含水率的影响试验研究岩土凝固市政污泥的性质

文摘

水分含量是一个重要因素影响固化市政污泥的岩土性质(MMS)。在中国典型的市政污泥被选为调查初始含水率的影响(定义为 )岩土性质的MMS固化自主研发CERSM固化剂。此外,固化污泥样品的微观结构变化,在这项研究中探讨了扫描电镜和压汞porosimetry。机械试验结果表明,无侧限抗压强度、凝聚力和内摩擦角的MMS增加原始含水量减少,但相对渗透系数的改变。固化污泥样品的渗透系数之间的10⁻⁸和10⁻¹⁰cm / s。但drying-saturated过程后,渗透系数的MMS可以增加4倍,主要是由于相当数量的形成microconnected孔隙和微裂隙的干燥的过程。研究结果意义重大的安全处理和利用城市污水污泥在中国。

1。介绍

城市污水污泥的产量大幅上升,不断提高城市污水在中国生产。这个国家的城市污水污泥产量预计到2020年将超过6000万吨。大量的污泥会造成大量的环境问题(1- - - - - -3),因此,污泥股票应该立即考虑吸收通过各种处理方法。市政污泥通常与材料凝固,然后作为垃圾填埋场覆盖材料(4,5],路基填料[6),花园土壤(7),和制砖材料8)或填埋(9]。

一些学者进行了理论和实验研究污泥固化与不同的固化剂。杨et al。10]利用煤矸石、水泥、粘土、巩固城市污水污泥和纤维,他们发现,固化污泥可以作为垃圾填埋场覆盖材料强度高、抗裂性强,和低渗透系数特征。Vu et al。11)固化污泥与粉煤灰地质聚合物,发现固化污泥18小时后能达到的最大抗压强度。研究主要集中在污泥含水率高(12,13),然而,只有少数研究了不同初始水分含量的影响机制固化污泥的岩土性质。

研究表明,含水率是影响一系列工程性质的一个重要指标,如剪切强度(14,15),无侧限抗压强度(16,17),和渗透系数18,19固化污泥。Boutouil和Levacher12]研究了初始水分含量对固化疏浚泥的力学行为,并发现抗压强度之间有良好的线性关系,水/水泥比率的倒数。林等。20.)还发现,初始含水量的增加污水污泥固化污泥的抗压强度在很大程度上减少。Horpibulsuk et al。21]研究固化软土的压缩行为具有不同初始含水量,表明含水量较高的标本是稳定在较高的孔隙率和提供更高的压缩指数以外的转型压力。王等人。22]研究水泥固化污泥的收缩性能受初始含水率的影响。但总的来说,初始含水率的影响对固化污泥的渗透率是很少研究,特别是结合微观分析方法。大多数以前的研究已经解决的问题是否固化污泥符合垃圾填埋的要求。然而,很少有人考虑到固化污泥作为垃圾填埋场的防渗层物质,这将进一步探索研究。

在这项研究中,不同初始水分含量的污泥制备,然后由自主研发的水泥基固化CERSM固化剂。然后,抗剪强度、抗压强度、渗透系数,和其他工程CERSM-solidified污泥的特征参数与不同初始水分含量和drying-saturated (DS)条件进行直接剪切试验研究了(DST),无侧限压缩试验(节点),和渗透测试(PT)。的微貌固化污泥孔隙结构研究了扫描电子显微镜(SEM)和水星入侵porosimetry (MIP),和测试结果与工程性质的关系进行了分析。研究结果可以极大地支持修改和凝固的市政污水污泥和其在中国的利用率。

2。材料和方法

2.1。测试材料

武汉污水处理厂的污泥收集在湖北,中国。污泥的基本性质进行了测试后立即集合。初始含水率为82.98%,密度为1.14公斤/米³,pH值为7.07,有机质含量为38%,与鳕鱼是2868 mg / L。污泥中化学元素的组成与x射线荧光检测。结果如表所示1。

