填埋固化污泥土的壓縮過程及微結(jié)構(gòu)變化

林署炯，冉孟膠，陳劍尚，張澄博

中山大學(xué)地球科學(xué)與地質(zhì)工程學(xué)院，廣東廣州 510275

【土木建筑工程 / Architecture and Civil Engineering】

填埋固化污泥土的壓縮過程及微結(jié)構(gòu)變化

林署炯，冉孟膠，陳劍尚，張澄博

中山大學(xué)地球科學(xué)與地質(zhì)工程學(xué)院，廣東廣州 510275

為探討填埋場中固化污泥土作為地基土的壓縮變形特性，通過多組試樣分別加載的側(cè)限壓縮試驗(yàn)及掃描電鏡觀察，對(duì)固化污泥土在不同應(yīng)力作用下的變形規(guī)律及微結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行研究．壓縮試驗(yàn)顯示，重塑固化污泥土孔隙比高、壓縮性高，在100～200 kPa應(yīng)力段壓縮量較小，存在亞穩(wěn)定狀態(tài)，土中含水量隨應(yīng)力的增大呈指數(shù)衰減形式下降．成分解析顯示：固化污泥土成分復(fù)雜，主要為疊片狀的黏土礦物土疇，同時(shí)還含有礦物碎屑、水化硅酸鈣、單硫型水化硫鋁酸鈣、蟲卵、生物碎屑以及各種有機(jī)絮凝質(zhì)等．微結(jié)構(gòu)變化觀察顯示：應(yīng)力較小時(shí)，顆粒間存在較大的架空狀孔隙，是土體壓縮性高的主要原因，受水泥固化影響，土體中存在部分強(qiáng)度較高的大孔隙，使土體表現(xiàn)為一種亞穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)應(yīng)力達(dá)到400 kPa時(shí)，亞穩(wěn)定狀態(tài)破壞，顆粒破碎變形嚴(yán)重，呈緊密的鑲嵌狀接觸；應(yīng)力增至800 kPa后，顆粒內(nèi)部小孔隙也被壓縮，土體密實(shí)度提高，孔隙比達(dá)1.445．

巖土工程；填埋固化污泥土；壓縮試驗(yàn)；分別加載；微結(jié)構(gòu)觀察；亞穩(wěn)定狀態(tài)

中國是一個(gè)人口大國，特別是大城市，人口密度大，導(dǎo)致城市污水量巨大，污泥作為污水處理的附加產(chǎn)物，其產(chǎn)量也日益劇增[1-2]．在中國，對(duì)污泥最常用的處置方式是固化后進(jìn)行填埋，不少學(xué)者對(duì)污泥的固化材料和配方進(jìn)行了研究[3-8]，取得了不少成果．如今大城市用地日益緊張，對(duì)填埋場的二次利用成為令人矚目的問題．由于污泥成分復(fù)雜[9-10]，有機(jī)質(zhì)含量高，工程力學(xué)性質(zhì)極差[11-13]，經(jīng)過固化穩(wěn)定化后雖強(qiáng)度有所提高，但仍難以達(dá)到一般地基使用標(biāo)準(zhǔn)．因此，有必要對(duì)填埋后固化污泥土工程性質(zhì)進(jìn)行詳盡研究，以指導(dǎo)污泥填埋場二次利用的地基處理．

壓縮變形特性是固化污泥土最重要的基本工程特性之一，決定著工程中最被關(guān)心的沉降問題．易進(jìn)翔等[14]對(duì)固化污泥的壓縮特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)固化污泥中的有機(jī)物對(duì)壓縮性有重要影響，隨著壓縮的進(jìn)行，土體的孔隙變小，含水率降低，引起結(jié)合水膜變薄，這時(shí)有機(jī)物起到土粒之間的連接作用，導(dǎo)致土體的強(qiáng)度增大，壓縮性變?。︼w等[15]研究了擊實(shí)過程中固化污泥土微觀孔隙的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)擊實(shí)后試樣的孔隙率大幅減小，且孔隙率隨著擊實(shí)功的增大先減小后漸趨穩(wěn)定，擊實(shí)過程中絮狀體相互搭接、黏結(jié)，顆粒逐漸團(tuán)?；?，生成較大的塊狀體，孔隙被逐步壓實(shí)填充．但以上研究采用的都是填埋前的土樣，固化污泥土經(jīng)長期填埋后，其性質(zhì)會(huì)發(fā)生較大的變化．曹永華等[16]通過掃描電鏡研究了污泥固化后不同齡期的微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)隨著時(shí)間的推移，固化污泥的密實(shí)性有較大的提高．劉繼狀[17]通過掃描電鏡研究了不同齡期固化污泥的微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長，針狀物減少，內(nèi)部孔隙也減?。罾诘萚18]研究發(fā)現(xiàn)，固化污泥的壓縮指數(shù)隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加而降低．因此可以認(rèn)為，經(jīng)過長期填埋后的固化污泥土，其壓縮性會(huì)有所降低，但其具體的壓縮變形特性以及壓縮過程中的微觀結(jié)構(gòu)變化仍不清晰．

