實(shí)驗(yàn)4：固化強(qiáng)度測(cè)試

1、固體廢物處理處置工程實(shí)驗(yàn)表實(shí)驗(yàn)名稱水泥固化體的強(qiáng)度測(cè)定實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)人實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私夤袒幚淼幕驹沓醪秸莆沼霉袒ㄌ幚碛泻U物的研究方法熟悉固化體的強(qiáng)度測(cè)試方法實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)：1. 實(shí)驗(yàn)原理水泥固化是一種廢物固化處理方法，也是危險(xiǎn)廢物無害化、穩(wěn)定化處理的一種方法。水泥是一種無機(jī)膠結(jié)材料，加水產(chǎn)生水化反應(yīng)，反應(yīng)后形成堅(jiān)硬的水泥塊。水泥固化法常用于固化含有有害物質(zhì)的污泥，水泥同污泥中的水分發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生凝膠化，把含有有害物質(zhì)的污泥微粒分別包覆而逐漸硬化，這種固化體的結(jié)構(gòu)主要是在水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的3CaO·SiO2結(jié)晶體之間包進(jìn)了污泥的微粒，因此，即使固化體破裂或粉碎并浸入水中，也可減少有害物質(zhì)的

2、浸出性。在水泥固化過程中，由于廢物組成的特殊性，常會(huì)遇到混合不均勻，過早或過遲凝固，產(chǎn)品的浸出率較高、強(qiáng)度較低等問題。為了改善固化物性能，在固化過程中可適當(dāng)加入一些添加劑，如沸石、粘土、緩凝劑或速凝劑、硬脂酸丁酯等。水泥固化法對(duì)含高毒重金屬廢物以及垃圾焚燒的飛灰處理處理特別有效。查閱文獻(xiàn)，可發(fā)現(xiàn)水泥固化在處理垃圾焚燒飛灰上有很多應(yīng)用實(shí)例。而對(duì)于垃圾焚燒固化效果的好壞，眾多學(xué)者將入場(chǎng)前飛灰固化體的浸出毒性作為飛灰處理效果評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)12，而對(duì)于固化體強(qiáng)度的系統(tǒng)研究仍然較少。事實(shí)上，固化體強(qiáng)度也是一重要指標(biāo)，當(dāng)固化體因強(qiáng)度降低而解體破壞時(shí)，其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)增大。同時(shí)，飛灰固化體進(jìn)入填埋場(chǎng)后將受到垃圾滲瀝液

3、的長(zhǎng)期浸泡，其強(qiáng)度將會(huì)發(fā)生變化，目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這方面的研究還是空白。所以本次緊跟上次的水泥固化實(shí)驗(yàn)，通過對(duì)上次的水泥固化體強(qiáng)度測(cè)定，研究水泥固化效果，以及影響水泥固化強(qiáng)度的主要因素。2. 實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備2.1實(shí)驗(yàn)材料水泥固化塊來自2014年4月25日下午進(jìn)行的水泥固化實(shí)驗(yàn)，原材料為粉筆渣（篩分后代替含重金屬飛灰等危險(xiǎn)廢物）40g，水泥60g、黃砂70g（篩分后）和水400g。具體原料組成見下表：表1 水泥固化各原料投配表組分標(biāo)準(zhǔn)目數(shù)/目孔徑尺寸/mm質(zhì)量/g比重/%粉筆200.9407.02黃砂600.371.2312.281000.15162.811200.12522.84.001400

4、.10515.82.771800.1888.41.47水泥-6010.53水-40070.18總質(zhì)量570 制作好的水泥固化體高大約6cm，直徑大約為4cm的圓柱體，見圖1. 圖1 放置14d后的水泥固化體圖2.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備壓力測(cè)定儀名稱：RFP-03型智能測(cè)力儀作用：用于測(cè)定水泥固化塊強(qiáng)度本系列智能測(cè)力儀能夠把測(cè)得的力值數(shù)據(jù)由單片機(jī)根據(jù)使用要求進(jìn)行數(shù)字化處理，可配套用于各種壓力機(jī)、試驗(yàn)機(jī)的顯示控制部分，用途廣泛。 主要技術(shù)參數(shù)：額定工作電壓：AC380V±10%，50HZ 功耗：30W非線性重復(fù)性誤差：1% 工作溫度：040外形尺寸：360×140×220mm（開

