实验4：固化强度测试

固体废物处理处置工程实验表固体废物处理处置工程实验表 实验名称实验名称水泥固化体的强度测定实验水泥固化体的强度测定实验 实验人实验人 实验目的实验目的 了解固化处理的基本原理 初步掌握用固化法处理有害废物的研究方法 熟悉固化体的强度测试方法 实验内容设计 实验内容设计 1 实验原理实验原理 水泥固化是一种废物固化处理方法 也是危险废物无害化 稳定化处理的一种 方法 水泥是一种无机胶结材料 加水产生水化反应 反应后形成坚硬的水泥块 水泥固化法常用于固化含有有害物质的污泥 水泥同污泥中的水分发生反应产生凝 胶化 把含有有害物质的污泥微粒分别包覆而逐渐硬化 这种固化体的结构主要是 在水泥水化反应产生的 3CaO SiO2结晶体之间包进了污泥的微粒 因此 即使固化 体破裂或粉碎并浸入水中 也可减少有害物质的浸出性 在水泥固化过程中 由于 废物组成的特殊性 常会遇到混合不均匀 过早或过迟凝固 产品的浸出率较高 强度较低等问题 为了改善固化物性能 在固化过程中可适当加入一些添加剂 如 沸石 粘土 缓凝剂或速凝剂 硬脂酸丁酯等 水泥固化法对含高毒重金属废物以及垃圾焚烧的飞灰处理处理特别有效 查阅 文献 可发现水泥固化在处理垃圾焚烧飞灰上有很多应用实例 而对于垃圾焚烧固 化效果的好坏 众多学者将入场前飞灰固化体的浸出毒性作为飞灰处理效果评价的 标准 1 2 而对于固化体强度的系统研究仍然较少 事实上 固化体强度也是一重 要指标 当固化体因强度降低而解体破坏时 其环境风险增大 同时 飞灰固化体 进入填埋场后将受到垃圾渗沥液的长期浸泡 其强度将会发生变化 目前 国内外 学者在这方面的研究还是空白 所以本次紧跟上次的水泥固化实验 通过对上次的水泥固化体强度测定 研究 水泥固化效果 以及影响水泥固化强度的主要因素 2 实验材料和设备实验材料和设备 2 1 实验材料实验材料 水泥固化块来自 2014 年 4 月 25 日下午进行的水泥固化实验 原材料为粉笔渣 筛 分后代替含重金属飞灰等危险废物 40g 水泥 60g 黄砂 70g 筛分后 和水 400g 具体原料组成见下表 表 1 水泥固化各原料投配表 组分 标准目 数 目 孔径尺 寸 mm 质量 g比重 粉笔200 9407 02 600 371 23 1000 15162 81 1200 12522 84 00 1400 10515 82 77 黄砂 1800 1888 41 47 12 28 水泥 6010 53 水 40070 18 总质量570 制作好的水泥固化体高大约 6cm 直径大约为 4cm 的圆柱体 见图 1 图 1 放置 14d 后的水泥固化体图 2 2 实验设备实验设备 压力测定仪名称 RFP 03 型智能测力仪 作用 用于测定水泥固化块强度 本系列智能测力仪能够把测得的力值数据由单片机根据使用要求进行数字化处 理 可配套用于各种压力机 试验机的显示控制部分 用途广泛 主要技术参数 额定工作电压 AC380V 10 50HZ 功耗 30W 非线性重复性误差 1 工作温度 0 40 外形尺寸 360 140 220mm 开孔尺寸 350 130 220mm 打印纸尺寸 57 30mm 图 2 RFP 03 型智能测力仪 仪表保险丝 15A 3 实验步骤实验步骤 称取模拟废渣 40g 已粉碎至 20 目 黄砂 70g 经过筛分 具体见表 1 水泥 60g 于搅拌锅内 安装好 人工搅拌 10 15s 后 缓缓加入适量的水 180s 5s 后停搅拌 迅速倾入置于台上的模具内 高为 8 cm 直径为 4 cm 进行制样 振动 1 2min 刮平 自然养护 24h 采用试样筒 分 3 层压实成型 试样干密度控制为 1 8 g cm3 24 h 后拆膜 并放于标准养护箱 温度 20 2 湿度 95 以上 中养 护 用滤纸拭去浸泡好的试样周围的残余渗沥液 试样无侧限抗压强度采用 土工 试验方法标准 GB T50123 1999 3 进行测定 轴向应变速率为每分钟应变 3 仪 器采用 YYW 1 新标准石灰土无侧限压力仪 3 实验过程记录 