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生活垃圾卫生填埋覆盖材料的研究

文档作者：范英儒钱觉时黄煜镔段策文档来源： 1 重庆大学材料科学与工程学院 2 重庆大学土木工程学院 3 建筑材料工业技术监督研究中心		点击数：	更新时间： 2022年11月19日
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· 66 · 材料导报：研究篇 2010年7月(下)第24卷第7期
生活垃圾卫生填埋覆盖材料的研究
范英儒 ，钱觉时 ，黄煜镔 ，段策。
(1 重庆大学材料科学与工程学院，重庆400045；2 重庆大学土木工程学院，重庆400045；
3 建筑材料工业技术监督研究中心，北京100024)
摘要 传统垃圾覆盖材料难以满足目前生活垃圾处理的需要，通过对粉煤灰一石灰一硫酸盐胶凝体系的研究，开
发了新型垃圾覆盖材料，并测定了其相关性能。结果表明，以粉煤灰一石灰一煅烧石膏胶凝体系作为覆盖材料对小城镇
的生活垃圾进行处理是一种有效的方法，其早期强度高，整体性优异，长期强度持续发展，抗渗透能力强，收缩性满足
要求，并具有良好的环境协调性。
关键词 生活垃圾卫生填埋覆盖材料性能
Study on Cover M aterials of Sanitary Landfill for Domestic Refuse
FAN Yingru ，QIAN Jueshi ，HUANG Yubing。，DUAN Ce。
(1 College of Materials Science and Engineering，Chongqing University，Chongqing 400045；2 College of Civil Engineering，
Chongqing University，Chongqing 400045；3 Technical Supervision and Research Center of
the Building Materials Industry，Beijing 100024)
Abstract The traditiona1 waste cover materials can hardly meet the current demands of domestic refuse．A new
waste covering material，which is based on fly ash-lime-sulfate cementilious system ，is proposed，and the strength，
water penetration assistance，shrinkage and pH value of the covering material and traditional soil are investigated and
compared．The results show that it iS effective to dispose of the municipal solid waste(MSW )in smal】towns when tlsing
the flew covering materia1． In addition，it perforrnes a series of excellent properties，such as higher early
strength，well integrity，lower shrinkage，sustained long-term strength development，strong anti—permeability．
Key words domestic refuse，sanitary landfill，cover materials，characteristics
0 引言 1 实验
近年来，卫生填埋处理技术已成为我国近期推广的首选
生活垃圾处理技术 1]。但作为垃圾卫生填埋所用的覆盖材
料，在考虑经济性的同时，应具有快速形成强度和较好的整
体密封效果以便于施工和控制臭味扩散及垃圾的飞扬；应有
较好的抗渗性以减少垃圾填埋场中渗滤液的量；且铺设厚度
尽可能薄，以节省填埋场的库容；此外还应具有一定的碱性
以防止蚊蝇的滋生_2J。而目前以压实粘土为主的传统垃圾
覆盖材料因其施工机械成本高、受天气影响大、抗渗及密闭
性较差、覆盖厚度大难以达到令人满意的程度l2]。因此，新
型垃圾覆盖材料的研究与开发势在必行。在建材领域已有
一定研究基础的粉煤灰一石灰一硫酸盐胶凝体系(FI S胶凝体
系)[a-s]具有这种潜能。近年来，虽有不少学者将粉煤灰和石
灰用于垃圾处理、消毒、吸附等方面的研究』 ，但利用粉煤
灰火山灰活性用于生活垃圾处理的研究尚未见报道，因此，
本研究利用粉煤灰一石灰一煅烧石膏胶凝体系(FI S胶凝体系)
作为新型生活垃圾覆盖材料，以改善传统覆盖材料的不足，
实现生活垃圾的处理。
*重庆市建设科技项目(城科字2008第(75)号)
范英儒：男，博士，讲师，主要从事建筑材料教学与研究
1．1 材料
采用重庆珞璜电厂生产的粉煤灰，其化学组成及物理性
能见表1。
按照GB1596试验用粉煤灰属于Ⅱ级灰。
石膏采用重庆珞璜电厂生产的脱硫石膏及用其制备的
煅烧石膏，性能见表2。
表1 粉煤灰的化学成分及物理性能
