實驗4：固化強度測試

固體廢物處理處置工程實驗表固體廢物處理處置工程實驗表 實驗名稱實驗名稱水泥固化體的強度測定實驗水泥固化體的強度測定實驗 實驗人實驗人 實驗?zāi)康膶嶒災(zāi)康?了解固化處理的基本原理 初步掌握用固化法處理有害廢物的研究方法 熟悉固化體的強度測試方法 實驗內(nèi)容設(shè)計 實驗內(nèi)容設(shè)計 1 實驗原理實驗原理 水泥固化是一種廢物固化處理方法 也是危險廢物無害化 穩(wěn)定化處理的一種 方法 水泥是一種無機膠結(jié)材料 加水產(chǎn)生水化反應(yīng) 反應(yīng)后形成堅硬的水泥塊 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)的浸出性 在水泥固化過程中 由于 廢物組成的特殊性 常會遇到混合不均勻 過早或過遲凝固 產(chǎn)品的浸出率較高 強度較低等問題 為了改善固化物性能 在固化過程中可適當加入一些添加劑 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 可發(fā)現(xiàn)水泥固化在處理垃圾焚燒飛灰上有很多應(yīng)用實例 而對于垃圾焚燒固 化效果的好壞 眾多學(xué)者將入場前飛灰固化體的浸出毒性作為飛灰處理效果評價的 標準 1 2 而對于固化體強度的系統(tǒng)研究仍然較少 事實上 固化體強度也是一重 要指標 當固化體因強度降低而解體破壞時 其環(huán)境風險增大 同時 飛灰固化體 進入填埋場后將受到垃圾滲瀝液的長期浸泡 其強度將會發(fā)生變化 目前 國內(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驗 通過對上次的水泥固化體強度測定 研究 水泥固化效果 以及影響水泥固化強度的主要因素 2 實驗材料和設(shè)備實驗材料和設(shè)備 2 1 實驗材料實驗材料 水泥固化塊來自 2014 年 4 月 25 日下午進行的水泥固化實驗 原材料為粉筆渣 篩 分后代替含重金屬飛灰等危險廢物 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 標準目 數(shù) 目 孔徑尺 寸 mm 質(zhì)量 g比重 粉筆200 9407 02 600 371 23 1000 15162 81 1200 12522 84 00 1400 10515 82 77 黃砂 1800 1888 41 47 12 28 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 實驗設(shè)備實驗設(shè)備 壓力測定儀名稱 RFP 03 型智能測力儀 作用 用于測定水泥固化塊強度 本系列智能測力儀能夠把測得的力值數(shù)據(jù)由單片機根據(jù)使用要求進行數(shù)字化處 理 可配套用于各種壓力機 試驗機的顯示控制部分 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 0 40 外形尺寸 360 140 220mm 開孔尺寸 350 130 220mm 打印紙尺寸 57 30mm 圖 2 RFP 03 型智能測力儀 儀表保險絲 15A 3 實驗步驟實驗步驟 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 10 15s 后 緩緩加入適量的水 180s 5s 后停攪拌 迅速傾入置于臺上的模具內(nèi) 高為 8 cm 直徑為 4 cm 進行制樣 振動 1 2min 刮平 自然養(yǎng)護 24h 采用試樣筒 分 3 層壓實成型 試樣干密度控制為 1 8 g cm3 24 h 后拆膜 并放于標準養(yǎng)護箱 溫度 20 2 濕度 95 以上 中養(yǎng) 護 用濾紙拭去浸泡好的試樣周圍的殘余滲瀝液 試樣無側(cè)限抗壓強度采用 土工 試驗方法標準 GB T50123 1999 3 進行測定 軸向應(yīng)變速率為每分鐘應(yīng)變 3 儀 器采用 YYW 1 新標準石灰土無側(cè)限壓力儀 3 實驗過程記錄 實驗過程記錄 1 固化塊強度測定情況固化塊強度測定情況 表 2 固化塊強度測定過程現(xiàn)象記錄表 水泥固化時間 2014 年 4 月 25 日 測定強度時間 2014 年 5 月 09 日 水泥添加量 10 53 養(yǎng)護時間 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 如果在強度測定之前固化塊已 經(jīng)被擊打出裂痕 會影響強度測定 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 固化塊表面整體較干燥 凝固效果較好 抗壓最大強度0 5kN 即 3 979KPa3 16kN 即 25 14KPa 有些甚至可 達 39 78kN 以上 輕度測定過程 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 濕潤程度較高濕潤程度較低 從本次強度測定的結(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)部存在一定濕潤度 且抗壓強度最大僅有 0 5kN 且受壓后形變很快 說明固化效果不會 反觀其他組的結(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 最大抗壓抗壓強度普遍大于 2kN 有些達到 3 16kN 個別甚至達到 5kN 以上 而且受壓后的形變程度仍然較小 說明固化塊強度大 固化效果好 具體見圖 3 圖 3 本組固化體強度測試情況 2 原因深層分析原因深層分析 探究本次實驗固化體強度如此低的原因 應(yīng)該是水泥與水的比例太低所導(dǎo)致的 按照國標法測定水泥固化體強度 查閱 水泥膠砂強度檢驗方法 ISO 法 GB T 17671 1999 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 三份標準砂 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 中看到本次固化實驗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 遠遠小于 0 5 所以導(dǎo)致了固化體形變后 的內(nèi)部仍然很濕潤 而抗壓能力很低 由此推斷本次固化實驗的效果不理想 1 蔣建國 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 2006 02 230 235 2 