实验过程记录 1 固化块强度测定情况固化块强度测定情况 表 2 固化块强度测定过程现象记录表 水泥固化时间 2014 年 4 月 25 日 测定强度时间 2014 年 5 月 09 日 水泥添加量 10 53 养护时间 14d 固化块截面直径 D 4cm 表面积 A 0 1257m2 步骤本组情况别组情况 脱模 将水泥 固化块轻轻从 塑料模具中敲 出 脱模过程基本没有差别 要注意的是将固化块 从模具中敲出过程中需避免敲打的木板与固化 块的直接接触 如果在强度测定之前固化块已 经被击打出裂痕 会影响强度测定 固化块表面观 察 固化块表面上部较为 干燥 下部仍有些湿 润 固化块表面整体较干燥 凝固效果较好 抗压最大强度0 5kN 即 3 979KPa3 16kN 即 25 14KPa 有些甚至可 达 39 78kN 以上 轻度测定过程 中的形变 固化块在压力仪作用 下很快形变 且形变 程度较大 形变过程较慢 在抗压 达最大后开始形变 形 变程度较小 破碎后的固化 块内部情况 湿润程度较高湿润程度较低 从本次强度测定的结果来看 本组制作的固化块的抗压效果并不理想 主要体 现在固化体表面下部和破碎后的固化块内部存在一定湿润度 且抗压强度最大仅有 0 5kN 且受压后形变很快 说明固化效果不会 反观其他组的结果 不乏效果比较 理想的 比如表格中的其他组情况是比较理想的结果 最大抗压抗压强度普遍大于 2kN 有些达到 3 16kN 个别甚至达到 5kN 以上 而且受压后的形变程度仍然较小 说明固化块强度大 固化效果好 具体见图 3 图 3 本组固化体强度测试情况 2 原因深层分析原因深层分析 探究本次实验固化体强度如此低的原因 应该是水泥与水的比例太低所导致的 按照国标法测定水泥固化体强度 查阅 水泥胶砂强度检验方法 ISO 法 GB T 17671 1999 要求水泥固化体在配置过程中胶砂的质量配合比应为一份水 泥 三份标准砂 和半份水 见 5 3 水灰比为 0 5 即水泥 砂 水 1 3 0 5 而从表 1 中看到本次固化实验的原料分别为原材料为粉笔渣 筛分后代替含重 金属飞灰等危险废物 40g 水泥 60g 黄砂 70g 筛分后 和水 400g 混合后的水 泥 砂 水 6 11 40 其中水灰比为 3 20 远远小于 0 5 所以导致了固化体形变后 的内部仍然很湿润 而抗压能力很低 由此推断本次固化实验的效果不理想 1 蒋建国 赵振振 王军 张妍 杜雪娟 焚烧飞灰水泥固化技术研究 J 环境科学学报 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 南京水利科学研究院等 GB T50123 1999 土工试验方法标准 S 北京 中国计 划出版社 1999 4 南京水利科学研究院等 GB T 17671 1999 水泥胶砂强度检验方法 ISO 法 S 北京 中国计划出版社 1999 实验发现 实验发现 1 参考文献资料参考文献资料 从本次强度测试实验的结果来看 本小组制得的水泥固化体强度远低于同期实 验的其他组结果 以下为从文献中摘取的关于对水泥固化体强度的相关研究 李江山 5 等人对垃圾焚烧飞灰的水泥固化体研究结果来看 不同水泥添加量 不同养护时间和不同的渗沥液浸泡时间对固化体的强度都会有影响 具体结论如下 1 应力应力 应变特性变化应变特性变化 固化体强度变化固化体强度变化 在外界条件已经固定的条件下 固化体在施加的压强作用 下强度变化规律为 飞灰固化体达到极限强度后会很快出现脆性破坏 无侧限抗 压强度先增大后减小 未受垃圾渗沥液浸泡的飞灰固化体呈现持续应变硬化现象 而受垃圾渗沥液浸泡的飞灰固化体在后期则呈现出应变软化现象 且随浸泡时间 的增加而更加明显 见图 4 图 5 不同浸泡时间的抗压强度 由上图可知 浸泡时为 5d 达到最大抗压强度是最高的 可达到 0 8MPa 其 次是浸泡 1d 最高可达 0 6MPa 浸泡 10d 最高可达 0 55MPa 浸泡 20d 最 高达 0 3MPa 与本次我们的实验结果对比 浸泡时间为 14d 固化块所能承受最大负荷仅 