常規(guī)側(cè)限壓縮試驗(yàn)是分析土體壓縮變形特性最常用的方法，傳統(tǒng)試驗(yàn)采用的是分級(jí)加載的方式，即對(duì)同一個(gè)試樣連續(xù)分級(jí)加載不同的應(yīng)力．這種方法可以反映土體最真實(shí)的固結(jié)壓縮特性，但無法對(duì)不同應(yīng)力加載后試樣的性質(zhì)變化進(jìn)行測試分析．為了研究固化污泥土在不同應(yīng)力作用下的性質(zhì)變化，本研究采用分別加載[19]的方式進(jìn)行試驗(yàn)，即對(duì)同一種土樣同時(shí)制備多個(gè)試樣，分別在不同的應(yīng)力下進(jìn)行壓縮固結(jié)，待變形穩(wěn)定后記錄各個(gè)試樣的變形量，并取出試樣進(jìn)行含水量測試和微觀結(jié)構(gòu)觀察，從而達(dá)到全面分析固化污泥土壓縮變形特性的目的．

1 試驗(yàn)材料與方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用固化污泥土采自深圳市福永污泥填埋場，系水泥和石灰等材料固化穩(wěn)定后填埋的城市污水污泥，填埋齡期約2年．該次側(cè)限壓縮試驗(yàn)采用分別加載的方式進(jìn)行，為消除土樣不均一性對(duì)試驗(yàn)的影響，試驗(yàn)前對(duì)土樣進(jìn)行完全重塑．由于固化污泥土初始含水量極高(大于液限)，重塑后呈流塑態(tài)不利于試樣的制備，因此土樣在天然含水量下重塑后，先用烘箱60 ℃烘干2 h，再進(jìn)行二次重塑．試驗(yàn)總共制備6個(gè)試樣，分別編號(hào)G1、G2、G3、G4、G5和G6．所有試樣制備完成裝入固結(jié)儀后，均先預(yù)壓飽和24 h．預(yù)壓飽和后取出試樣G1進(jìn)行含水量、密度和土粒密度等試驗(yàn)，作為土樣的基本物理指標(biāo)初始值，試驗(yàn)結(jié)果見表1．其中，ρ為土體密度；ρs為土粒密度；ω為含水量；e為孔隙比；n為孔隙率；Sr為飽和度；ρsat為飽和密度；ρd為干密度；γ′為浮重度.

表1 基本物理指標(biāo)初始值

1.2 試驗(yàn)方案

壓縮試驗(yàn)采用分別加載的方式進(jìn)行，通過千分表記錄各個(gè)試樣在不同應(yīng)力作用下的變形讀數(shù)，分析其宏觀變形特性．變形穩(wěn)定后取出試樣進(jìn)行含水量測試和微觀結(jié)構(gòu)觀察，分析試樣在壓縮過程中的含水量變化及微結(jié)構(gòu)變化特性．試驗(yàn)儀器采用兩臺(tái)南京土壤儀器廠生產(chǎn)的WG型單杠桿固結(jié)儀(三聯(lián)中壓)進(jìn)行，具體步驟如下：

1) 將制備好的重塑土樣裝進(jìn)試驗(yàn)儀器中，在12.5 kPa下進(jìn)行預(yù)壓飽和后，讀取各組試驗(yàn)千分表的讀數(shù)，作為變形初始值；

2) 分別在G2、G3、G4、G5和G6試樣上加載50、100、200、400和800 kPa的應(yīng)力，用砝碼緩慢加載，避免因加載太快土樣被擠出；

3) 加載完成后每隔1 h記錄1次讀數(shù)，每小時(shí)變形量≤5 μm時(shí)，即認(rèn)為變形達(dá)到穩(wěn)定；

4) 變形穩(wěn)定后緩慢卸荷到12.5 kPa，卸荷后每隔1 h記錄1次讀數(shù)，每小時(shí)變形量≤5 μm時(shí)，即認(rèn)為變形達(dá)到穩(wěn)定，卸荷完成；