CERSM固化剂用于测试由先前的研究在优化污泥改性(23]。sulphoaluminate-based的固化剂由水泥、普通硅酸盐水泥、生石灰、石膏和锂盐,由相应的质量比为0.30:0.60:0.05:0.049:0.001。氧化钙占总重量的88.3%生石灰在测试使用,和盐酸溶解内容是不到1%。超过95%的生石灰颗粒可以通过200 -孔筛。硫代铝酸盐水泥的基本固化剂(SAC)标记为42.5,比表面积是430米²/公斤,初凝时间超过25分钟,最后设置时间不超过180分钟,1 h的pH值低于10.5,和自由膨胀倍数28 d(固化年龄)不到0.15%。42.5普通硅酸盐水泥是标签和武汉市的华新水泥厂生产的。CERSM固化剂的密度为1.83公斤/米³,布莱恩的比表面积是360米²/公斤。

2.2。测试方法和设备

2.2.1。准备和固化的固化污泥样品

由于来自不同污水处理厂污泥的含水率变化从50%到85%(在中国24),在这项研究中,污泥样品的目标85%,81%,77%,74%,71%,63%,和56%的人准备的,然后贴上样品1 - 7,就如表所示2。自主研发的强污泥脱水设备(图1)是用于彻底脱水污泥含水率为80%。进行了脱水过程如下。首先,污泥的含水率是调整到90%,以及部分自由水压力为0.8 MPa在喂养过程中脱水。水分含量是脱水的70 - 80%。然后,适当的压力是申请二次挤压脱水污泥在一定含水量(近55%)。最后,计算和适量的水加入目标水分调节的污泥。

获得了固化污泥通过添加CERSM固化剂按20%湿污泥的重量上述准备污泥(Aw定义为固化剂的添加比例,本研究和Aw = 20%)。CERSM材料重根据他们设计比例,然后放在搅拌机。然后,缓慢搅拌2分钟紧随其后的2分钟快速搅拌进行了产生均匀的混合物。混合物随后被放入一个无侧限压缩模(Φ50毫米×100毫米),剪切试验模具(Φ61.8毫米×20毫米)和渗透测试模具(Φ50毫米×50毫米)。填充过程分为三层,和填写最后一层高出1厘米模具(或环刀)。然后,模具充满了固化污泥被放在一个振动台振动2分钟,然后用刮刀刮上下。随后,模制样品用塑料薄膜包裹,放入养护箱20°C标准养护的相对湿度为95%。后固化污泥样本demolded标准养护的一天。最后,固化样本与电影密封,以避免水分的蒸发。

2.2.2。Drying-Saturated (DS)治疗

固化后28 d,固化样本DS处理,然后进行渗透系数测试。在干燥过程中,样本在烤箱干50°C 72 h,以确保完成干燥。然后,抽出的样本饱和方法通过使用叠加饱和器和真空抽水设备。真空筒连接到泵,泵是运营了近1小时。一次真空压力表读数是类似于当地大气压力值,水慢慢地注入到真空筒,使样品浸泡48小时,达到完全饱和。

2.2.3。渗透测试(PT)

固化样品与标准养护1岁7日和28 d和DS样本选择与去离子水的PT。渗透测试是根据ASTM D5084-03 [25)标准和通过使用PN3230M柔性壁渗透仪(Geoequip公司(美国)。工党之前,样品在真空饱和。在测试期间,围压是保留在100 kPa,低渗透压的样品是80 kPa,上面的渗透压是0 kPa,有效渗透压是80 kPa,室温控制在25°C。水管的规模的渗透仪每小时记录一次。样品的渗透系数在不同时期根据达西定律计算。采用渗透系数的相对稳定的价值的渗透系数样本。

2.2.4。无侧限压缩试验(节点)和直接剪切试验(DST)

治愈了固化污泥样品与不同的水分含量为7和28 d被选为DST和节点,根据标准ASTM D2166 [26]和ASTM D3080 [27分别)。用万能试验机的节点进行。加载率控制在2毫米/分钟。每组3个平行实验,采用平均值。平行样本的误差小于5%。

