酸雨作用下污泥固化土长期强度研究#
李磊*
基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金资助课题（200802941001）
作者简介：李磊，（1976-），男，副教授，主要从事环境岩土工程方面的研究工作. E-mail: dr.lilei@163.com
（河海大学地球科学与工程学院，南京 210098）
5 摘要：污泥固化土的强度主要依靠水化产物来维持，在酸雨作用下水化产物存在分解的可性
能，直接影响到污泥固化土的材料性能。采用室内强化实验和化学动力学方法，建立了水化
产物分解率与强度损失之间的关系，预测了酸雨作用下污泥固化土的长期强度变化。实验结
果表明，所建立的化学动力学模型能够模拟污泥固化土强度的损失，能够预测污泥固化土在
酸雨作用下的长期强度变化。而且一般的酸雨条件下不会对泥固化土的强度产生显著影响，
10 能够满足工程的要求。
关键词：污泥固化土；长期强度；酸雨；化学动力学
 0 引言
污泥是城市污水处理厂的主要副产品之一，预计到2010 年我国城市污水排放总量将达
30 464×108m3，将产生0.125×108～0.21×108t 污泥（含水率400%）。由于污泥中含有大量
的有机质、病菌、寄生虫及、重金属、有机污染物等，将其任意堆放或处理不当，都可能造
成严重的二次污染[1-2]。
根据我国目前的经济发展水平，短期内解决污泥的安全处置，长期实现资源化利用，是
符合我国国情的污泥处理处置技术路线。其中采用固化处理技术，提高污泥的物理力学性质，
35 将污泥处理为可以再生资源利用的土材料，是一条可行的污泥处理处置技术路线之一。该方
法提高了污泥的物理力学性能，满足了对污泥中污染物封闭的要求，实现了污泥的资源化利
用，而且工艺技术路线简单，处理成本较低，已经在上海、深圳等地的进行了应用[3-4]。
但是污泥固化土是一种以水泥为固化基材的改性土材料，其材料性质的稳定主要依靠其
中呈碱性水化产物的胶结作用来维持。目前酸雨危害已经成为普遍存在的问题，污泥固化土
40 作为土材料在使用过程中如果受到酸雨的作用，污泥固化土中的水化产物具有发生分解的可
能，从而污泥固化土的材料稳定性将会受到影响[5]。
为了明确污泥固化土在酸雨作用条件下强度变化规律，采用室内试验强化酸雨环境，获
 得污泥固化土材料稳定性与环境因子的关系，并采用化学动力学理论预测酸雨作用长期条件
下污泥固化土的强度变化规律，为污泥固化技术的推广提供材料稳定性方面的理论依据。
45 1 污泥固化土与酸反应的化学动力学方程
污泥固化后产生强度的根本原因是因为水泥水化产物的胶结以及和粘土矿物中活性成
分反应的结果，生成的水化产物主要包括水化硅酸钙、水化铝酸钙、氢氧化钙以及碳酸钙等
[6]。这些水化产物的一个共同点是其中都有钙元素，水化产物遇酸反应意味着水化产物中结
合态的钙转化为离子态的钙，可溶态钙离子量可以间接作为反映水化产物被酸反应掉的量。
50 假定水化产物和酸反应是一个n 级反应，其化学方程式可表述为：
C-M+H+→Ca2++M+H2O (1)
式中M 表示不同的水化产物基团。
在温度T 时水化产物和酸反应的化学动力学方程可以表示为：
γ [Ca 2 ] [C M]α [H ]β
+
+
= = k −
dt
d
(2)
55 式中γ为反应速率，[Ca2+]、[C-M] 、[H+]分别表示反应体系中Ca2+、水化产物以及酸
的浓度，α、β为水化产物和酸的反应级数，k 为速率常数，t 为反应时间。式(2)中γ 可以通
过试验测定，待求参数为k、α 和β。根据文献[7]提供的计算方法求得。
2 实验方案及计算参数
污泥固化土选取5 个配比，分别为5:0.5:2、5:1:2、5:2:0、5:2:1、5:2:2（污泥、水泥、
60 淤泥的重量比），养护至28 天龄期。在200ml 锥形瓶中加入100ml 不同浓度的盐酸，磁力
加热搅拌器上预热至一定温度后，加入一定质量粉碎后过2mm 的筛的污泥固化土试样，继