5) 取出試樣，采用冷凍干燥法對(duì)試樣進(jìn)行干燥處理，并且測試各個(gè)試樣的含水量；

6) 凍干后每個(gè)試樣都制備一個(gè)水平切面和一個(gè)垂直切面用于掃描電鏡觀察，掃描電鏡樣品制備參照文獻(xiàn)[20-21]進(jìn)行，掃描電鏡型號(hào)為ΣIGMATM，分辨率為1.3 nm(20 kV)，放大倍數(shù)為12～1×106倍連續(xù)可調(diào)；

7) 調(diào)高掃描電鏡分辨率，拍攝高倍圖像進(jìn)行觀察，對(duì)固化污泥土中的基本單元體進(jìn)行識(shí)別分類，并對(duì)單元體的形狀、大小、接觸關(guān)系和空間分布等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析；

8) 選擇代表性點(diǎn)位，通過掃描電鏡配備的X射線能譜儀進(jìn)行微區(qū)成分分析，進(jìn)一步確定單元體種類，儀器采用英國Oxford X射線能譜儀(型號(hào)為X-MAX020)；

9) 對(duì)各個(gè)切面均拍攝2 000倍圖像，對(duì)比不同應(yīng)力壓縮后試樣的微結(jié)構(gòu)，分析土體壓縮過程中的微結(jié)構(gòu)變化特點(diǎn)．

2 結(jié)果與分析

2.1 壓縮變形特性

重塑固化污泥土的壓縮變形量與應(yīng)力關(guān)系曲線如圖1，應(yīng)力與孔隙比關(guān)系曲線如圖2，各應(yīng)力段的壓縮系數(shù)見表2．可以看出，重塑固化污泥土在初始狀態(tài)下具有較高的孔隙比，隨著壓縮應(yīng)力的增加，變形量迅速上升，同時(shí)孔隙比迅速減小，表明固化污泥土在低應(yīng)力下具有較高的壓縮性．從表2可知，在[12.5,50.0] kPa和[50.0,100.0]kPa應(yīng)力段固化污泥土的壓縮系數(shù)分別為5.009 MPa-1和4.764 MPa-1，其壓縮性遠(yuǎn)高于一般軟土．在100 kPa壓縮后，土體變形量上升變緩，孔隙比變化較小，[100，200]kPa應(yīng)力段的壓縮系數(shù)僅為0.580 MPa-1，土體壓縮性大幅變?。?dāng)應(yīng)力增加到400 kPa時(shí)，土體變形量又大幅上升，土體壓縮性明顯提高．這種現(xiàn)象顯示在100 kPa壓縮后，土體會(huì)進(jìn)入一種亞穩(wěn)定狀態(tài)，因此其壓縮性大大降低．但這種亞穩(wěn)定狀態(tài)在較大的應(yīng)力(400 kPa)下會(huì)遭到破壞，導(dǎo)致變形速率顯著提高．應(yīng)力達(dá)到800 kPa后，土體變形量上升緩慢，壓縮系數(shù)僅為0.415 MPa-1，孔隙比為1.445，表明土體已經(jīng)相當(dāng)密實(shí)．從圖1和圖2還可看出，隨著應(yīng)力的增加，土體的回彈量不斷增大．

圖1 變形量與應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.1 The deformation versus stress curve

圖2 應(yīng)力與孔隙比關(guān)系曲線Fig.2 Curve of stress versus void ratio

應(yīng)力/kPa壓縮系數(shù)/MPa-1[12．5，50．0]5．009[50．0，100．0]4．764[100．0，200．0]0．580[200．0，400．0]0．871[400．0，800．0]0．415

加載各級(jí)應(yīng)力時(shí)試樣的含水量變化曲線如圖3，可以看出含水量變化呈指數(shù)衰減型．進(jìn)行曲線擬合，得到關(guān)系式為y= 1.187x-0.11， 調(diào)整后的擬合系數(shù)R2= 0.987 9， 接近1，表示擬合程度高．含水量的變化沒出現(xiàn)同壓縮曲線類似的亞穩(wěn)定狀態(tài)，可能是因?yàn)橥馏w滲透性低，孔隙水的排出有滯后性．