2.2.5。MIP和SEM测试

样品1、4、7(初始水分含量为85%,74%,56%),这代表了固化污泥治愈28 d drying-saturated过程之前,被选为MIP和SEM测试。MIP测试期间,凝固的身体被折下来,小心。小样本块测量约1厘米³从新鲜的部分是由真空冷冻干燥技术和治疗。MIP测试是由使用PoreMaster-33 (Quantachrome公司,美国)自动压汞。

在SEM测试中,固化体折断,很仔细,测量约1厘米的小测试块³被从1厘米的外表面样本。然后,切样品浸泡在乙醇在常温96 h。最后,样本块冷冻干燥和疏散12 h。SEM是广达250进行显微镜。

3所示。结果与讨论

3.1。抗剪强度、无侧限抗压强度分析

DST的固化污泥样品的结果与不同初始水分含量和养护7岁和28天图所示2。如图2(一个)的凝聚力固化污泥样品几乎随初始含水量的增加呈线性下降,但影响反向的固化。当固化年龄增加从7天到28天,固化污泥凝聚力的增加幅度范围从11到37 kPa。

如图2 (b),内摩擦角随初始含水量的减少。特别是,内摩擦角最初增加缓慢(水分含量:85 - 75%),然后迅速增加(水分含量:75 - 60%),最后慢慢地增加(含水率:小于60%)。固化污泥样品的内摩擦角随着年龄最小。

图3显示了饱和样本的无侧限抗压强度与标准养护7和28天。固化污泥样品的无侧限抗压强度增加而减少的初始含水率污泥。固化淤泥的强度增加最快的早期阶段。无侧限抗压强度的增加与标准养护28天的样品大约高出15%的样品7天治愈。DS样本的无侧限抗压强度与养护28天增加到一定程度。的主要原因可能是固化污泥的毛孔很大程度上缩小在干燥过程中,使结构密度强度增加。再饱和后,固化体的强度不会降低由于水固化剂的稳定性好。

3.2。渗透测试的结果

渗透系数的变化的固化污泥样品具有不同初始水分含量和养护年龄如图4。改性条件下1、7和28天,所有的渗透系数降低,固化污泥样品的初始水分含量减少。派生值,小于10⁻⁷厘米/秒之间,所有的大小10⁻⁸和10⁻¹⁰cm / s,能满足要求的渗透系数和中国的标准来管理垃圾填埋场的防渗层。渗透系数与治疗年龄的增加,减少和降低0.5个数量级。

如图5渗透系数的固化污泥样品与标准养护28 d时最低的初始含水率为63%。然后,渗透系数显著增加的28 d drying-saturated后固化过程。固化污泥的渗透系数与不同的初始内容在不同区段drying-saturated治疗增加后,和最大增加4个数量级。当污泥的初始含水率为74%,固化污泥样品的渗透系数在drying-saturated最小(2.46×10⁻⁸cm / s),和相应的增加率是最小的。这个结果与孔径的变化是相一致的图6。

3.3。微观结构分析,毛孔

微观结构是一个重要因素为岩土工程性质的变化。微分曲线的峰值的孔隙大小分布的定义是最可能的孔隙大小。这最有可能的孔隙大小定义的物理意义,即。,pores with sizes less than the most-probable pore size cannot easily generate connected pore channels. As shown in Figure6样品1的最可能的孔隙大小,4和7(固化污泥样品)治愈28天是6.30,1.46和0.05μm,分别。DS过程后,相应的最可能的孔隙大小更改为6.08,0.05和0.04μm。毛孔的固化污泥样本主要分布在0.01 - 200之间μm。促进随后的讨论中,孔隙的大小分为大毛孔(> 100μ米)、中孔(10.0 - -100.0μ米),小毛孔(1.0 - -10.0μ中孔(0.1 - -1.0米)μ米)、微孔隙(< 0.1μ米),所有的上限都包含在范围内。微分孔隙大小分布、累积孔体积和累积孔隙比例的固化样品与不同水分含量数据所示6- - - - - -8。

