1、固體廢物處理處置工程實驗表實驗名稱水泥固化體的強度測定實驗實驗人實驗目的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容設計：1. 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、穩定化處理的一種方法。水泥是一種無機膠結材料，加水產生水化反應，反應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的污泥，水泥同污泥中的水分發生反應產生凝膠化，把含有有害物質的污泥微粒分別包覆而逐漸硬化，這種固化體的結構主要是在水泥水化反應產生的3CaO·SiO2結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，常會遇到混合不均勻，過早或過遲凝固，產品的浸出率較高、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，可發現水泥固化在處理垃圾焚燒飛灰上有很多應用實例。而對于垃圾焚燒固化效果的好壞，眾多學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12，而對于固化體強度的系統研究仍然較少。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

3、的長期浸泡，其強度將會發生變化，目前，國內外學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. 實驗材料和設備2.1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/目孔徑尺寸/mm質量/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據由單片機根據使用要求進行數字化處理，可配套用于各種壓力機、試驗機的顯示控制部分，用途廣泛。 主要技術參數：額定工作電壓：AC380V±10%，50HZ 功耗：30W非線性重復性誤差：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型智能測力儀儀表保險絲：15A 3.實驗步驟稱取模擬廢渣40g （已粉碎至20目） 、黃砂70g（經過篩分，具體見表1）、水泥60g于攪拌鍋內，安裝好；人工攪拌1015s后，緩緩加入適量的水，180s±5s后停攪拌；迅速傾入置于臺上的模具內（高為 8 cm，直徑為 4 cm）進行制樣，振動12min，刮平，自然養護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，并放于標準養護箱（溫度 20±2 ，濕度 95%以上）中養

6、護。用濾紙拭去浸泡好的試樣周圍的殘余滲瀝液，試樣無側限抗壓強度采用土工試驗方法標準(GB/T50123-1999)3進行測定，軸向應變速率為每分鐘應變 3%，儀器采用YYW-1新標準石灰土無側限壓力儀3。實驗過程記錄：1. 固化塊強度測定情況表2 固化塊強度測定過程現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

7、強度測定之前固化塊已經被擊打出裂痕，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部情況濕潤程度較高濕潤程度較低從本次強度測定的結果來看，本組制作的固化塊的抗壓效果并不理想，主要體現在固化體表面下部和破碎后的固化塊內部存在一定濕潤度，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

8、的結果，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. 原因深層分析探究本次實驗固化體強度如此低的原因，應該是水泥與水的比例太低所導致的。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 176711999），要求水泥固化體在配置過程中膠砂的質量配合比應為一份水泥，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

9、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，所以導致了固化體形變后的內部仍然很濕潤，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研究J. 環境科學學報,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 南京水利科學研究院等. GB/T501231999 土工試驗方法標準S. 北京: 中國計劃出版社, 1999.4 南京水利科學研究院等. GB/T 176711999水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）S. 北京: 中國計劃出版社, 1999.實驗發現：1. 參考文獻資料從本次強度測試實驗的結果來看，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果。以下為從文獻中摘取的關于對

11、水泥固化體強度的相關研究：李江山5等人對垃圾焚燒飛灰的水泥固化體研究結果來看，不同水泥添加量、不同養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。具體結論如下：（1） 應力-應變特性變化固化體強度變化 在外界條件已經固定的條件下，固化體在施加的壓強作用下強度變化規律為：飛灰固化體達到極限強度后會很快出現脆性破壞；無側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持續應變硬化現象，而受垃圾滲瀝液浸泡的飛灰固化體在后期則呈現出應變軟化現象，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

12、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，導致部分固化體從模具中取做強度測定被擠碎時，內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 文獻中李江山等人分別對水

13、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，破壞應變減小。當水泥添加量為 20%時，浸泡后的試樣仍然呈現出持續應變硬化現象，無側限抗壓強度達到了 1.54 MPa。主要原因是大量水泥水化作用產物形成的凝膠體將飛灰顆粒團包裹，致密的結構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，所以導致了固化體形變后的內部仍然很濕潤，而抗壓能力很低。同時，固廢實驗24 h 后需要拆膜，并放于標準養護箱（溫度 20±2 ，濕度 95%以上）中養護，達到養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，而破壞應變則減小；隨著飛灰固化體

15、養護時間的增加，試驗結果有類似的變化規律；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，轉折點大約在 57 d，破壞應變持續增加。未受浸泡的飛灰水泥固化體的無側限抗壓強度增長隨時間變化符合 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度（3） 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變的影響圖7為不同水泥添加量飛灰固化體破壞應變隨浸泡時間變化規律。從圖中可以得到，未經滲瀝液浸泡試樣的破壞應變較小，而經浸泡后的試樣的的破壞應變均變大，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力-應變曲線圖

16、8曲線圖說明滲瀝液的侵蝕作用明顯大于蒸餾水，表現為飛灰固化體抗壓強度的減小和破壞應變的增加。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成分有關。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作用，通過破壞水泥飛灰水化反應過程及其水化產物而使固化體強度降低并解體。文獻結論：考慮飛灰固化體因破裂而帶來的環境風險，在對飛灰進行固化、穩定化處理時，應適當增加固化劑的添加量，并延長養護時間。對于用水泥處理飛灰時，水泥添加量不應小于10%，養護時間不應小于 3 d。在對飛灰固化體進行填埋處置時，應分區進行填埋，避免垃圾滲瀝液的侵蝕。2. 結論從實驗現象的記錄情況來看，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0.5。而本次實驗中混合后的水