圖3 含水量隨應(yīng)力變化曲線Fig.3 Curve of water content versus stress

2.2 基本單元體及接觸關(guān)系

填埋固化污泥土成分復(fù)雜，從圖4可見，主要含以下幾種單元體：① 圓球狀顆粒，直徑約1μm，推測是蟲卵；② 長條管狀顆粒，直徑約2μm，長8～15μm，表面光滑，推測為生物遺體；③ 片狀疊聚體，粒徑為2～10μm，推測是疊片狀黏土礦物土疇；④ 不規(guī)則致密塊狀顆粒，粒徑為3～10μm，推測為礦物碎屑；⑤ 不定形聚凝物質(zhì)，結(jié)構(gòu)疏松，大小不一，推測為水泥水化產(chǎn)物中的水化硅酸鈣；⑥ 單片狀晶體，粒徑約為2μm，推測為水泥水化產(chǎn)物中氫氧化鈣或單硫型水化硫鋁酸鈣；⑦ 表面模糊絮狀物，粒徑小于1μm，推測為各種有機(jī)絮凝物質(zhì)．

固化污泥土中蟲卵與生物遺體含量較少，隨機(jī)散亂分布．疊片狀黏土礦物含量最多，黏土礦物之間緊密相連，形成土疇，土疇之間以面接觸為主，形成較大的架空狀孔隙．礦物碎屑鑲嵌于黏土礦物中．不定形的水化硅酸鈣存在于各種顆粒之間起主要膠結(jié)作用．單片狀晶體的氫氧化鈣或單硫型水化硫鋁酸鈣伴生在水化硅酸鈣附近，且主要存在于架空孔隙中．有機(jī)絮凝物質(zhì)主要吸附在大顆粒表面，不易觀察．

對(duì)圖4中的A、B、C、D和E點(diǎn)進(jìn)行X射線能譜分析，結(jié)果見表3，可以看出，所有點(diǎn)位的C和O含量最高，可能是因?yàn)橛袡C(jī)物覆蓋在單元體表面，與污泥有機(jī)質(zhì)含量高性質(zhì)相符．A點(diǎn)礦物碎屑具有較高的K含量，可能是鉀長石．B點(diǎn)黏土礦物具有較高的Si含量和O含量，與其硅酸鹽類屬性相符．C點(diǎn)生物遺體Ca含量高，推斷為生物骨殼．D點(diǎn)無定形物質(zhì)鈣硅比介于1.0～1.5，推測為水化硅酸鈣[22]．E點(diǎn)單晶片具較高的Al和Ca含量，推測為單硫型水化硫鋁酸鈣．

2.3 微觀結(jié)構(gòu)變化

對(duì)不同應(yīng)力下固化污泥土的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖5．圖5中照片放大倍數(shù)均為2 000倍，編號(hào)H表示水平向切面，V表示縱向切面．在12.5kPa預(yù)壓后，水平向切面顯示主要為水泥產(chǎn)物混雜其他碎屑顆粒，土體結(jié)構(gòu)較為松散，存在孔徑為10μm的孔隙，孔隙為不規(guī)則多邊形狀，水化硅酸鈣內(nèi)部也存在孔徑小于1μm的孔隙．豎直向切面可見片狀黏土礦物疊聚體無定向松散分布，以面接觸為主，形成中等架空孔隙，孔隙孔徑為1～4μm．

經(jīng)50kPa壓縮固結(jié)后，水平向切面可見片狀黏土礦物疊聚體間孔隙變?yōu)榫€狀裂隙，此時(shí)片狀礦物之間接觸更為密實(shí)，片形完好，土疇內(nèi)部小孔隙變化不明顯．縱向切面顯示土疇與較大的礦物碎屑顆粒之間仍具有較大的孔隙，孔隙呈寬線狀．

經(jīng)100kPa壓縮固結(jié)后，水平向切面顯示破碎的各種顆粒相互擠壓，其中水泥產(chǎn)物的單晶片礦物破碎和擠壓變形最明顯，土體中孔隙多呈短條狀．豎直向切面顯示無定形水化硅酸鈣，片狀黏土礦物疊聚體以及礦物碎屑顆粒之間相互搭接，大顆粒之間孔隙進(jìn)一步變小，多為孔徑1～2μm的小孔隙．

① 為蟲卵；② 為生物遺體；③ 為疊片狀黏土礦物土疇；④ 為礦物碎屑；⑤ 為水化硅酸鈣；⑥ 為單硫型水化硫鋁酸鈣；⑦ 為有機(jī)絮凝物質(zhì)；A、B、C、D和E點(diǎn)為X射線能譜分析點(diǎn)位圖4 各成份掃描電鏡圖Fig.4 Scanning electron microscope images

點(diǎn)位原子質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%w(C)/%w(O)/%w(Na)/%w(Mg)/%w(Al)/%w(Si)/%w(K)/%w(Ca)/%w(Fe)/%種類推測A36．440．70．00．96．27．11．16．90．8鉀長石B28．045．90．00．87．011．90．94．41．0黏土礦物C24．940．80．61．210．012．40．010．20．0生物骨殼D30．043．80．71．15．25．60．97．71．2水化硅酸鈣E28．442．50．01．37．47．90．58．14．0單硫型水化硫鋁酸鈣