5、孔尺寸350×130×220mm）打印紙尺寸：57×30mm 圖2 RFP-03型智能測(cè)力儀儀表保險(xiǎn)絲：15A 3.實(shí)驗(yàn)步驟稱取模擬廢渣40g （已粉碎至20目） 、黃砂70g（經(jīng)過篩分，具體見表1）、水泥60g于攪拌鍋內(nèi)，安裝好；人工攪拌1015s后，緩緩加入適量的水，180s±5s后停攪拌；迅速傾入置于臺(tái)上的模具內(nèi)（高為 8 cm，直徑為 4 cm）進(jìn)行制樣，振動(dòng)12min，刮平，自然養(yǎng)護(hù)24h，采用試樣筒，分 3 層壓實(shí)成型，試樣干密度控制為 1.8 g/cm3，24 h 后拆膜，并放于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱（溫度 20±2 ，濕度 95%以上）中養(yǎng)

6、護(hù)。用濾紙拭去浸泡好的試樣周圍的殘余滲瀝液，試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度采用土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T50123-1999)3進(jìn)行測(cè)定，軸向應(yīng)變速率為每分鐘應(yīng)變 3%，儀器采用YYW-1新標(biāo)準(zhǔn)石灰土無側(cè)限壓力儀3。實(shí)驗(yàn)過程記錄：1. 固化塊強(qiáng)度測(cè)定情況表2 固化塊強(qiáng)度測(cè)定過程現(xiàn)象記錄表水泥固化時(shí)間：2014年4月25日 測(cè)定強(qiáng)度時(shí)間：2014年5月09日水泥添加量：10.53% 養(yǎng)護(hù)時(shí)間： 14d固化塊截面直徑D=4cm，表面積A=0.1257m2步驟本組情況別組情況脫模，將水泥固化塊輕輕從塑料模具中敲出脫模過程基本沒有差別，要注意的是將固化塊從模具中敲出過程中需避免敲打的木板與固化塊的直接接觸，如果在

7、強(qiáng)度測(cè)定之前固化塊已經(jīng)被擊打出裂痕，會(huì)影響強(qiáng)度測(cè)定固化塊表面觀察固化塊表面上部較為干燥，下部仍有些濕潤(rùn)固化塊表面整體較干燥，凝固效果較好抗壓最大強(qiáng)度0.5kN，即3.979KPa3.16kN，即25.14KPa，有些甚至可達(dá)39.78kN以上輕度測(cè)定過程中的形變固化塊在壓力儀作用下很快形變，且形變程度較大形變過程較慢，在抗壓達(dá)最大后開始形變，形變程度較小破碎后的固化塊內(nèi)部情況濕潤(rùn)程度較高濕潤(rùn)程度較低從本次強(qiáng)度測(cè)定的結(jié)果來看，本組制作的固化塊的抗壓效果并不理想，主要體現(xiàn)在固化體表面下部和破碎后的固化塊內(nèi)部存在一定濕潤(rùn)度，且抗壓強(qiáng)度最大僅有0.5kN，且受壓后形變很快，說明固化效果不會(huì)。反觀其他組

8、的結(jié)果，不乏效果比較理想的，比如表格中的其他組情況是比較理想的結(jié)果。最大抗壓抗壓強(qiáng)度普遍大于2kN，有些達(dá)到3.16kN，個(gè)別甚至達(dá)到5kN以上，而且受壓后的形變程度仍然較小，說明固化塊強(qiáng)度大，固化效果好。具體見圖3。 圖3 本組固化體強(qiáng)度測(cè)試情況2. 原因深層分析探究本次實(shí)驗(yàn)固化體強(qiáng)度如此低的原因，應(yīng)該是水泥與水的比例太低所導(dǎo)致的。按照國(guó)標(biāo)法測(cè)定水泥固化體強(qiáng)度，查閱水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）（GB/T 176711999），要求水泥固化體在配置過程中膠砂的質(zhì)量配合比應(yīng)為一份水泥，三份標(biāo)準(zhǔn)砂，和半份水（見5.3)（水灰比為0.5），即水泥：砂：水=1:3:0.5。而從表1中看到

9、本次固化實(shí)驗(yàn)的原料分別為原材料為粉筆渣（篩分后代替含重金屬飛灰等危險(xiǎn)廢物）40g，水泥60g、黃砂70g（篩分后）和水400g，混合后的水泥：砂：水=6:11:40，其中水灰比為3:20，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.5，所以導(dǎo)致了固化體形變后的內(nèi)部仍然很濕潤(rùn)，而抗壓能力很低，由此推斷本次固化實(shí)驗(yàn)的效果不理想。1蔣建國(guó),趙振振,王軍,張妍,杜雪娟. 焚燒飛灰水泥固化技術(shù)研究J. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2006,02:230-235.2 GALIANO YL, PEREIRA CF, VALE J. Stabilization/solidification of a municipal solid waste incin

