污泥脱水方法及其物理力学效应

【关 键 字】 固化污泥土  腐殖酸  预压法  无侧限抗压强度
【摘    要】 以传统水泥固化污泥的研究为基础,提出预压法降低污泥初始含水率,以期使室内制备试样与实际相吻合。通过系列室内试验对比发现,由于预压法保留原始污泥有机质,其液塑限均高于烘干法。两种方法的应力—应变曲线表明:烘干法破坏应变在6.1%,为脆性破坏模式;预压法破坏应变在3.7%,为塑性破坏模式。烘干法初期强度增长较快且后期强度趋于稳定;在固化剂胶结作用与腐殖酸的缓释—侵蚀协同作用下,预压法初期强度增长缓慢,胶结作用大于侵蚀作用。养护至120 d后强度逐渐降低,侵蚀作用大于胶结作用。

0 引 言
 
由于水利工程、港航工程、海岸工程建设需要,我国每年都会开展大规模的清淤工作,随之产生大量的疏浚污泥[1-2],污泥是一类富含有机质,具有高黏粒含量、高含水量、大孔隙比、低强度、高压缩性等特征,工程上难以直接加以利用而废弃,造成了资源浪费和土地占用。国内外学者对疏浚污泥处理展开了大量研究[3],通常借鉴软黏土地基处理方法[4-5],采用水泥等固化剂进行固化[6-7]。污泥初始含水率较高,通常为液限的2~3倍[8],在实验室制作固化污泥试样时,往往先通过翻晒降低含水率,接着通过烘箱烘干,获取干土样,然后根据试验所需含水率对干土样加水进行配制。然而疏浚污泥是一类富含动植物残骸的特殊材料,其有机质含量高,经微生物分解后极易形成腐殖酸,从而弱化固化土的固化效果[9],故在此制样过程中,烘箱内高温作用会破坏污泥中的有机质,降低腐殖酸含量,使得室内试验不能准确表征污泥固化土真实情况;除此之外,当前国内外学者对污泥固化效果的影响开展了颇有成效的研究,主要以标准养护期(28 d)的污泥固化土为研究对象[10-11],但污泥固化土中腐殖酸的释放是一个缓慢的过程。实践表明,以标准养护期强度为设计标准的污泥固化土,其初期性能较好,但运营到后期常常会发生开裂、沉降甚至失稳等工程病害[12]。
 
针对上述问题,拟在传统烘干法基础上提出预压法室内制样工艺,并通过对比两种工艺污泥的液塑限及其固化土长期强度等指标揭露腐殖酸缓释—侵蚀行为。
 
1 污泥降水方法
 
1.1 烘干法
 
 
图1 预压降水装置
Fig.1 Reducemoisture content device of preloading
烘干法是传统降水方法,是指直接通过烘箱等设备快速降低淤泥的含水量方法。在室外平整水泥地面铺设防水布,将污泥均匀涂铺在防水布上,因污泥翻晒厚度对降水效果影响较大,故将铺设厚度控制在5 cm以内。考虑到翻晒法不能完全晒干土样,故采取翻晒后进行烘干的措施,将污泥放置在边长为20 cm的正方形铝盒中,铺设厚度为10 cm。然后放置烘箱内并盖上盒盖,将烘箱温度调至105 ℃,当试样连续两次称量的差(间隔4 h)不超过试样的0.1%时可认为试样完全烘干。最后,将烘干试样用橡胶榔头击碎并过2 mm筛,将筛余的土用封口袋密封备用。
 
1.2 预压法
 
预压法是拟提倡的降水方法。工程中通常通过堆载预压法进行降水,但在实验室制样中,此方法较难控制预压时间及加载力度,使其与目标含水率吻合。需要不断通过取样测量含水率,且通过8 h的烘干才能测量出含水率。期间污泥含水率已经发生了较大变化,无法及时捕捉一定预压时间的污泥含水率。笔者拟在预压法上作一定改进,预压降水装置如图1所示。
 
