污泥填筑路基的路用性能初步研究

程冠軍，程鈺

（山東海逸生態(tài)環(huán)境保護有限公司，濟南 250000）

1 引言

污泥是污水處理過程中無法避免的副產(chǎn)品，由于城市化和經(jīng)濟發(fā)展的需要，近年來，我國廢水排放和處理量一直在增加。在“十三五”規(guī)劃中，將進一步推廣廢水處理市場，以提高廢水處理效率。作為廢水的衍生物，近年來污泥的產(chǎn)量也在增加，據(jù)估計，大約 1×104t 污水產(chǎn)生 5×104～8×104t 污泥，預測我國每年產(chǎn)生3 000×104～4 000×104t（含水率80%左右）的污泥。同時，隨著我國公路建設項目的迅猛發(fā)展，道路材料正在消耗許多不可再生的自然資源。工程建設中填方路基需要消耗大量的填筑材料，開發(fā)并利用污泥作為新型道路填充材料，并將其大規(guī)模應用于公路工程建設中，也為生活污泥減量化消耗與利用提供一個有效途徑【1】。

本文主要對生活污泥填筑路基可行性進行初步研究，加入一定比例的黃土和水泥基改性固化劑對其改性處理，通過室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗路，對改性污泥作為公路填筑路基的工程特性進行了研究。

2 污泥改性處理研究

2.1 擊實試驗

依據(jù)JTG E40—2007《公路土工試驗規(guī)程》【2】污泥采用重型擊實方法，首先對樣品1 和樣品2 進行烘干、粉碎，按照四分法至少準備5 個試樣，分別加入不同水分（按2%～3%含水率遞增），拌勻后悶料1 夜備用。擊實完畢后，以干密度為縱坐標，含水率為橫坐標，繪制干密度與含水率的關系曲線，如圖1、圖2 所示，樣品1 最佳含水率38.7%，最大干密度1.25g/cm3；樣品2 最佳含水率14%，最大干密度1.84g/cm3。

圖1 樣品1 擊實曲線

圖2 樣品2 擊實曲線

2.2 無側限抗壓強度試驗

根據(jù)JTG E40—2007《公路土工試驗規(guī)程》的試驗步驟和要求，試驗試樣采用3.91mm×80mm 試模，根據(jù)擊實試驗數(shù)據(jù)，將烘干污泥按照高于最佳含水率（2%～3%）悶料，1 晝夜備用，然后按照最大干密度、最佳含水率在96%壓實度的情況下計算加料量，改性固化劑摻量4%～10%，采用靜壓法將濕料壓入成型，穩(wěn)壓1～2min，將試模中的試件脫出。將制好的試件放入密封袋中，放養(yǎng)護箱內(nèi)養(yǎng)護。待養(yǎng)護齡期達到3d、7d 時進行無側限抗壓強度試驗，樣品2 試驗數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 不同摻量CPS-12 無側限抗壓強度試驗數(shù)據(jù)

樣品1 污泥無法制件，由于污泥有機質含量過高，密度小，不易壓實，需對其進行物理改良，通過添加其他材料改變填料級配來改善物理性質及強度特性，根據(jù)試驗結果，純污泥無法滿足路基填筑的施工與性能要求。為了提高其路用性能，研究采用摻加30%的黃土，以及添加水泥基復合改性固化材料CPS-12，表明CPS-12 可以大幅度提高污泥的強度，整體水穩(wěn)定性好。選取6%～10%為最佳摻量。

2.3 改性污泥固化穩(wěn)定機理

污泥初始含水量為80%左右，若用于填筑路基，必須采取措施降低污泥含水量，將一定比例的黃土加入污泥當中，既降低了污泥的含水率，又改善了其物理性質及強度特性。摻入一定量的固化劑，經(jīng)拌勻、壓實處理，既可達到需要的路用性能指標，又大幅度地降低了污泥的污染性，使其達到環(huán)境要求。該改性固化劑是以水泥為基本材料，添加粉煤灰等激發(fā)劑形成的復合高分子材料，該產(chǎn)品對溫度變化穩(wěn)定，具有固定金屬離子的作用，能阻止金屬離子對產(chǎn)品的消極作用，是一種具有多種特殊性能的表面活性劑。在常溫、常壓和弱堿性環(huán)境中，該高分子聚合物復合材料能夠在很短的時間內(nèi)達到很好的吸附效果，大大地降低了90%的Cr2+、Hg2+重金屬離子的浸出量。張鴻齡【3】等通過添加不同比例的粉煤灰鈍化污泥，研究表明，粉煤灰對于污泥中的Cd、Pb、Cr、Mn、Fe具有鈍化作用，對Cd 和Fe 鈍化效果最為明顯【4】。

污泥固化強度形成的因素包括2 方面，即由污泥聚合物顆粒之間的內(nèi)摩阻力和黏聚力，通過機械壓實成型，顆粒間水膜與相鄰顆粒之間的分子引力所形成的“原始黏聚力”。隨著時間的推移，混凝土內(nèi)的固液相互之間發(fā)生一系列物理、物理化學和化學作用，并生成一系列具有膠結作用的物質，使混合料中顆粒與顆粒之間的連接加固，形成“固化黏聚力”。

