实验4：固化强度测试

1、固体废物处理处置工程实验表实验名称水泥固化体的强度测定实验实验人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：1. 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

2、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12，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

3、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2.1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黄砂600.371.2312.281000.15162.811200.12522.84.001400

4、.10515.82.771800.1888.41.47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：040外形尺寸：360×140×220mm（开

5、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1015s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12min，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

6、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：1. 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

7、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

8、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 176711999），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

9、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 incin

10、eration residue using fly ash-based geopolymersJ. Journal of Hazardous Materials, 2011, 185(1): 373381.）3 南京水利科学研究院等. GB/T501231999 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 176711999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：1. 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

11、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-应变特性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

12、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 文献中李江山等人分别对水

13、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

14、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

15、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 57 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=a1-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

16、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：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0.5。而本次实验中混合后的水