续保持恒温加热搅拌至1 小时后将悬浊液迅速过滤至装有无水乙醇的烧杯中，阻止化学反应
的继续进行，采用原子吸收方法测定溶液中Ca2+的浓度。
以水化产物形态存在的钙采取以下方法测定：采用上述类似方案，按照1:10 的固液比
65 振荡8 小时并静置16 小时后采用原子吸收分光光度计测其中钙离子的量，这部分钙离子是
以可溶态形式存在；然后按照EPA Method 3052，6010B(1996)方法测定其中所有钙的量。
将两次测得的钙的量相减得到的钙离子量即是以水化产物形态存在的钙。计算得到污泥固化
土与盐酸反应的化学动力学参数如表1。
3 污泥固化土长期强度的预测
70 3.1 水化产物分解量的计算
假定水化产物的初始浓度为A，酸的初始浓度为B，经过时间t 后水化产物的分解量为
x，即生成的Ca2+量为x，消耗的酸量的2x 由式(2)可得：
k(A x)α (B 2x)β
dt
dx = − − (3)
在酸雨持续作用下可以假定酸的浓度一直保持不变，并将所求得α、β 代入上式并进行
75 积分可以得到：
∫ = ∫
−
b t
a
dx kB dt
A x 0
1 1.5
(4)
 可以求得经过时间t 后生成得Ca2+浓度，即被反应掉得水化产物量为：
2
1.5
)
2
b = A − ( A − a − ktB (5)
80 表1 污泥固化土与盐酸反应化学动力学参数
Tab.1 chemical kinetics parameter of solidification sludge and hydrochloric acid
参数 试样 T(℃)
20 30 40
5:2:0 0.52 0.52 0.42
5:2:1 0.48 0.38 0.52
5:2:2 0.56 0.41 0.49
5:0.5:2 0.47 0.53 0.49
α
5:1:2 0.46 0.46 0.51
5:2:0 1.43 1.42 1.41
5:2:1 1.48 1.55 1.43
5:2:2 1.48 1.42 1.42
5:0.5:2 1.41 1.46 1.39
β
5:1:2 1.40 1.39 1.45
5:2:0 5.232E-02 6.580E-02 9.262E-02
5:2:1 6.559E-04 7.372E-03 3.538E-02
5:2:2 6.144E-05 2.150E-03 1.255E-02
5:0.5:2 1.364E-02 4.394E-02 4.973E-02
k
5:1:2 1.513E-03 2.396E-03 3.158E-02
由表1 可以看出污泥固化土与盐酸反应动力学参数α 可以近似取0.5，β 近似取1.5，k
值随温度和材料配比不同而变化。
85 3.2 水化产物分解量与强度的关系
为了在实验室时间尺度内获得污泥固化土受酸作用造成水化产物减少引起强度损失之
间的关系，采取加大酸的浓度和抽真空饱和的措施缩短时间尺度，具体试验方案如下：
(1) 采用不同配比将污泥固化土养护至28 天龄期，采用1:10 固液比，浸取液为去离子
水，测定其中可溶态Ca2+总量；
90 (2) 将试样置于不同浓度的盐酸中抽真空饱和24 小时再静置一定时间后进行无侧限抗
压强度试验；
(3) 测定(2)步骤中溶解在盐酸中的Ca2+总量；
(4) 将破坏后的试样按照1:10 的固液比，浸取液为去离子水，测定其中可溶态Ca2+总量；
(5) 将(3)和(4)中得到的Ca2+量相加再减去(1)中得到的Ca2+量即为在酸的作用下被分解
95 的水化产物量。
3.3 污泥固化土长期强度预测
采用上述试验方案获得了不同配比的污泥固化土在酸的作用下水化产物分解量(即Ca2+
损失量)和强度损失量之间的关系，如图1、2 所示。从图中可以看出，强度的损失率和水化
产物分解率基本成较好的线性相关关系。
100 采用公式(5)可以计算得到不同酸雨条件下以及不同作用时间污泥固化土水化产物分解
率；通过图1 和图2 能够得到水化产物分解率和强度损失率的关系。将这两个步骤相结合可
以对不同酸雨条件下不同配比的污泥固化土长期强度进行预测，本文计算了pH=4 和pH=5