为 3 979KPa 其他组中较坚固的固化块所承受的最大负荷也只有 25 14KPa 有 些最高达 39 78kN 以上 仍然比文献中浸泡时间为 20d 中的最高抗压 0 3MPa 推测造成该结果的原因除开浸泡时间过长外 还有其他两个原因 一是水泥投简 历过低 二是固化体制备后一直装在塑料模具中没有取出风干一段时间 导致部 分固化体从模具中取做强度测定被挤碎时 内部甚至是底部碎块仍比较湿润 水泥添加量对固化体强度影响水泥添加量对固化体强度影响 文献中李江山等人分别对水泥添加量分别为 0 5 8 10 和 20 的固化体强度进行测定 其中 0 5 添加量的试样 在浸泡过程中已破坏 8 10 和 20 的固化体强度见图 5 图 5 不同水泥添加量的影响 在实际工程中 应避免水泥添加量过少对飞灰固化体强度的影响 建议其添 加量应不小于 10 从图中可以得到 水泥添加量对飞灰固化体的强度影响较 大 随着水泥添加量的增加 飞灰固化体的抗压强度增加 破坏应变减小 当水 泥添加量为 20 时 浸泡后的试样仍然呈现出持续应变硬化现象 无侧限抗压 强度达到了 1 54 MPa 主要原因是大量水泥水化作用产物形成的凝胶体将飞灰 颗粒团包裹 致密的结构阻碍了渗沥液的浸入 从表 1 中固化体各组分含量来看 水泥添加量为 10 53 总体上比较合适 但正常情况下 要达到理想效果的固化块强度 水灰比至少要达到 0 5 而本次 实验中混合后的水泥 砂 水 6 11 40 其中水灰比为 3 20 远远小于 0 5 所以 导致了固化体形变后的内部仍然很湿润 而抗压能力很低 同时 固废实验 24 h 后需要拆膜 并放于标准养护箱 温度 20 2 湿度 95 以上 中养护 达 到养护龄期的试样放于垃圾渗沥液中进行浸泡 而本次实验没有在固化 24h 后及 时拆封 造成固化效果不理想 2 抗压强度特性抗压强度特性 固化体强压强度方程模型固化体强压强度方程模型 随着水泥添加量的增加 飞灰固化体的抗压强度逐渐 增加 而破坏应变则减小 随着飞灰固化体养护时间的增加 试验结果有类似的 变化规律 随着垃圾渗沥液浸泡时间的增加 飞灰固化体的抗压强度先增大后减 小 转折点大约在 5 7 d 破坏应变持续增加 未受浸泡的飞灰水泥固化体的 无侧限抗压强度增长随时间变化符合 y a 1 exp bt 模式 见图 6 图 6 无浸泡作用下废话固化体抗压强度 3 渗滤液对固化体强度影响渗滤液对固化体强度影响 图 7 渗沥液浸泡时间对飞灰固化体破坏应变的影响 图 7 为不同水泥添加量飞灰固化体破坏应变随浸泡时间变化规律 从图中可以得 到 未经渗沥液浸泡试样的破坏应变较小 而经浸泡后的试样的的破坏应变均变 大 且随浸泡时间的延长近似呈线性增加 图 8 渗沥液和蒸馏水浸泡作用下的飞灰水泥固化体应力 应变曲线 图 8 曲线图说明渗沥液的侵蚀作用明显大于蒸馏水 表现为飞灰固化体抗压强 度的减小和破坏应变的增加 与未浸泡的飞灰固化体相比 蒸馏水的浸泡对飞灰固 化体的强度有较小的影响 强度从 1 21 MPa 到 1 01 MPa 因此 渗沥液对飞灰固 化体的侵蚀作用与其化学成分有关 垃圾渗沥液对飞灰水泥固化体的侵蚀作用主要是由于其成分的化学作用 通过 破坏水泥飞灰水化反应过程及其水化产物而使固化体强度降低并解体 文献结论 文献结论 考虑飞灰固化体因破裂而带来的环境风险 在对飞灰进行固化 稳 定化处理时 应适当增加固化剂的添加量 并延长养护时间 对于用水泥处理飞灰 时 水泥添加量不应小于 10 养护时间不应小于 3 d 在对飞灰固化体进行填埋处 置时 应分区进行填埋 避免垃圾渗沥液的侵蚀 2 结论结论 从实验现象的记录情况来看 本次实验对放置了 14d 的水泥固化体进行强度测 试时 测定最大承受压强仅为固化块所能承受最大负荷仅为 3 979KPa 远远低于文 献值浸泡时间为 20d 中的最高抗压 0 3MPa 推测造成该结果的原因主要有如下几个 一 水泥投配比过低 水泥添加量为 10 53 总体上比较合适 但正常情况下 要达到理想效果的固化块强度 水灰比至少要达到