初始含水率对城市污泥压缩及强度特性的影响

杨瑞敏，汤友胜，曾杏钢，王梦茹，何心宁

（1.安徽科技学院建筑学院，安徽 滁州 233100；2.东南大学岩土工程研究所，江苏 南京 210096）

污泥是污水处理后产生的以有机物为主的泥状物质，含有大量的重金属、微生物及污染物等。根据《国家环境保护“十三五”规划》，目前我国脱水污泥的年产量已达到6×107t，填埋处置是国内外常用的污泥处置方式[1]。由于污泥富含无机颗粒、胶体及有机残片等，脱水后污泥仍具有较高的含水率，导致填埋场堆积时容易软化塌方，施工机械作业时容易发生工程事故，若处置不当将引发严重的社会环境问题，将进一步加剧河道水体污染[2]。按照我国《生活垃圾卫生填埋处理技术规范》(GB 50869—2013)规定，城镇污泥在填埋前，需改善污泥的含水率高、黏度大、易流变的特性，改善后的污泥应达到如下指标：无侧限抗压强度不得低于50 kPa，十字板抗剪强度不应低于25 kPa，含水率不应高于60%。焚烧时含水率应小于50%，土地改良和污泥农用的含水率应分别小于65%和60%。城市污泥由于富含有机质和细颗粒，与河、湖淤泥相比，一般具有较高压缩性，压缩指数可高达5.5[3]。

本文选取安徽省滁州市凤阳县某污水处理厂的污泥，开展不同初始含水率的污泥的无侧限抗压强度试验和标准固结试验，明确初始含水率对污泥压缩及强度特性的影响，以期能够为污泥的资源化利用提供技术支撑和理论基础。

1 试验材料和仪器

1.1 试样材料

试样污泥取自凤阳县某污水处理厂，根据《土工试验方法标准》（GB/T50123—2019），开展含水率、界限含水率、颗粒分析、比重及有机质含量测定，可得污泥的基本物理性质如表1 所示和污泥的颗粒组成如图1 所示。

表1 污泥的基本物理指标

图1 污泥的颗分曲线

1.2 试验方案

配制初始含水率分别为90.61%、77.91%、56.51%、42.96%、36.5%和23.1%的污泥试样6 个，试样的制备参照《土工试验方法标准》（GB/T50123—2019）执行，无侧限抗压强度试样直径3.91 cm、高度8 cm，标准固结试样直径6.18 cm、高度2 cm，在标准养护条件下（温度20 ℃、湿度90%）养护7 天。

采用TZS-1 型应变控制式三轴仪开展无侧限抗压强度试验，试验参照《土工试验方法标准》（GB/T 50 123-2019）执行，设置剪切应变速率为0.5 mm/min，每隔0.25%应变读数一次。试验的轴向应力、应变分别按照公式（1）和（2）计算得到：

式中：σ为轴向应力(kPa)，R为测力计读数(0.01 mm)，C为测力计率定系数(N/0.01mm)，Aa为校正后的试样面积(cm2)：Aa=A0/(1-0.01ε1)，A0为试样初始面积(cm2)，ε1为轴向应变(%)，h0为试样的初始高度(mm)，Δh为轴向变形(mm)。

标准固结试验采用WG 型单杠杆固结仪进行，试验参照《土工试验方法标准》（GB/T 50123—2019）执行，固结试验施加的各级压力分别为12.5、25、50、100、200、400、800、1 400 kPa。施加每级压力后24 h 测定试样高度变化直到加荷至最后一级。

2 不同初始含水率污泥的无侧限抗压强度实验

经无侧限抗压强度试验，可得污泥的无侧限抗压强度与初始含水率的关系曲线如图2 所示。

图2 无侧限抗压强度与含水率的关系曲线

由图2 可知，随着含水率的不断增大，污泥的无侧限抗压强度逐渐上升。当含水率增大至45%左右时达到最大值，之后，随着含水率继续增大，无侧限抗压强度一直呈下降趋势，最后趋于平缓。污泥密度～含水率与干密度～含水率关系曲线（击实曲线）分别如图3、图4 所示。

击实试验统一采用质量2.5 kg 的击锤，击实筒直径51 mm，落距为305 mm，分三层击实，每层25 击，使土孔隙中的气体充分排出。根据图4 可得污泥的最优含水率为45%左右。

图3 含水率与密度曲线

图4 含水率与干密度曲线

图5 不同含水率污泥的应力−应变关系

通过无侧限抗压强度试验可得污泥的应力−应变关系曲线（如图5 所示)。当含水率低于或接近最优含水率时，污泥中主要以结合水为主，且结合水膜较薄，颗粒间联结力较强，颗粒容易被击实，形成骨架[4 − 6]，从而使污泥具有一定的结构性，应力−应变关系表现为软化型，应力随应变先增大到某一峰值后逐渐减小，在达到峰值之前，经历了线弹性、弹塑性两个阶段，污泥样结构逐渐破损，土颗粒之间产生塑性滑移，达到应力峰值后，污泥样结构完全破坏，应力随应变急剧衰减，曲线呈下降趋势,此时峰值应力即为污泥的无侧限抗压强度。当含水率的高于最优含水率时，应力−应变关系呈硬化型，随着含水率的增加，污泥的结构性逐渐丧失，随着荷载的增加，污泥的变形过程几乎不经历弹性、破损阶段，直接进入塑性硬化阶段，此时可取轴向应变15%对应的应力作为无侧限抗压强度。

