初始含水率對(duì)城市污泥壓縮及強(qiáng)度特性的影響

楊瑞敏，湯友勝，曾杏鋼，王夢(mèng)茹，何心寧

（1.安徽科技學(xué)院建筑學(xué)院，安徽 滁州 233100；2.東南大學(xué)巖土工程研究所，江蘇 南京 210096）

污泥是污水處理后產(chǎn)生的以有機(jī)物為主的泥狀物質(zhì)，含有大量的重金屬、微生物及污染物等。根據(jù)《國家環(huán)境保護(hù)“十三五”規(guī)劃》，目前我國脫水污泥的年產(chǎn)量已達(dá)到6×107t，填埋處置是國內(nèi)外常用的污泥處置方式[1]。由于污泥富含無機(jī)顆粒、膠體及有機(jī)殘片等，脫水后污泥仍具有較高的含水率，導(dǎo)致填埋場(chǎng)堆積時(shí)容易軟化塌方，施工機(jī)械作業(yè)時(shí)容易發(fā)生工程事故，若處置不當(dāng)將引發(fā)嚴(yán)重的社會(huì)環(huán)境問題，將進(jìn)一步加劇河道水體污染[2]。按照我國《生活垃圾衛(wèi)生填埋處理技術(shù)規(guī)范》(GB 50869—2013)規(guī)定，城鎮(zhèn)污泥在填埋前，需改善污泥的含水率高、黏度大、易流變的特性，改善后的污泥應(yīng)達(dá)到如下指標(biāo)：無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不得低于50 kPa，十字板抗剪強(qiáng)度不應(yīng)低于25 kPa，含水率不應(yīng)高于60%。焚燒時(shí)含水率應(yīng)小于50%，土地改良和污泥農(nóng)用的含水率應(yīng)分別小于65%和60%。城市污泥由于富含有機(jī)質(zhì)和細(xì)顆粒，與河、湖淤泥相比，一般具有較高壓縮性，壓縮指數(shù)可高達(dá)5.5[3]。

本文選取安徽省滁州市鳳陽縣某污水處理廠的污泥，開展不同初始含水率的污泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)，明確初始含水率對(duì)污泥壓縮及強(qiáng)度特性的影響，以期能夠?yàn)槲勰嗟馁Y源化利用提供技術(shù)支撐和理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料和儀器

1.1 試樣材料

試樣污泥取自鳳陽縣某污水處理廠，根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50123—2019），開展含水率、界限含水率、顆粒分析、比重及有機(jī)質(zhì)含量測(cè)定，可得污泥的基本物理性質(zhì)如表1 所示和污泥的顆粒組成如圖1 所示。

表1 污泥的基本物理指標(biāo)

圖1 污泥的顆分曲線

1.2 試驗(yàn)方案

配制初始含水率分別為90.61%、77.91%、56.51%、42.96%、36.5%和23.1%的污泥試樣6 個(gè)，試樣的制備參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50123—2019）執(zhí)行，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試樣直徑3.91 cm、高度8 cm，標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試樣直徑6.18 cm、高度2 cm，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下（溫度20 ℃、濕度90%）養(yǎng)護(hù)7 天。

采用TZS-1 型應(yīng)變控制式三軸儀開展無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50 123-2019）執(zhí)行，設(shè)置剪切應(yīng)變速率為0.5 mm/min，每隔0.25%應(yīng)變讀數(shù)一次。試驗(yàn)的軸向應(yīng)力、應(yīng)變分別按照公式（1）和（2）計(jì)算得到：

式中：σ為軸向應(yīng)力(kPa)，R為測(cè)力計(jì)讀數(shù)(0.01 mm)，C為測(cè)力計(jì)率定系數(shù)(N/0.01mm)，Aa為校正后的試樣面積(cm2)：Aa=A0/(1-0.01ε1)，A0為試樣初始面積(cm2)，ε1為軸向應(yīng)變(%)，h0為試樣的初始高度(mm)，Δh為軸向變形(mm)。