通过在加载钢板上堆加不同质量的砝码,在无阻力滚动轴承的作用下沿着有机玻璃壁将透水网袋内的污泥进行压实、挤密,压缩室与加载钢板间通过防水密封硅脂进行密封,压缩室的密封环境及透水网袋的不吸水性保证了在压缩过程中水分几乎不会流失,土中的自由水会经透水网袋的孔径渗出,随着砝码质量增加,渗出速率越快,渗出的水在15°斜坡承压底板的作用下会汇集到出水口,然后通过导管流入量筒中,量筒封闭结构保证了水分几乎不会在压载过程中蒸发,通过读取量筒示数可以实时测定污泥含水率的改变量。通过此法分别收集含水率为80%、100%、120%污泥,并用封口袋装好放置阴凉干燥处。
 
具体操作过程:① 称取一定质量的污泥m,并通过烘干法测得其初始含水率w0;② 将污泥装入不吸水透水网袋中,用强力封口夹密封,然后放置于压缩室中;③ 将加载不锈钢钢板连同滚动轴承安置在压缩室中,根据污泥质量和降水幅度施加一定质量的砝码;④ 压载一段时间后,读出量筒示数v。则实时含水率如式(1):
 
 
(1)
 
式中:ρ为水的密度;w1为实时含水率。
 
2 物理力学效应
 
2.1 试验材料
 
试验污泥取自湖北宜昌市某湖泊,污泥土为黑色、流塑状、泥质细腻、含较多有机质及动植物残体残叶,经pH计测量呈弱酸性。液塑限及粒度成分依据《公路土工试验规程》[13]测定,有机质含量采用重铬酸钾氧化法测定。基本物理性质如表1,可见污泥初始含水率较高(178%),以细小颗粒居多(81.3%)。固化材料采用葛洲坝水泥厂生产的三峡牌525普通硅酸盐水泥,各项性能指标均满足标准,其化学成分如表2。
 
表1 污泥基本物理性质指标
Tab.1 Physical properties of sediments
 
表2 普通硅酸盐水泥的化学成分
Tab.2 Chemical composition of the ordinary Portland cement %
 
2.2 试样制备及养护
 
试模为40 mm×40 mm×40 mm的立方体,四周及底座均用螺丝拧固。装样前在模具内壁均匀涂上润滑油,方便脱模。制样过程:① 加适量蒸馏水至烘干后的干土样中。将土样含水率分别配制成80%、100%、120%(预压法则可通过预压降水装置直接获取目标含水率土样);② 按湿质量比加入15%水泥;③ 用搅拌机将水泥与土样充分搅拌均匀;④ 拌合均匀的混合土在1 h内完成装样,依次装入1/2混合土。每装1/2试样均通过振动台振捣以消除其中气泡,随后用刮刀将试样刮平,放置恒温恒湿箱中养护3 d后拆模,养护温度为25 ℃,相对湿度为95%,如图2所示。
 
2.3 液塑限特征
 
土的液、塑限是划分土的类别及评价土的工程性质的重要指标,是评价粘性土不可缺少的重要试验项目。用数显液塑限测定仪分别测量烘干法土样和预压法土样的液限和塑限,试验过程参照《公路土工试验规程》[13],试验结果如图3。
 
 
图2 试样养护
 
Fig.2 Sample curing
 
 
 
图3 不同降水方法液塑限对比
 
Fig.3 Comparison of liquid and plastic limit of different precipitation methods
 
预压法所得土样的液限和塑限都有一定程度提高,且预压法所得土样的液塑限均高于烘干法所得土样的液塑限。烘干法塑性指数为26,预压法塑性指数为39,说明预压法所得污泥处于可塑状态的含水率范围较大,土中结合水的含量高。出现这样现象的原因有两个方面:一方面是由于预压法保留了污泥的不同粒度成分的颗粒,在电分子引力作用下能吸附较多强结合水;另一方面避免了烘干所产生的高热量对污泥中腐殖酸的破坏。
 