高分子改性材料能夠有效還原高價重金屬離子，通過物理和化學吸附作用使污泥中的危害物質形成穩(wěn)定結構，從而達到有效抑制危害物質浸出的效果。

3 污泥填筑路基工程應用研究

在室內(nèi)試驗的基礎上，依托濱州某污水處理廠堆場試驗路工程，對改性污泥填筑路基進行現(xiàn)場取樣檢測無側限抗壓強度是否滿足路用要求，對成型路基進行壓實度，對其路用性能進行分析評價。

試驗場規(guī)模為10m×8m 長方形，分2 層施工，每層25cm。固化劑摻量底基層6%，上層為9%。

3.1 試驗段施工

對原地表應采用振動壓路機壓實處理。壓實后的地基經(jīng)檢測應達到本規(guī)定的地基壓實標準后，才可以進行污泥路基施工，檢測不合格時應補壓直到合格為止。

3.1.1 整平

對運送至填方路段內(nèi)的污泥采用推土機攤鋪并整平，或采用推土機配合平地機整平。攤鋪平整后可采用填料前后定點測量高程控制松鋪厚度，每層松鋪厚度宜采用前期試驗段確定。

3.1.2 摻加改性固化材料

隨時跟蹤檢測已填土體含水率，一般比最佳含水率稍高2%～3%時，可摻加改性材料。宜采用方格法或其他合適的布料方式，撒布污泥改性材料，并嚴格控制改性劑的摻加劑量。

3.1.3 路拌機拌和

改性材料撒布完成后，應采用拌和機組合的拌和方式進行拌和。拌和保證無夾層，拌和寬度每道重合30cm，拌和過程中隨時檢查拌和深度及搭接寬度，隨時檢查固化材料與污泥是否均勻，土體顆粒是否滿足設計及規(guī)范要求，不滿足要求的應進行第2 次拌和，第2 次拌和仍不能滿足要求需進行第3次拌和。

3.1.4 穩(wěn)壓

污泥壓實應遵循先輕后重原則，宜先用履帶式機具或輕型壓實機械穩(wěn)壓，穩(wěn)壓時按照一般土方路基的壓實工藝，從路基邊緣向內(nèi)側逐輪碾壓，碾壓時輪跡重疊寬度不小于1/2 單輪寬度，單側輪跡布滿1 個作業(yè)面為1 遍，穩(wěn)壓2 遍。

3.1.5 終壓

終壓壓實工藝與穩(wěn)壓相同，輪跡重疊寬度不小于1/2 單輪寬度，終壓2 遍。

3.1.6 檢測

改性固化污泥路基壓實完成后應及時進行壓實度檢測，壓實度檢測優(yōu)先采用環(huán)刀法。壓實度應達到本規(guī)程規(guī)定的標準，若達不到要求時應及時進行補壓，直到合格方可進行下一道工序的作業(yè)。

3.1.7 養(yǎng)護

經(jīng)檢驗達到質量要求的改性固化污泥路基，應采用覆蓋養(yǎng)護，整個養(yǎng)護期間應保持表面潮濕。

3.2 壓實度檢測

路基壓實度是指土或其他筑路材料壓實后的干密度與標準最大干密度之比【5】。路基壓實度是路基施工的關鍵指標之一，在施工完成后對其壓實度采用環(huán)刀法進行檢測。具體壓實度結果見表2。

表2 壓實度計算表

據(jù)表2 分析可知，壓實度滿足規(guī)范要求。

3.3 現(xiàn)場取料無側限抗壓強度試驗

在拌和完成之后，對污泥混合料進行現(xiàn)場取料制件，待到養(yǎng)護齡期檢測其無側限抗壓強度。具體結果如表3。

3.4 現(xiàn)場鉆芯取樣無側限抗壓強度試驗

在施工完成27d 之后，對改性污泥路基進行現(xiàn)場取芯，檢測其無側限抗壓強度。具體結果見表4。

表3 現(xiàn)場取料無側限抗壓強度試驗數(shù)據(jù)

表4 現(xiàn)場取芯無側限抗壓強度

由表4 可知芯樣強度平均值為2.0MPa，符合規(guī)范【6】要求。

4 結語

通過室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗路的研究可以得出以下結論：

1）生活污泥中除含有無機固體顆粒外，還包含大量的水分、重金屬、有機質、氮和磷等植物營養(yǎng)元素以及少量的有毒有害物質，不可直接用于路基填筑，必須對其進行改性處理。

2）污泥經(jīng)水泥基固化劑改性處理可以利用到公路工程建設中，其強度完全滿足路用要求。

3）污泥路基施工采用路拌工藝，施工工序較多，其中，原材料質量與最佳含水率的控制、分層填筑厚度、拌和均勻性、壓實、養(yǎng)護等是工藝控制的關鍵環(huán)節(jié)。

4）水泥基固化劑可以大幅度提高污泥的強度，整體水穩(wěn)定，能夠有效還原高價重金屬離子，通過物理和化學吸附作用使污泥中的危害物質形成穩(wěn)定結構，降低對環(huán)境的危害。同時還可以抑制污泥臭氣的產(chǎn)生。

污泥要實現(xiàn)其大規(guī)模的工程利用，還需要大量的室內(nèi)及現(xiàn)場分析評價，對污泥的工程特性及環(huán)境影響進行全面的分析研究。