GALIANO YL PEREIRA CF VALE J Stabilization solidification of a municipal solid waste incineration residue using fly ash based geopolymers J Journal of Hazardous Materials 2011 185 1 373 381 3 南京水利科學(xué)研究院等 GB T50123 1999 土工試驗方法標準 S 北京 中國計 劃出版社 1999 4 南京水利科學(xué)研究院等 GB T 17671 1999 水泥膠砂強度檢驗方法 ISO 法 S 北京 中國計劃出版社 1999 實驗發(fā)現(xiàn) 實驗發(fā)現(xiàn) 1 參考文獻資料參考文獻資料 從本次強度測試實驗的結(jié)果來看 本小組制得的水泥固化體強度遠低于同期實 驗的其他組結(jié)果 以下為從文獻中摘取的關(guān)于對水泥固化體強度的相關(guān)研究 李江山 5 等人對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)護時間和不同的滲瀝液浸泡時間對固化體的強度都會有影響 具體結(jié)論如下 1 應(yīng)力應(yīng)力 應(yīng)變特性變化應(yīng)變特性變化 固化體強度變化固化體強度變化 在外界條件已經(jīng)固定的條件下 固化體在施加的壓強作用 下強度變化規(guī)律為 飛灰固化體達到極限強度后會很快出現(xiàn)脆性破壞 無側(cè)限抗 壓強度先增大后減小 未受垃圾滲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 且隨浸泡時間 的增加而更加明顯 見圖 4 圖 5 不同浸泡時間的抗壓強度 由上圖可知 浸泡時為 5d 達到最大抗壓強度是最高的 可達到 0 8MPa 其 次是浸泡 1d 最高可達 0 6MPa 浸泡 10d 最高可達 0 55MPa 浸泡 20d 最 高達 0 3MPa 與本次我們的實驗結(jié)果對比 浸泡時間為 14d 固化塊所能承受最大負荷僅 為 3 979KPa 其他組中較堅固的固化塊所承受的最大負荷也只有 25 14KPa 有 些最高達 39 78kN 以上 仍然比文獻中浸泡時間為 20d 中的最高抗壓 0 3MPa 推測造成該結(jié)果的原因除開浸泡時間過長外 還有其他兩個原因 一是水泥投簡 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干一段時間 導(dǎo)致部 分固化體從模具中取做強度測定被擠碎時 內(nèi)部甚至是底部碎塊仍比較濕潤 水泥添加量對固化體強度影響水泥添加量對固化體強度影響 文獻中李江山等人分別對水泥添加量分別為 0 5 8 10 和 20 的固化體強度進行測定 其中 0 5 添加量的試樣 在浸泡過程中已破壞 8 10 和 20 的固化體強度見圖 5 圖 5 不同水泥添加量的影響 在實際工程中 應(yīng)避免水泥添加量過少對飛灰固化體強度的影響 建議其添 加量應(yīng)不小于 10 從圖中可以得到 水泥添加量對飛灰固化體的強度影響較 大 隨著水泥添加量的增加 飛灰固化體的抗壓強度增加 破壞應(yīng)變減小 當水 泥添加量為 20 時 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 強度達到了 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 要達到理想效果的固化塊強度 水灰比至少要達到 0 5 而本次 實驗中混合后的水泥 砂 水 6 11 40 其中水灰比為 3 20 遠遠小于 0 5 所以 導(dǎo)致了固化體形變后的內(nèi)部仍然很濕潤 而抗壓能力很低 同時 固廢實驗 24 h 后需要拆膜 并放于標準養(yǎng)護箱 溫度 20 2 濕度 95 以上 中養(yǎng)護 達 到養(yǎng)護齡期的試樣放于垃圾滲瀝液中進行浸泡 而本次實驗沒有在固化 24h 后及 時拆封 造成固化效果不理想 2 抗壓強度特性抗壓強度特性 固化體強壓強度方程模型固化體強壓強度方程模型 隨著水泥添加量的增加 飛灰固化體的抗壓強度逐漸 增加 而破壞應(yīng)變則減小 隨著飛灰固化體養(yǎng)護時間的增加 試驗結(jié)果有類似的 變化規(guī)律 隨著垃圾滲瀝液浸泡時間的增加 飛灰固化體的抗壓強度先增大后減 小 轉(zhuǎn)折點大約在 5 7 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)限抗壓強度增長隨時間變化符合 y a 1 exp bt 模式 見圖 6 圖 6 無浸泡作用下廢話固化體抗壓強度 3 滲濾液對固化體強度影響滲濾液對固化體強度影響 圖 7 滲瀝液浸泡時間對飛灰固化體破壞應(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 且隨浸泡時間的延長近似呈線性增加 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 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 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 蒸餾水的浸泡對飛灰固 化體的強度有較小的影響 強度從 1 21 MPa 到 1 01 MPa 因此 滲瀝液對飛灰固 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)物而使固化體強度降低并解體 文獻結(jié)論 文獻結(jié)論 考慮飛灰固化體因破裂而帶來的環(huán)境風險 在對飛灰進行固化 穩(wěn) 定化處理時 應(yīng)適當增加固化劑的添加量 并延長養(yǎng)護時間 對于用水泥處理飛灰 時 水泥添加量不應(yīng)小于 10 養(yǎng)護時間不應(yīng)小于 3 d 在對飛灰固化體進行填埋處 置時 應(yīng)分區(qū)進行填埋 避免垃圾滲瀝液的侵蝕 2 結(jié)論結(jié)論 從實驗現(xiàn)象的記錄情況來看 本次實驗對放置了 14d 的水泥固化體進行強度測 試時 測定最大承受壓強僅為固化塊所能承受最大負荷僅為 3 979KPa 遠遠低于文 獻值浸泡時間為 20d 中的最高抗壓 0 3MPa 推測造成該結(jié)果的原因主要有如下幾個 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 要達到理想效果的固化塊強度 水灰比至少要達到