 
图4 无侧限抗压强度试验
Fig.4 Uniaxial compressive strength test
2.4 无侧限抗压强度特征
 
无侧限抗压强度试验如图4所示,养护龄期分别为7、14、28、60、120和180 d。试样养护至龄期后开始进行无侧限抗压强度试验,取3个试样的平均值作为该组试样的无侧限抗压强度值,无侧限抗压强度试验仪由控制器、电动升降台、智能数显测力计、数据采集端等组成,每0.05 s可记录一次轴向应力,并通过数据采集端传输到电脑,从而掌握固化土破坏过程规律及其峰值强度,电动升降台加载速率为1 mm/min。
 
2.4.1 试样破坏过程
 
试样破坏过程如图5所示。烘干法试样破坏形态如图5(a)所示,破坏前试样表面有很多小气孔,随着轴向应力逐渐增大,边缘中间部位开始出现交叉裂缝并逐渐向外扩展;预压法试样破坏形态如图5(b)所示,破坏前试样表面光滑平整。随着试样载荷的增大,试样的上缘面开始呈现放射状增大,继而产生细而短的密集裂缝,随着载荷的增大,边缘处的一些裂缝开始沿试样向下拓展,使表面裂缝贯通,产生“掉皮”现象。
 
 
 
(a) 烘干法
 
 
 
(b) 预压法
 
图5 试样破坏过程
Fig.5 Specimen failure process
 
2.4.2 应力—应变关系
 
为了进一步对比烘干法和预压法强度及压缩特性,绘制了100%含水率下污泥固化土的应力—应变曲线(图6)。
 
图6表明,烘干法下,应变在5%以前,轴向应力以一定的加速度增长,应变达到5%以后应力应变曲线近似为直线,直至达到6.1%的破坏应变,随后应力近似直线陡然下降,呈现应变硬化型,为脆性破坏。预压法下,应变为1.2%前,应力近似直线陡增,随后缓慢增长,直至达到3.7%的破坏应变,随后随着应变增大,应力缓慢下降。预压法的应力—应变曲线为典型的应变软化型曲线,试样破坏类型为塑形破坏。
 
2.4.3 无侧限抗压强度
 
固化污泥强度演化规律如图7所示,随着污泥初始含水率的增大,污泥各养护龄期的无侧限抗压强度均有所增强,烘干法污泥固化土在养护初期(28 d以内)强度增长较快,养护到14 d时强度为预压法约2倍,随后强度增长减缓,至120 d后趋于稳定,预压法污泥固化土7 d龄期强度增长缓慢,只有烘干法的25%左右,但随后强度增长较快,至28 d龄期增长约3倍。60 d以后强度增长缓慢,120 d强度达到最大,初始含水率越低强度增长越明显,随后强度锐减,在高含水率下强度衰减更显著,养护至180 d时强度几乎减至60 d龄期强度水平。由此可知,烘干法虽强度增长相对较慢但后期强度稳定。而预压法在初期强度增长较快,峰值强度也较高,但长期强度衰减显著。
 
 
图6 污泥固化土典型应力—应变曲线
 
Fig.6 Typical stress-strain curves of sludge solidified soil
 
 
 
图7 固化污泥强度演化规律
 
Fig.7 Strength evolution of solidified sludge
 
无侧限抗压强度变化规律的拟合函数如式(2):
 
p=a+bt-ct2,
 
(2)
 
式中:p为污泥固化土无侧限抗压强度,单位为kPa;t为养护龄期,单位为 d;a、b、c为拟合参数。由公式(2)拟合结果如表3。
 
表3 参数拟合结果
Tab.3 Results of parameter fitting
 
 
图8 固化土强度增长(衰减)规律
Fig.8 Strength increase(reduce) of solidified soil
根据不同含水率下无侧限抗压强度拟合曲线,归纳出固化土强度增长(衰减)规律,如图8所示。
 