两种条件下不同配比污泥固化土从10 年~100 年强度损失率，如表2 所示。
 表2 不同酸雨条件下不同固化污泥强度损失率
Tab.2 loss ration of solidification sludge strength under different acid rain condition
时 间 pH=4 pH=5
(年) 5:0.5:2 5:1:2 5:2:2 5:2:0 5:2:1 5:0.5:2 5:1:2 5:2:2 5:2:0 5:2:1
10 0.12 0.01 0.00 0.38 0.00 0.00 0.00 0.00 0.01 0.00
20 0.25 0.01 0.00 0.76 0.01 0.01 0.00 0.00 0.02 0.00
30 0.37 0.02 0.00 1.14 0.01 0.01 0.00 0.00 0.04 0.00
40 0.49 0.03 0.00 1.52 0.01 0.02 0.00 0.00 0.05 0.00
50 0.61 0.03 0.00 1.90 0.02 0.02 0.00 0.00 0.06 0.00
60 0.74 0.04 0.00 2.28 0.02 0.02 0.00 0.00 0.07 0.00
70 0.86 0.05 0.00 2.66 0.03 0.03 0.00 0.00 0.08 0.00
80 0.98 0.05 0.00 3.03 0.03 0.03 0.00 0.00 0.10 0.00
90 1.10 0.06 0.00 3.41 0.03 0.03 0.00 0.00 0.11 0.00
100 1.23 0.07 0.00 3.79 0.04 0.04 0.00 0.00 0.12 0.00
110 从表2 可以看出，酸雨的强度对污泥固化土的长期强度存在影响，例如5:0.5:2 的污泥
固化土在pH=4 的酸雨作用100 年条件下其强度损失为1.23%，但是在pH=5 的酸雨作用同
样的时间其强度损失仅为0.04%。所以根据本地区酸雨的实际情况选择最为经济的固化材料
和比例显得较为重要。
4 结论
115 (1) 从研究的结果来看，正常的酸雨强度对污泥固化土的强度影响很小，基本可以忽略
不计，因此在实际的工程设计当中可以不予考虑酸雨对污泥固化土强度的影响。
(2) 本文的计算结果主要依据室内试验的结果进行预测，而室内试验采用诸如抽真空饱
和等手段强化了酸对试样的溶蚀能力，而实际条件下污泥固化土的渗透性非常低，如何将试
验室所得出的数据和现场进行联系有待于进一步的发掘。
120 (3) 采用化学动力学方法研究环境敏感因素对岩土体长期材料性能的影响，为岩土体长
期材料服役性能的研究提供了一条可行的技术途径。
[参考文献] (References)
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[5] Hills, C.D., Barnard, L.H., Bone, B., Carey, P.J., Jones, H.M., Boardman, D.I., Tyrer, M. and MacLeod, C.L.
The science of stabilization/solidification technology. Report for the Environment Agency (Contract Reference
图1 不同水泥掺入量条件下水化产物分解率和
强度损失率关系
Tab. 1 Relation of hydration products decomposition rate
and strength loss rate under different cement content
0
0
水化产物分解率(%)
强度损失率(%)
5
10
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