如数据所示7和8,凝固试样的初始含水量越高,固化污泥的总孔隙体积越大,这就是为什么渗透系数降低了与初始含水量的减少。随着初始含水率的减少,毛孔从小孔中孔和微孔隙。例如,固化污泥(示例1)的总孔隙度达到0.953 mL / g当初始含水率为85%。毛孔被主要集中为中小毛孔(1.0 - -10.0μ米),小的占80%,中间的16%。中孔的总孔隙度的4%,没有明显作用。当初始含水率为56%(7)样本,总孔隙度是0.66 mL / g,以及气孔主要是集中在小孔,中孔和微孔隙(1.0 - -10.0μ米),占大约80%的总孔隙度。干燥后,固化污泥样品的体积缩小,从而导致总孔隙度的减少。然后,毛孔朝着小孔隙的大小。

图9提出了固化污泥的变化量与不同干燥后水分含量。样品干燥后萎缩,体积收缩率增加最初然后减少水分含量减少。含水率为74%时,样品的体积收缩是最大的为39.29%。

3.4。SEM图像分析

固化污泥样品的微观结构与不同水分含量DS前后流程如图10。水化产品在固化污泥样本观察。DS治疗后,固化体的水化产品分布相对更多的人口。这一发现可以归因于造成的大量水化产品干燥的样品的体积收缩。此外,考虑到变化的初始水分含量不同的样本,内容,形式,和水化的产品样本的分布也不同。可以看到大量的毛孔在固化示例(图10 ()(图)和DS样本10 (b)),导致可怜的密度。样品1的初始水分含量最高(85%),和污泥固化体充满了大量的水。大量的毛孔在干燥后形成的。此外,船尾的内容,氢氧化钙,和其他水化产品图10 (b)高于图吗10 (),大量的污泥颗粒组成的固化体和反应产品更高。的差异可以解释为在干燥过程中体积收缩。此外,产品集中,随后形成额外的支架连接粒子和生成连接疏水毛孔。DS治疗后结果,样品有相对较高的优势,和渗透系数明显增加。上述研究结果是一致的结果固化污泥样品的扫描电镜和DS样本(样本4和7)。相比之下,那些样品1、样品4和7的毛孔变小是由于水分含量较低,因此,在干燥过程中产生微裂隙。DS处理后,样品的总孔隙度减少,但渗透系数增加。

3.5。讨论

城市污水污泥目前一个主要的问题在中国的城市化进程,及其处置不当可能会导致高水平的环境污染(28,29日]。农业应用、堆肥和焚烧不能广泛采用由于经济或技术上的原因,使得现有的城市污水污泥难以解决的问题(30.,31日]。岩土工程的应用,如路基填料、垃圾填埋场覆盖层,和道路基础开发,修改城市污水污泥提供了重要的方法来解决污泥处置问题在中国。在岩土工程中,应用程序的重点是解决固化的岩土特性从不同的来源和确定城市污水污泥含水率的影响固化污泥的岩土性质。因此,岩土工程技术可以大大有助于在中国固化污泥的处置。

本研究的测试分析结果表明,固化污泥的孔隙分布随不同的水分含量。高的污泥含水率有很多气孔。此外,产品之间的接触面积固化剂反应和污泥颗粒相对较小,摩擦阻力也小。水分含量下降,固化污泥样品的总孔隙度降低。然后,与颗粒之间的接触面积增加,摩擦阻力也增加。nondrying条件下,水化产品由水泥和其他材料固化剂的污泥样品的毛孔。结果,所有的渗透系数的固化污泥样品与不同水分含量与治疗年龄的增加减少。在最佳含水量,渗透系数固化污泥样品的最低。