經(jīng)200 kPa壓縮固結(jié)后，水平向切面顯示水泥產(chǎn)物塊體之間存在較大(粒徑為10 μm)的孔隙，部分也受到明顯壓實(shí)，顆粒破碎更加明顯．豎直向切面顯示片狀黏土礦物疊聚體之間相互搭接緊密，土疇間間隙很?。?/p>

經(jīng)400 kPa壓縮固結(jié)后，水平向切面顯示顆粒破碎嚴(yán)重，切面較為平整，顆粒呈明顯的水平向分布，孔隙多為分離的粒間微孔隙，土疇界限模糊，礦物之間呈鑲嵌狀接觸．豎直向切面也顯示片狀黏土礦物疊聚體、片狀晶體和水化硅酸鈣等呈緊密接觸．

圖5 不同固結(jié)應(yīng)力下固化污泥土的微觀結(jié)構(gòu)變化Fig.5 Microstructure change of the landfilled solidified sludge soil under different consolidation stress

經(jīng)800 kPa壓縮固結(jié)后，水平向切面表面平整，各種顆粒之間相互鑲嵌，礦物破碎折曲變形嚴(yán)重，顆粒內(nèi)部小孔隙也被壓實(shí)，顆粒間仍可見微裂隙，部分土疇已被搭接成一體．豎直向切面顯示片狀黏土礦物疊聚體渾然一體，土疇界限消失，土疇接觸處更為破碎．

可以看出，隨著壓縮應(yīng)力的不斷增加，固化污泥土單元體間大孔隙逐漸被壓縮，孔隙形狀從多邊形逐漸變?yōu)榫€形，最后土疇界限消失，土體結(jié)構(gòu)從一開始的架空狀結(jié)構(gòu)向最后的鑲嵌式結(jié)構(gòu)發(fā)展．在壓縮過程中，大孔隙被壓縮到一定程度后，顆粒開始破碎并充填孔隙，隨著壓縮應(yīng)力的增大，顆粒破碎變形更加明顯，在較大應(yīng)力下土疇內(nèi)部小孔隙也會(huì)被壓實(shí)．

3 討 論

綜合宏觀壓縮變形特性、成分解析及微結(jié)構(gòu)變化等試驗(yàn)結(jié)果對(duì)固化污泥土在壓縮過程中的變形特性進(jìn)行分析．

固化污泥土在100 kPa應(yīng)力前壓縮性極高，主要是因?yàn)橥林写嬖诖罅康募芸諣畲罂紫?，且在壓縮過程中水泥產(chǎn)物的單晶片礦物發(fā)生破碎和擠壓變形，土體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大的調(diào)整．經(jīng)100 kPa壓縮固結(jié)后，由于大部分的大孔隙已被壓縮，土體達(dá)到一種相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，所以在200 kPa應(yīng)力作用下，其變形量較小，宏觀上表現(xiàn)為一種亞穩(wěn)定狀態(tài)．但受水泥固化的影響，土中仍存在部分大孔隙未被壓縮，構(gòu)筑這些大孔隙的顆粒間以水化硅酸鈣為膠結(jié)，抗壓能力較強(qiáng)，孔隙難以被壓縮．

當(dāng)應(yīng)力達(dá)到400 kPa時(shí)，超過水泥固化大孔隙破壞的閾值，所有的大孔隙都被壓縮，且此時(shí)顆粒破碎嚴(yán)重，各種顆粒接觸緊密，土體再次出現(xiàn)較大的結(jié)構(gòu)調(diào)整，宏觀上表現(xiàn)為亞穩(wěn)定狀態(tài)被破壞，壓縮性大大提高．進(jìn)一步增加應(yīng)力至800 kPa，顆粒的破碎變形更加嚴(yán)重，黏土土疇和水化硅酸鈣等的內(nèi)部小孔隙也被壓實(shí)，土體密實(shí)度進(jìn)一步提高，其回彈變形量也大大提高．