標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)采用WG 型單杠桿固結(jié)儀進(jìn)行，試驗(yàn)參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—2019）執(zhí)行，固結(jié)試驗(yàn)施加的各級(jí)壓力分別為12.5、25、50、100、200、400、800、1 400 kPa。施加每級(jí)壓力后24 h 測(cè)定試樣高度變化直到加荷至最后一級(jí)。

2 不同初始含水率污泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

經(jīng)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，可得污泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與初始含水率的關(guān)系曲線如圖2 所示。

圖2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與含水率的關(guān)系曲線

由圖2 可知，隨著含水率的不斷增大，污泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸上升。當(dāng)含水率增大至45%左右時(shí)達(dá)到最大值，之后，隨著含水率繼續(xù)增大，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度一直呈下降趨勢(shì)，最后趨于平緩。污泥密度～含水率與干密度～含水率關(guān)系曲線（擊實(shí)曲線）分別如圖3、圖4 所示。

擊實(shí)試驗(yàn)統(tǒng)一采用質(zhì)量2.5 kg 的擊錘，擊實(shí)筒直徑51 mm，落距為305 mm，分三層擊實(shí)，每層25 擊，使土孔隙中的氣體充分排出。根據(jù)圖4 可得污泥的最優(yōu)含水率為45%左右。

圖3 含水率與密度曲線

圖4 含水率與干密度曲線

圖5 不同含水率污泥的應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系

通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)可得污泥的應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系曲線（如圖5 所示)。當(dāng)含水率低于或接近最優(yōu)含水率時(shí)，污泥中主要以結(jié)合水為主，且結(jié)合水膜較薄，顆粒間聯(lián)結(jié)力較強(qiáng)，顆粒容易被擊實(shí)，形成骨架[4 ? 6]，從而使污泥具有一定的結(jié)構(gòu)性，應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)為軟化型，應(yīng)力隨應(yīng)變先增大到某一峰值后逐漸減小，在達(dá)到峰值之前，經(jīng)歷了線彈性、彈塑性兩個(gè)階段，污泥樣結(jié)構(gòu)逐漸破損，土顆粒之間產(chǎn)生塑性滑移，達(dá)到應(yīng)力峰值后，污泥樣結(jié)構(gòu)完全破壞，應(yīng)力隨應(yīng)變急劇衰減，曲線呈下降趨勢(shì),此時(shí)峰值應(yīng)力即為污泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。當(dāng)含水率的高于最優(yōu)含水率時(shí)，應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系呈硬化型，隨著含水率的增加，污泥的結(jié)構(gòu)性逐漸喪失，隨著荷載的增加，污泥的變形過程幾乎不經(jīng)歷彈性、破損階段，直接進(jìn)入塑性硬化階段，此時(shí)可取軸向應(yīng)變15%對(duì)應(yīng)的應(yīng)力作為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

3 不同初始含水率污泥的標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)

制備初始含水率分別為23.10%、36.50%、42.96%、65.68%、88.42%、97.14%的6 個(gè)污泥，開展標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)，可得污泥的e-p曲線、壓縮指數(shù)和壓縮系數(shù)隨含水率的變化曲線與e-lgp曲線分別如圖6—9 所示。

圖6 不同含水率污泥的e-P 曲線

圖7 壓縮系數(shù)與含水率的關(guān)系

由圖6 的e-p曲線可知，初始含水率越大，污泥e-p曲線前段越陡，且位于其他曲線上方，表明污泥的壓縮性越高，固結(jié)初期比中、后期孔隙比減小較快，污泥的初始含水率越低，e-p曲線越平緩。固結(jié)初期壓縮較快，e-p曲線陡降，主要是由于污泥中自由水的排除；固結(jié)中、后期壓縮較慢，隨著壓縮的進(jìn)行，自由水逐漸減少，由于污泥中含有大量有機(jī)質(zhì)，結(jié)合水逐漸占據(jù)主導(dǎo)，而結(jié)合水排除困難，同時(shí)有機(jī)質(zhì)本身的塑性壓縮變形很小，致使污泥的壓縮變形減小，故e-p曲線較平緩[7]。