固化污泥样品的体积收缩在干燥过程中,含水率与最大收缩74%。先前的研究[32]表明,水胶比大于0.5时,对自收缩与干燥收缩相比可以忽略不计。因此,固化污泥的干燥收缩主要是由孔隙结构之间的相互作用决定的,矩阵吸入,固化污泥样品的力学性能。孔隙结构决定了基质吸力和基质吸力和固化污泥样品的力学性能确定体积收缩。形成的固化污泥样品初始含水率高的固化污泥大量中小毛孔。在干燥过程中,基质吸力小,孔隙骨架结构的承载力可以有效地抵制矩阵吸入,从而抵抗变形。与初始含水率的降低,形成了固化污泥样品的孔隙结构变化,以及毛孔向中孔和微孔隙。在干燥过程中,中孔和微孔隙的水损失导致基质吸力的增加。这时,骨骼结构抵抗变形的能力减弱,和增加固化污泥样品的变形。当含水量减少某个值时,孔隙结构进一步变化,中孔和微孔隙的数量进一步增加,基质吸力失水过程中进一步增加,和抗压能力固化污泥样品的骨架结构大大增加。干燥收缩减少相对于高度抵抗变形的能力。

DS治疗后,最有可能的固化污泥样品的孔隙大小在一定程度上减少了,和总孔隙度减少。越大,固化污泥样品的体积收缩,减少总孔隙度越大,渗透系数越小。然而,渗透系数的固化污泥样品最终会增加数量级。这些发现意味着巨大的渗透率的变化造成的固化污泥样品主要是微裂隙产生的固化体在干燥和改变一些有机物的性质污泥在干燥,从而导致生产的高度连接疏水毛孔。干燥后,体积收缩形成额外的支架连接粒子,因此,结构变得致密。更重要的是,固化污泥样品的抗压缩能力大大增强,这是一个重要的因素在增加固化污泥样品的抗压强度。

为了阐明固化剂使用的更好的性能在这项研究中,渗透系数和凝聚力的固化污泥样本与杨等人的结果。10杨的固化剂用于研究et al。10)是由一个或多个材料包括普通硅酸盐水泥、煤矸石、粘土、和纤维,和市政污泥的初始含水率为68.75%,低于示例3(即。在这项研究中,71%的人)。湿污泥固化剂的添加比例的杨et al。10)是43.27%,43.47%,54.32%,和66.94%,远远大于在这项研究中(即比。,20%)。然而,如图(11日)显示,本研究样本3的渗透系数远低于在杨et al。10的凝聚力,固化污泥样品(样品3、4、5)明显比杨et al。10)(图11 (b))。这表明固化剂在这项研究的性能明显优于其它复合固化剂组成的水泥、粘土、煤矸石等。

4所示。结论

初始含水率的影响岩土性质的固化污泥进行调查。典型岩土试验和微观测试污泥进行处理来确定初始含水率之间的关系变化和凝固的液压和机械特征市政污泥drying-saturated前后治疗。主要结论如下:(1)无侧限抗压强度和固化污泥的凝聚力与含水率的增加线性下降。随着年龄的增加固化,水化反应逐渐完成,凝聚力和强度的样品与不同水分含量增加。(2)CERSM修改后,固化污泥的渗透系数均低于10⁻⁷cm / s。然而,在drying-saturated过程,固化污泥的渗透系数可以增加4倍,主要是由于相当数量的形成microconnected孔隙和微裂隙的干燥的过程。(3)水分含量可以显著影响的内部孔隙体积和孔隙分布固化污泥,初始含水量减少,毛孔从小孔中孔和微孔隙。因此,改变组织的工程性质影响固化污泥的应用环境。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

我司声明以上所提到收到资金将不会导致任何利益冲突有关出版的手稿。

确认

这项研究得到了国家杰出青年科学基金(51625903)、国家自然科学基金会的中国/香港研究资助局联合研究计划资助(51861165104),国家自然科学基金(51609241)、青年创新促进会CAS (2017376)。

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