，污泥灰顆粒中水分即會適當釋放補充，致使孔隙水壓力減小速率降低，保持一定的基質間吸引力；此外，污泥灰顆粒硬度較大，當黏土顆粒失水骨架松散后，污泥灰顆粒可充當骨架結構撐起表層黏土顆粒，減小表面土體失水沉降造成的開裂，故污泥灰改性黏土對抵抗開裂有一定的效果．

(a) 污泥灰摻量0%

(b) 污泥灰摻量1%

(c) 污泥灰摻量3%

(d) 污泥灰摻量5%

圖8 改性黏土開裂因子分布

Fig.8 TheCIFdistribution of modified clay

圖9 改性黏土最大開裂因子Fig.9 The maximum CIF of modified clay

3 結 論

(1)改性黏土液限約為43.5%，而隨著污泥灰摻量增大，塑限升高，塑性指數降低，5%摻量污泥灰試樣塑限達到最大，為22.1%，塑性指數為21.5；受酸堿化學溶液污染后的純黏土與改性黏土液塑限與塑性指數均有所增大，而純黏土塑性指數降低，污泥灰摻入量5%試樣受pH=9溶液污染后液、塑限達到最大，為45.9%、22.8%．

(2)改性黏土的膨脹率與收縮率較純黏土小，污泥灰摻量為5%時膨脹率最低，為5.66%，摻量為3%時，線收縮率最低，為2.14%；受酸堿化學溶液污染后改性黏土膨脹率降低12.7%～36.5%，而線收縮率升高33.8%～75.7%．

(3)改性黏土開裂因子隨含水率下降而上升，且干濕循環(huán)初期的開裂因子較前一次干濕循環(huán)末期有所減??；4次干濕循環(huán)后，純黏土試樣的開裂因子較第一次干濕循環(huán)末期大80.71%，而污泥灰摻量為3%試樣開裂因子僅較第一次干濕循環(huán)末期大43.47%．

(4)當污泥灰摻量為3%時，改性黏土抵抗膨脹與收縮能力及抵抗開裂能力較強，建議采用3%污泥灰摻量的改性黏土作為填埋場襯墊材料．

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Swelling, shrinking and cracking properties of modified clay containing sewage sludge ash

DONG Yi-qie1, LU Hai-jun*1,2

( 1.Institute of Poromechanics, Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430023, China；2.Institute of Geotechnical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China )

In order to deal with the landfill liner which was corroded by pollutants and evaluate the feasibility of using the residual sludge in sewage treatment plant, tests were performed to analyze the swelling, shrinking and cracking properties of modified clay which contained 1%-5% sewage sludge ash (SSA) under the action of acid and alkali chemical solutions. pHs of chemical solutions used in the tests were 5,6,8,9 separately, and the conditions were simulated indoors. The liquid limit and plastic limit of modified clay were tested by moisture content test, and the consistency limit of samples was analyzed. The swelling rate and shrinking rate of modified clay were tested by swelling test and shrinking test, and the swelling and shrinking properties were analyzed. The cracking properties of modified clay were tested by cracking test. Based on the results of soil tests, the liquid limit of modified clay is about 43.5%. With the increasing of SSA contents, plastic limit increases and plastic index reduces, the maximum liquid limit and plastic limit of modified clay containing 5% SSA which is polluted by acid and alkali chemical solution are 45.9%, 22.8% respectively. The minimum swelling rate and shrinking rate are 5.66%, 2.14% of modified clay containing 5% SSA and 3% SSA respectively. Moreover, the swelling rate is reduced by 12.7%-36.5% and the shrinking rate is increased by 33.8%-75.7% when polluted by acid and alkali chemical solutions. After dry-wet circulation for four times, the cracking index factor (CIF) is 80.71% larger than that of the end of first dry-wet circulation of clay sample. However, it is only 43.47% larger than that of the end of first dry-wet circulation of modified clay containing 3% SSA. Thus, the modified clay can be used as landfill liner material and the best content of SSA is 3%.

sewage sludge ash; modified clay; swelling and shrinking; cracking index factor

1000-8608(2015)03-0312-07

2014-10-22；

2015-03-26．

湖北省教育廳科學研究計劃資助項目(D20141703).

董祎挈(1991-)，男，碩士生，E-mail:dyq_whpu@163.com；陸海軍*(1979-)，男，博士，E-mail:lhj_whpu@163.com.

X705

A

10.7511/dllgxb201503013