3 不同初始含水率污泥的标准固结试验

制备初始含水率分别为23.10%、36.50%、42.96%、65.68%、88.42%、97.14%的6 个污泥，开展标准固结试验，可得污泥的e-p曲线、压缩指数和压缩系数随含水率的变化曲线与e-lgp曲线分别如图6—9 所示。

图6 不同含水率污泥的e-P 曲线

图7 压缩系数与含水率的关系

由图6 的e-p曲线可知，初始含水率越大，污泥e-p曲线前段越陡，且位于其他曲线上方，表明污泥的压缩性越高，固结初期比中、后期孔隙比减小较快，污泥的初始含水率越低，e-p曲线越平缓。固结初期压缩较快，e-p曲线陡降，主要是由于污泥中自由水的排除；固结中、后期压缩较慢，随着压缩的进行，自由水逐渐减少，由于污泥中含有大量有机质，结合水逐渐占据主导，而结合水排除困难，同时有机质本身的塑性压缩变形很小，致使污泥的压缩变形减小，故e-p曲线较平缓[7]。

图8 压缩指数与含水率的关系

图9 不同含水率污泥的e-lgP 曲线

工程中一般采用100～200 kPa 压力区间内对应的压缩系数a1-2来评价土的压缩性，本文中压缩指数与压缩系数的变化规律分别如图7、8 所示，可见污泥的压缩指数、压缩系数均随含水率的增大而增大，污泥压缩系数a1-2均大于0.5，压缩指数Cc均大于0.4（除初始含水率23.1%外），为高压缩性土。随着含水率的不断增加压缩指数和压缩系数急剧增加，当含水率增加至最优含水率附近，试样出现结构性，曲线接近平缓，最后曲线陡增。

从图9 中可知，e-lgP曲线近似呈直线型，含水率高的污泥曲线较陡，但是随着初始含水率的降低，压缩指数也随之降低且曲线变得平缓。究其原因是压缩初期阶段，结合水膜在有机物的作用下变厚，土颗粒之间的连接作用减弱，导致土体的压缩性变大，强度降低。随着压缩过程的进行，土体中的水被排出，使得结合水膜变薄，土体的压缩性变小，强度随之增加[8]，孔隙被进一步压缩变得更小，结合水占据绝大部分孔隙。颗粒间的蠕动阻力由于结合水膜变薄而逐渐增加，从而抑制了污泥的变形[9]。其次，高含水率的土样在压缩初期土体强度较小，含水率较大，所以土样从压缩开始直至结束这一过程中形变较大。但随着污泥初始含水率的降低，污泥变得更加密实，初始孔隙率减小，使得强度在压缩初期就比较大，随着压缩的进行土样的变形越来越小直至压缩结束。所以其曲线就较为平缓。

Butterfield 首先提出采用双对数坐标确定结构屈服应力的方法[10]。所以本文中根据固结试验结果绘制ln(1+e)～lgP关系曲线（见图10），从而运用Butterfield 的方法来确定污泥的结构屈服应力。从图10 中可知，随着初始含水率的降低，污泥结构屈服应力减小的程度并不明显。表明不同初始含水率下污泥的结构性差异并不显著，此外屈服前后双对数压缩指数变化非常显著，即污泥一旦发生结构屈服以后，其压缩性将出现大幅度的增加[2]。

图10 不同含水率下污泥双对数压缩曲线

4 结论

通过污泥的无侧限抗压强度试验与标准固结试验，明确初始含水率对污泥强度和固结特性的影响，主要得到如下结论。

1）无侧限抗压强度试验轴向应力水平是影响应变比的重要因素，在轴向应力维持不变的状态下，污泥的径向与轴向应变比随着含水率的增大而减小。

2）污泥的初始含水率低于最优含水率时，应力应变关系呈软化型，初始含水率高于最优含水率时，应力应变关系呈为硬化型。

3）不同初始含水率的城市污泥压缩特性相差较显著：初始含水率较高时，e-lgP、ln(1+e)–lgp曲线均近似直线，污泥不具有结构性；随着含水率的降低，e-lgP、ln(1+e)–lgp曲线刚开始平缓，随后逐渐变陡，污泥具有一定屈服强度，表现出一定结构性。

4）随着含水率的增加，压缩指数、压缩系数均随之增大，在最优含水率附近变化趋于平缓，而后呈现单调递增的趋势。