實(shí)驗(yàn)4：固化強(qiáng)度測(cè)試

固體廢物處理處置工程實(shí)驗(yàn)表固體廢物處理處置工程實(shí)驗(yàn)表 實(shí)驗(yàn)名稱實(shí)驗(yàn)名稱水泥固化體的強(qiáng)度測(cè)定實(shí)驗(yàn)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)人 實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?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(qiáng)度測(cè)試方法 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì) 1 實(shí)驗(yàn)原理實(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) 1 2 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)備實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備 2 1 實(shí)驗(yàn)材料實(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 02 600 371 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(shí)驗(yàn)設(shè)備實(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 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(cè)力儀 儀表保險(xiǎn)絲 15A 3 實(shí)驗(yàn)步驟實(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 10 15s 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) 1 2min 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) 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 實(shí)驗(yàn)過程記錄 1 固化塊強(qiáng)度測(cè)定情況固化塊強(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 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(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 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(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 17671 1999 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) 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn) 1 參考文獻(xiàn)資料參考文獻(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)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)力 應(yīng)變特性變化應(yīng)變特性變化 固化體強(qiáng)度變化固化體強(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(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)度特性抗壓強(qiáng)度特性 固化體強(qiáng)壓強(qiáng)度方程模型固化體強(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)變則減小 隨著飛灰固化體養(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 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(qiáng)度增長(zhǎng)隨時(shí)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(qiáng)度 3 滲濾液對(duì)固化體強(qiáng)度影響滲濾液對(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 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 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