10、eration residue using fly ash-based geopolymersJ. Journal of Hazardous Materials, 2011, 185(1): 373381.）3 南京水利科學(xué)研究院等. GB/T501231999 土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)S. 北京: 中國(guó)計(jì)劃出版社, 1999.4 南京水利科學(xué)研究院等. GB/T 176711999水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）S. 北京: 中國(guó)計(jì)劃出版社, 1999.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：1. 參考文獻(xiàn)資料從本次強(qiáng)度測(cè)試實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來看，本小組制得的水泥固化體強(qiáng)度遠(yuǎn)低于同期實(shí)驗(yàn)的其他組結(jié)果。以下為從文獻(xiàn)中摘取的關(guān)于對(duì)

11、水泥固化體強(qiáng)度的相關(guān)研究：李江山5等人對(duì)垃圾焚燒飛灰的水泥固化體研究結(jié)果來看，不同水泥添加量、不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間和不同的滲瀝液浸泡時(shí)間對(duì)固化體的強(qiáng)度都會(huì)有影響。具體結(jié)論如下：（1） 應(yīng)力-應(yīng)變特性變化固化體強(qiáng)度變化 在外界條件已經(jīng)固定的條件下，固化體在施加的壓強(qiáng)作用下強(qiáng)度變化規(guī)律為：飛灰固化體達(dá)到極限強(qiáng)度后會(huì)很快出現(xiàn)脆性破壞；無側(cè)限抗壓強(qiáng)度先增大后減?。晃词芾鴿B瀝液浸泡的飛灰固化體呈現(xiàn)持續(xù)應(yīng)變硬化現(xiàn)象，而受垃圾滲瀝液浸泡的飛灰固化體在后期則呈現(xiàn)出應(yīng)變軟化現(xiàn)象，且隨浸泡時(shí)間的增加而更加明顯，見圖4。圖5 不同浸泡時(shí)間的抗壓強(qiáng)度由上圖可知，浸泡時(shí)為5d達(dá)到最大抗壓強(qiáng)度是最高的，可達(dá)到0.8MPa，其次

12、是浸泡1d（最高可達(dá)0.6MPa）、浸泡10d（最高可達(dá)0.55MPa）、浸泡20d（最高達(dá)0.3MPa）與本次我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，浸泡時(shí)間為14d，固化塊所能承受最大負(fù)荷僅為3.979KPa；其他組中較堅(jiān)固的固化塊所承受的最大負(fù)荷也只有25.14KPa，有些最高達(dá)39.78kN以上。仍然比文獻(xiàn)中浸泡時(shí)間為20d中的最高抗壓0.3MPa，推測(cè)造成該結(jié)果的原因除開浸泡時(shí)間過長(zhǎng)外，還有其他兩個(gè)原因：一是水泥投簡(jiǎn)歷過低，二是固化體制備后一直裝在塑料模具中沒有取出風(fēng)干一段時(shí)間，導(dǎo)致部分固化體從模具中取做強(qiáng)度測(cè)定被擠碎時(shí)，內(nèi)部甚至是底部碎塊仍比較濕潤(rùn)。水泥添加量對(duì)固化體強(qiáng)度影響 文獻(xiàn)中李江山等人分別對(duì)水

13、泥添加量分別為0%，5%，8%，10%和20%的固化體強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定，其中0%、5%添加量的試樣在浸泡過程中已破壞，8%，10%和20%的固化體強(qiáng)度見圖5.圖5 不同水泥添加量的影響在實(shí)際工程中，應(yīng)避免水泥添加量過少對(duì)飛灰固化體強(qiáng)度的影響，建議其添加量應(yīng)不小于 10%。從圖中可以得到，水泥添加量對(duì)飛灰固化體的強(qiáng)度影響較大，隨著水泥添加量的增加，飛灰固化體的抗壓強(qiáng)度增加，破壞應(yīng)變減小。當(dāng)水泥添加量為 20%時(shí)，浸泡后的試樣仍然呈現(xiàn)出持續(xù)應(yīng)變硬化現(xiàn)象，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到了 1.54 MPa。主要原因是大量水泥水化作用產(chǎn)物形成的凝膠體將飛灰顆粒團(tuán)包裹，致密的結(jié)構(gòu)阻礙了滲瀝液的浸入。從表1中固化體各組分