固化污泥土初始含水量高，大量的水存在于架空狀大孔隙中．在低應(yīng)力時(shí)，主要是大孔隙被壓縮，導(dǎo)致土體的含水量迅速下降．在壓縮應(yīng)力較大時(shí)，大孔隙基本消失，水分的排出主要來源于微小孔隙的壓縮，水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降變緩．因此隨著固結(jié)應(yīng)力的增大，土體的含水量呈指數(shù)衰減形式下降．在800 kPa壓縮后，土體中含水量仍高達(dá)54.4%，主要是因?yàn)橥林泻写罅康挠袡C(jī)質(zhì)，持水度高，且有機(jī)質(zhì)中的結(jié)合水難以被機(jī)械壓力擠壓排出[23]．在壓縮過程中，含水量的變化沒有出現(xiàn)同變形量相對(duì)應(yīng)的亞穩(wěn)定狀態(tài)，主要是因?yàn)橥林泻写罅康挠袡C(jī)質(zhì)，土體滲透性低[24-25]，孔隙水的排出具有滯后性，未能及時(shí)響應(yīng)變形量的變化．

本研究僅對(duì)固化污泥土的微觀結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行定性分析，主要是因?yàn)楣袒勰嗤脸煞謴?fù)雜，各種單元體形態(tài)各異，定量分析困難．污泥主要成分中，黏土礦物以土疇形態(tài)存在，以面接觸為主，接觸界限不清，定量分析難以自動(dòng)識(shí)別．土中還含有大量未定型水化硅酸鈣和有機(jī)絮凝物質(zhì)等，顆粒識(shí)別干擾大．各種成分導(dǎo)電性差異大，部分顆粒亮度低的部分容易被誤認(rèn)為孔隙，對(duì)定量分析會(huì)形成很大的干擾．

4 結(jié) 論

綜上研究認(rèn)為：

1) 重塑固化污泥土孔隙比高、壓縮性大，在100 kPa以下應(yīng)力下壓縮性極高，壓縮指數(shù)在5 MPa-1左右；100 kPa應(yīng)力壓縮固結(jié)后，土體進(jìn)入亞穩(wěn)定狀態(tài)，壓縮性大大減小；在應(yīng)力達(dá)到400 kPa時(shí)亞穩(wěn)定狀態(tài)破壞，壓縮性提高；

2) 隨著壓縮應(yīng)力的增大，土體的含水量呈指數(shù)形式下降，曲線擬合程度高，含水量的變化具有漸變性；

3) 固化污泥土成分復(fù)雜，主要包含疊片狀黏土礦物土疇、礦物碎屑顆粒、蟲卵、生物殼體、水泥水化產(chǎn)物的水化硅酸鈣和單硫型水化硫鋁酸鈣等，各種單元體表面都吸附有較多的有機(jī)質(zhì)；

4) 微觀結(jié)構(gòu)變化分析顯示，隨著壓縮應(yīng)力的不斷增大，固化污泥土單元體間大孔隙逐漸被壓縮，孔隙形狀從多邊形逐漸變?yōu)榫€形，最后土疇界限消失，土體結(jié)構(gòu)從一開始的架空狀結(jié)構(gòu)向最后的鑲嵌式結(jié)構(gòu)發(fā)展；

5) 大量架空狀大孔隙的存在，使固化污泥土在低應(yīng)力時(shí)壓縮性大．受水泥固化的影響，部分大孔隙在低應(yīng)力下未能被壓縮，土體表現(xiàn)為一種亞穩(wěn)定狀態(tài)；

6) 大量有機(jī)質(zhì)的存在導(dǎo)致土體含水量高，800 kPa高壓固結(jié)后含水量仍高達(dá)54.4%，同時(shí)降低了土體的滲透性，使其含水量的變化滯后于變形量的變化．

/ References：

[1] 蘇子藝, 余 江, 王 慈, 等. 生活污泥制備輕質(zhì)高比表面積陶粒的試驗(yàn)研究[J]. 深圳大學(xué)學(xué)報(bào)理工版, 2014,31(4):374-378. Su Ziyi, Yu Jiang, Wang Ci, et al. Preparation of lightweight and high specific surface area ceramsites with sewage sludge[J]. Journal of Shenzhen University Science and Engineering, 2014, 31(4): 374-378.(in Chinese)

[2] 易進(jìn)翔, 孟 琨, 薛 飛, 等. 污泥固化土填埋處置中降解規(guī)律的研究[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2015,15(5):284-288. Yi Jinxiang, Meng Kun, Xue Fei, et al. Study on degradation law of solidified sludge in landfill disposal[J]. Science Technology and Engineering, 2015, 15(5): 284-288.(in Chinese)

[3] 金 艷, 宋繁永, 朱南文, 等. 不同固化劑對(duì)城市污水處理廠污泥固化效果的研究[J]. 環(huán)境污染與防治, 2011,33(2):74-78. Jin Yan, Song Fanyong, Zhu Nanwen, et al. Experiments on solidification of sewage sludge with different solidifying agents[J]. Environmental Pollution and Control, 2011, 33(2): 74-78.(in Chinese)

[4] Zhen Guangyin, Lu Xueqin, Cheng Xiaobo, et al. Hydration process of the aluminate 12CaO·7Al2O3-assisted portland cement-based solidification/stabilization of sewage sludge[J]. Construction and Building Materials, 2012, 30: 675-681.