圖8 壓縮指數(shù)與含水率的關(guān)系

圖9 不同含水率污泥的e-lgP 曲線

工程中一般采用100～200 kPa 壓力區(qū)間內(nèi)對(duì)應(yīng)的壓縮系數(shù)a1-2來評(píng)價(jià)土的壓縮性，本文中壓縮指數(shù)與壓縮系數(shù)的變化規(guī)律分別如圖7、8 所示，可見污泥的壓縮指數(shù)、壓縮系數(shù)均隨含水率的增大而增大，污泥壓縮系數(shù)a1-2均大于0.5，壓縮指數(shù)Cc均大于0.4（除初始含水率23.1%外），為高壓縮性土。隨著含水率的不斷增加壓縮指數(shù)和壓縮系數(shù)急劇增加，當(dāng)含水率增加至最優(yōu)含水率附近，試樣出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性，曲線接近平緩，最后曲線陡增。

從圖9 中可知，e-lgP曲線近似呈直線型，含水率高的污泥曲線較陡，但是隨著初始含水率的降低，壓縮指數(shù)也隨之降低且曲線變得平緩。究其原因是壓縮初期階段，結(jié)合水膜在有機(jī)物的作用下變厚，土顆粒之間的連接作用減弱，導(dǎo)致土體的壓縮性變大，強(qiáng)度降低。隨著壓縮過程的進(jìn)行，土體中的水被排出，使得結(jié)合水膜變薄，土體的壓縮性變小，強(qiáng)度隨之增加[8]，孔隙被進(jìn)一步壓縮變得更小，結(jié)合水占據(jù)絕大部分孔隙。顆粒間的蠕動(dòng)阻力由于結(jié)合水膜變薄而逐漸增加，從而抑制了污泥的變形[9]。其次，高含水率的土樣在壓縮初期土體強(qiáng)度較小，含水率較大，所以土樣從壓縮開始直至結(jié)束這一過程中形變較大。但隨著污泥初始含水率的降低，污泥變得更加密實(shí)，初始孔隙率減小，使得強(qiáng)度在壓縮初期就比較大，隨著壓縮的進(jìn)行土樣的變形越來越小直至壓縮結(jié)束。所以其曲線就較為平緩。

Butterfield 首先提出采用雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)確定結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力的方法[10]。所以本文中根據(jù)固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果繪制ln(1+e)～lgP關(guān)系曲線（見圖10），從而運(yùn)用Butterfield 的方法來確定污泥的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力。從圖10 中可知，隨著初始含水率的降低，污泥結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力減小的程度并不明顯。表明不同初始含水率下污泥的結(jié)構(gòu)性差異并不顯著，此外屈服前后雙對(duì)數(shù)壓縮指數(shù)變化非常顯著，即污泥一旦發(fā)生結(jié)構(gòu)屈服以后，其壓縮性將出現(xiàn)大幅度的增加[2]。

圖10 不同含水率下污泥雙對(duì)數(shù)壓縮曲線

4 結(jié)論

通過污泥的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)與標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)，明確初始含水率對(duì)污泥強(qiáng)度和固結(jié)特性的影響，主要得到如下結(jié)論。

1）無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)軸向應(yīng)力水平是影響應(yīng)變比的重要因素，在軸向應(yīng)力維持不變的狀態(tài)下，污泥的徑向與軸向應(yīng)變比隨著含水率的增大而減小。

2）污泥的初始含水率低于最優(yōu)含水率時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈軟化型，初始含水率高于最優(yōu)含水率時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈為硬化型。

3）不同初始含水率的城市污泥壓縮特性相差較顯著：初始含水率較高時(shí)，e-lgP、ln(1+e)–lgp曲線均近似直線，污泥不具有結(jié)構(gòu)性；隨著含水率的降低，e-lgP、ln(1+e)–lgp曲線剛開始平緩，隨后逐漸變陡，污泥具有一定屈服強(qiáng)度，表現(xiàn)出一定結(jié)構(gòu)性。

4）隨著含水率的增加，壓縮指數(shù)、壓縮系數(shù)均隨之增大，在最優(yōu)含水率附近變化趨于平緩，而后呈現(xiàn)單調(diào)遞增的趨勢(shì)。