14、含量來看，水泥添加量為10.53%，總體上比較合適。但正常情況下，要達(dá)到理想效果的固化塊強(qiáng)度，水灰比至少要達(dá)到0.5。而本次實(shí)驗(yàn)中混合后的水泥：砂：水=6:11:40，其中水灰比為3:20，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.5，所以導(dǎo)致了固化體形變后的內(nèi)部仍然很濕潤(rùn)，而抗壓能力很低。同時(shí)，固廢實(shí)驗(yàn)24 h 后需要拆膜，并放于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱（溫度 20±2 ，濕度 95%以上）中養(yǎng)護(hù)，達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期的試樣放于垃圾滲瀝液中進(jìn)行浸泡。而本次實(shí)驗(yàn)沒有在固化24h后及時(shí)拆封，造成固化效果不理想。（2） 抗壓強(qiáng)度特性固化體強(qiáng)壓強(qiáng)度方程模型 隨著水泥添加量的增加，飛灰固化體的抗壓強(qiáng)度逐漸增加，而破壞應(yīng)變則減??；隨著飛灰固化體

15、養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，試驗(yàn)結(jié)果有類似的變化規(guī)律；隨著垃圾滲瀝液浸泡時(shí)間的增加，飛灰固化體的抗壓強(qiáng)度先增大后減小，轉(zhuǎn)折點(diǎn)大約在 57 d，破壞應(yīng)變持續(xù)增加。未受浸泡的飛灰水泥固化體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)隨時(shí)間變化符合 y=a1-exp(-bt)模式，見圖6。圖6 無浸泡作用下廢話固化體抗壓強(qiáng)度（3） 滲濾液對(duì)固化體強(qiáng)度影響圖7滲瀝液浸泡時(shí)間對(duì)飛灰固化體破壞應(yīng)變的影響圖7為不同水泥添加量飛灰固化體破壞應(yīng)變隨浸泡時(shí)間變化規(guī)律。從圖中可以得到，未經(jīng)滲瀝液浸泡試樣的破壞應(yīng)變較小，而經(jīng)浸泡后的試樣的的破壞應(yīng)變均變大，且隨浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)近似呈線性增加。圖 8 滲瀝液和蒸餾水浸泡作用下的飛灰水泥固化體應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖

16、8曲線圖說明滲瀝液的侵蝕作用明顯大于蒸餾水，表現(xiàn)為飛灰固化體抗壓強(qiáng)度的減小和破壞應(yīng)變的增加。與未浸泡的飛灰固化體相比，蒸餾水的浸泡對(duì)飛灰固化體的強(qiáng)度有較小的影響，強(qiáng)度從 1.21 MPa 到 1.01 MPa。因此，滲瀝液對(duì)飛灰固化體的侵蝕作用與其化學(xué)成分有關(guān)。垃圾滲瀝液對(duì)飛灰水泥固化體的侵蝕作用主要是由于其成分的化學(xué)作用，通過破壞水泥飛灰水化反應(yīng)過程及其水化產(chǎn)物而使固化體強(qiáng)度降低并解體。文獻(xiàn)結(jié)論：考慮飛灰固化體因破裂而帶來的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，在對(duì)飛灰進(jìn)行固化、穩(wěn)定化處理時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加固化劑的添加量，并延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間。對(duì)于用水泥處理飛灰時(shí)，水泥添加量不應(yīng)小于10%，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不應(yīng)小于 3 d。在對(duì)飛灰固化體進(jìn)行填埋處置時(shí)，應(yīng)分區(qū)進(jìn)行填埋，避免垃圾滲瀝液的侵蝕。2. 結(jié)論從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的記錄情況來看，本次實(shí)驗(yàn)對(duì)放置了14d的水泥固化體進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試時(shí)，測(cè)定最大承受壓強(qiáng)僅為固化塊所能承受最大負(fù)荷僅為3.979KPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于文獻(xiàn)值浸泡時(shí)間為20d中的最高抗壓0.3MPa。推測(cè)造成該結(jié)果的原因主要有如下幾個(gè)：一 水泥投配比過低 水泥添加量為10.53%，總體上比較合適。但正常情況下，要達(dá)到理想效果的固化塊強(qiáng)度，水灰比至少要達(dá)到0.5。而本次實(shí)驗(yàn)中混合后的水