[5] Na Wei. Effect of slag-based solidification material on the solidification and stabilization of sewage sludge[J]. Science Asia, 2013, 39(1):67-72.

[6] Xin Danhui, Chai Xiaoli, Zhao Wentao. Hybrid cement-assisted dewatering, solidification and stabilization of sewage sludge with high organic content[J]. Journal of Material Cycles and Waste Management, 2016, 18(2):356-365.

[7] Lucena L C, Juca J F, Soares J B, et al. Use of wastewater sludge for base and subbase of road pavements[J]. Transportation Research Part D: Transport and Environment, 2014, 33: 210-219.

[8] Sun Xiaohui, Zhu Wei, Qian Xuede, et al. Exploring cementitious additives for pretreatment of high-early-strength sewage sludge from the perspective of the rapid generation of nonevaporable water[J]. Journal of Materials on Civil Engineering, 2014, 26(5):878-885.

[9] Eriksson E, Christensen N, Schmidt J E. Potential priority pollutants in sewage sludge[J]. Desalination, 2008, 226(1/2/3):371-388.

[10] Mailler R, Gasperi J, Chebbo G. Priority and emerging pollutants in sewage sludge and fate during sludge treatment[J]. Waste Management, 2014, 34(7):1217-1226.

[11] Brendan C O. Effect of biodegradation on the consolidation properties of a dewatered municipal sewage sludge[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2008, 28(8):1395-1405.

[12] Brendan C O. Geotechnical properties of municipal sewage sludge[J]. Geotechnical and Geological Engineering, 2006, 24(4):833-850.

[13] 馮 源, 羅小勇, 林偉岸, 等. 處置庫污泥工程特性測試研究[J]. 巖土力學(xué), 2013,34(1):115-122. Feng Yuan, Luo Xiaoyong, Lin Wei’an, et al. Geotechnical properties measurement of sewage sludge at a disposal site[J]. Rock and Soil Mechanics, 2013, 34(1): 115-122.(in Chinese)

[14] 易進(jìn)翔, 李 磊, 崔 猛, 等. 固化污泥的壓縮特性研究[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2014,14(27):107-111. Yi Jinxiang, Li Lei, Cui Meng, et al. Study on compression properties of solidified sludge[J]. Science Technology and Engineering, 2014, 14(27): 107-111. (in Chinese)

[15] 薛 飛, 易進(jìn)翔, 徐 菲. 固化污泥的壓實(shí)特性及微觀機(jī)理研究[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2014,14(31):90-94, 118. Xue Fei, Yi Jinxiang, Xu Fei. Study on compaction characteristics and micromechanism of solidified sludge[J]. Science Technology and Engineering, 2014, 14(31): 90-94.(in Chinese)

[16] 曹永華, 閆澍旺, 趙樂軍. 固化污泥的工程性質(zhì)及微觀結(jié)構(gòu)特征[J]. 巖土力學(xué), 2006,27(5):740-744. Cao Yonghua, Yan Shuwang, Zhao Lejun. Engineering properties and microstructure feature of solidified sludge[J]. Rock and Soil Mechanics, 2006, 27(5): 740-744.(in Chinese)

[17] 劉繼狀. 城市污泥固化性能試驗(yàn)研究[J]. 新型建筑材料, 2014,41(12):53-55. Liu Jizhuang. Experimental study on solidification property of municipal sludge[J]. New Building Materials, 2014, 41(12):53-55. (in Chinese)

[18] 李 磊, 徐 菲, 周靈君, 等. 固化污泥壓縮特性研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2015, 37(1):171-176. Li Lei, Xu Fei, Zhou Lingjun, et al. Compression characteristics of solidified sewage sludge[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2015, 37(1): 171-176.(in Chinese)

[19] 楊愛武, 吳 磊. 結(jié)構(gòu)性海積軟土強(qiáng)度與變形時(shí)效特性試驗(yàn)研究[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào), 2015,11(4):919-925. Yang Aiwu, Wu Lei. Experimental study on time-dependent strength and deformation of structured marine soft soil[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2015, 11(4): 919-925.(in Chinese)