从图8可以看出,固化土强度增长速率随养护龄期延长而线性递减。在胶结作用和腐殖酸侵蚀作用协同作用下,随着含水率的增大,污泥固化土增长速率降低,120 d龄期以前,固化土胶结作用大于腐殖酸侵蚀作用,当养护至120 d左右时,胶结作用和腐殖酸侵蚀作用达到动态平衡,随后腐殖酸侵蚀作用大于胶结作用。这说明污泥中腐殖酸的释放是一个长期而缓慢的过程。
 
3 结 语
 
①随着初始含水率的降低,烘干法和预压法试样的无侧限抗压强度均有所增加,说明在固化过程中降低初始含水率的必要性。
 
②预压法所得土样的液、塑限均高于烘干法所得土样的液、塑限。一方面是由于预压法保留了污泥的不同粒度成分的颗粒,在电分子引力作用下能吸附较多结合水,另一方面避免了高温作用下烘干对污泥中腐殖酸的破坏。
 
③有机质分解释放腐殖酸是一个缓慢而长期的过程,与污泥固化过程同步进行,污泥固化土将受到腐殖酸的持续侵蚀作用,从而导致污泥固化土的耐久性持续劣化。在固化剂胶结作用与腐殖酸的缓释—侵蚀作用的协同作用下,预压法初期强度增长缓慢,胶结作用大于侵蚀作用。养护至120天后强度逐渐降低,腐殖酸侵蚀作用大于胶凝材料胶结作用。
 
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(责任编辑 唐汉民 梁碧芬)
 
A sludge dehydration method and its physical mechanical effects
 
WU Jun1,2,3, MING Hua-jun1,2,3, TAN Yun-zhi2,3, WANG Hong-xing1,2,3, HUANG Long-bo1,2,3
 
(1.Hubei Key Laboratory of Construction Management in Hydropower Engineering, China Three Gorges University, Yichang 443002, China;2.Key Laboratory of Geological Hazards on Three Gorges Reservoir Area, Ministry of Education, China Three Gorges University, Yichang 443002, China;3.Institute of Problematic Soils Mechanics, China Three Gorges University, Yichang 4432002, China)
 
Abstract:Based on the study of traditional cement-improved sludge, preloading was used to reduce the initial water content of sludge, and sludge samples prepared indoor could be taken as nature soil. Various laboratory tests were carried out and compared with one another. The results show that liquid and plastic limits of the samples under the preloading method are higher than that of the samples under the drying method, which is due to the reservation of organic matter in the former one. Moreover, stress-strain curves indicate that the failure strain of the samples under the drying method is 6.1%, which belongs to brittle failure, while the failure strain of the samples under the preloading method was 3.7%, which can be regarded as plastic failure. The initial strength of the samples under the drying method increases rapidly while the long-term strength is stable. As for the preloading method, the initial strength of the samples grows slowly due to the synergy of cementation and release-erosion of organic matter, and the effect of cementation is larger than that of erosion. However, after curing for 120 days, the strength of the samples decreases gradually, and the effect of erosion on them is larger than that of cementation.
 
Key words:solidified sludge soil; humic acid; preloading method; uniaxial compressive strength
 
doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2017.0268
 
收稿日期:2016-11-12;
 
修订日期:2016-12-20
 
基金项目:国家自然科学基金资助项目(51579137);水电工程施工与管理湖北省重点实验室(三峡大学)开放课题项目(2014ksd14);三峡大学博士科研启动基金资助项目(KJ201413036);三峡大学研究生科研创新基金资助项目(2015CX035)
 
通信作者:明华军(1984—),男,湖北广水人,三峡大学讲师,博士;
引文格式:吴军,明华军,谈云志,等.污泥脱水方法及其物理力学效应[J].广西大学学报(自然科学版),2017,42(1):268-273.
中图分类号:TU411
 
文献标识码:A
 
文章编号:1001-7445(2017)01-0268-06


【作者机构】 水电工程施工与管理湖北省重点实验室三峡大学;三峡库区地质灾害教育部重点实验室三峡大学;特殊土土力学研究所三峡大学
【来    源】 《广西大学学报(自然科学版)》 2017年第1期P268-273页

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