[20] 曹 亮, 李曉昭, 趙曉豹, 等. 蘇州軟弱敏感層的土體微觀結(jié)構(gòu)定量分析[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報(bào), 2012, 20(3):419-426. Cao Liang, Li Xiaozhao, Zhao Xiaobao, et al. Experimental and digital image study on micro-structure of soft soil in strength-sensitive strata in Suzhou city[J]. Journal of Engineering Geology, 2012, 20(3):419-426.(in Chinese)

[21] 李軍霞, 王常明, 張先偉. 不同排水條件下軟土蠕變特性與微觀孔隙變化[J]. 巖土力學(xué), 2010,31(11):3493-3498. Li Junxia, Wang Changming, Zhang Xianwei. Creep properties and micropore changes of soft soil under different drainage conditions[J]. Rock and Soil Mechanics, 2010, 31(11): 3493-3498.(in Chinese)

[22] Lin Cheng, Zhu Wei, Han Jie. Strength and leachability of solidified sewage sludge with different additives[J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 2013, 25(11):1594-1601.

[23] Deng Wenyi, Li Xiaodong, Yan Jianhua, et al. Moisture distribution in sludges based on different testing methods[J]. Journal of Environmental Sciences, 2011, 23(5):875-880.

[24] 劉 飛, 陳俊松, 柏雙友, 等. 高有機(jī)質(zhì)軟土固結(jié)特性與機(jī)制分析[J]. 巖土力學(xué), 2013，34(12):3453-3458. Liu Fei, Chen Junsong, Bai Shuangyou, et al. Analysis of formation mechanism and consolidation characteristics of high organic soft clay[J]. Rock and Soil Mechanics, 2013, 34(12): 3453-3458.(in Chinese)

[25] 呂 巖, 佴 磊, 徐 燕, 等. 有機(jī)質(zhì)對(duì)草炭土物理力學(xué)性質(zhì)影響的機(jī)理分析[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2011，33(4):655-660. Lyu Yan, Nai Lei, Xu Yan, et al. The mechanism of organic matter effect on physical and mechanical properties of turfy soil[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2011, 33(4): 655-660.(in Chinese)

【中文責(zé)編：坪 梓；英文責(zé)編：之 聿】

Compression process of the landfilled solidified sludge soil and its microstructure change

Lin Shujiong, Ran Mengjiao, Chen Jianshang, and Zhang Chengbo?

School of Earth Science and Geological Engineering, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275,Guangdong Province, P.R.China

In order to explore the compression deformation characteristics of the landfilled solidified sludge soil as foundation soil, confined compression test by separate loading method and scanning electron microscope observation is carried to study the deformation rule and microstructure changes of the soil under different stresses. Compression tests show that, the remold solidified sludge soil has the characteristics of high porosity and compressibility. It has a metastable stage between 100 to 200 kPa, and the compression amount is small. The water content decreases exponentially during compression. Component analysis shows that, the composition of the solidified sludge soil is quite complex, including sheet aggregated clay domain, mineral fragment, hydrated calcium silicate, single sulfur type calcium aluminate, insect eggs, bio detritus, and other organic matters. Microstructure observation shows that, in the low level stress stage, there are a lot of large overhead voids between elements, which is the reason for the high compressibility of the soil. Due to the effect by the cement solidification, the soil has some large voids with highly strength which leads to the metastable stage. When the compress stress comes to 400 kPa, the metastable stage is broken and the particles are damaged and deformed seriously with the contact becoming mosaic. Further increasing the stress to 800 kPa, the micro voids inside the particles are also compressed, and the density of the soil increases, the void reaches 1.445.

geotechnical engineering; landfilled solidified sludge soil; compression test; separate loading; microstructure observation; metastable stage

：Lin Shujiong, Ran Mengjiao, Chen Jianshang, et al. Compression process of the landfilled solidified sludge soil and its microstructure change[J]. Journal of Shenzhen University Science and Engineering, 2017, 34(2): 147-156.(in Chinese)

TU 443

A

10.3724/SP.J.1249.2017.02147

廣東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(S2013010012521)

林署炯(1991—)，男，中山大學(xué)碩士研究生．研究方向：固化污泥土的壓縮變形特性．E-mail：870657385@qq.com

Received：2016-11-23；Accepted：2016-12-30

Foundation：Natural Science Foundation of Guangdong Province (S2013010012521)

? Corresponding author：Associate professor Zhang Chengbo. E-mail: eeszcb@mail.sysu.edu.cn

引 文：林署炯，冉孟膠，陳劍尚，等．填埋固化污泥土的壓縮過程及微結(jié)構(gòu)變化[J]. 深圳大學(xué)學(xué)報(bào)理工版，2017，34(2)：147-156.