Table 1 Chemical composition and physical properties
of fly ash
比表面积／(em。／g)密度／(g／cm。) 细度／ 需水量比／％
3l4O 2．45 15．2 96
生活垃圾卫生填埋覆盖材料的研究／范英儒等 · 67 ·
表2 脱硫石膏的化学成分和煅烧石膏的物理性能
Table 2 Chemical composition of desulfogypsum and
physical properties of calcined gypsum
水膏比
0．64
凝结时间／min 2h强度／MPa
初凝
O
终凝
11
抗压
5．4
抗折
1．9
石灰采用重庆歌乐山山洞石灰厂生产的石灰，活性
77 ，属中速石灰。试验全用熟石灰，在试验前用少量水喷
洒在生石灰上使其熟化24h并筛分而得，细度参照《水泥细
度检验方法》GB1345—2005测定，筛余量为0．8 。
1．2 力学性能测定
参照《水泥胶砂强度检测方法》JC／T 603-2004测定试件
的成型、抗折强度和抗压强度。
1．3 抗渗性能、收缩性与pH值测定
用模拟降雨条件下材料的渗水量来表示抗渗透性试验；
参照《水泥胶砂干缩试验方法})JC／T 603—2004进行收缩性试
验，试件均采用室内自然养护；参照美国土壤学会测量土壤
pH值的方法测定pH值，即将成型试件经破碎、研磨后通过
lmm 的方孔筛，称取25g，放入50mI 烧杯中，加人25mL蒸
馏水用玻璃棒搅拌lmin，使粉末充分散开，静置0．5h，过滤后
取清液用酸度计测定其pH值。
表3 nJs系统配合比
Table 3 M ix proportion of FLS system
表4 FLS系统强度发展情况
Table 4 Strength of FLS system with time
2 结果与分析
2．1 FLS胶凝体系的配比研究
参考国内外已有的粉煤灰一石灰一硫酸盐胶凝体系研究
结果 ]，设水灰比为0．4，煅烧石膏掺量为5％ ～ 15 ，
熟石灰掺量为5 ～20 ，对FLS胶凝体系l天、7天、14
天、28天和90天的强度进行试验研究，以确定用于实际
覆盖材料的FLS系统配合比。表3是试验采用的质量配
合比，根据体系中石膏含量的不同，将试验分为3组，石膏
含量分别为5 、10 和15％ 。试验结果见表4。由试验
结果可知，当煅烧石膏掺量为5 时，体系早期强度较低，
难以满足施工要求；当煅烧石膏掺量为15 时，体系的早
期强度相对较高，后期强度发展相对较差，但足以满足施
工要求；而当煅烧石膏掺量为10 时，其早期强度为
5％～l5％ ，后期强度发展较好，也可满足施工要求，并且
由于石膏掺量较低，还可节约成本。文献[4，5]的研究表
明，当石膏掺量超过15 时，早期强度虽有提高，但提高
幅度不大，而后期材料的耐水性能却下降，因此煅烧石膏
掺量不宜超过15 。由此确定卫生填埋覆盖材料的粉煤
灰、煅烧石膏和熟石灰的质量配比最佳为70：15：15
(11#配比，以FLS1表示)和75：10：15(7#配比，以
FLS2表示)。
匕表酩 (m ∞
· 68· 材料导报：研究篇 2010年7月(下)第24卷第7期
2．2 抗渗透性能
为了分析和评价FLS胶凝体系与普通粘土覆盖材料在
抗渗透性能及渗透深度方面的差异，试验设计了以下方法进
行研究：将直径为1l0mm的PVC管截成长度为100ram的
小段，每5段叠放起来为l组，共分3组，并将粘土和2种不
同配合比的FLS胶凝材料浇筑或夯入PVC管中，其中FLS
材料采用浇注成型，而粘土为人工夯实成型，24h后分别编号
为A组(粘土)、B组(FLS1)、C组(FI S2)，并将每组从上至
下编为1号、2号、3号、4号和5号。
试验共分为3个阶段，第一阶段在试件成型后24h进
行，模拟每小时10mm的小雨降水量；第二阶段在第一阶段
结束后立即开始，方法同第一阶段；第三阶段在次日进行，模
拟每小时25mm的特大暴雨降水量。通过对不同阶段的各
组PVC管进行称重，测定试件质量变化，以求出试件吸水
量，并按式(1)计算出各阶段覆盖材料的排水率，试验结果见
图1。当FLS系统龄期为28天时重复上述试验，试验结果
见图2。
摹
薄
·
枯
第一阶段 第二阶段 第三阶段
模拟降雨
图l 成型24h后模拟降雨各阶段覆盖材料的排水率
Fiz 1 The draining rate of cover materials in every phase
after casting 24h
100
80
60
羹 4o
20
O
第一阶段 第二阶段 第三阶段
模拟降雨
图2 成型28天后模拟降雨各阶段覆盖材料的排水率
Fj舀2 The draining rate of cover mate~als in every phase
aver casting 28 days
率： X 100~ (1)
结果表明，FLS胶凝系统的抗渗透性表现为排水阻水，
无论是成型24h还是成型后28天，FI S1与FI s2的排水率
差别都很小，且排水率也都比较稳定，可以满足作为填埋场
覆盖材料的需求。粘土的抗渗透性能主要表现在对水分的
吸收，当表层的粘土达到水饱和后，水分继续向下渗透。因
此，FI s系统阻水性明显优于粘土，在遇降雨天气时，大部分
的雨水以地表径流的形式出现，并不会渗入垃圾体内，与粘
土作为覆盖材料相比，大大减少了进入垃圾体的水量，即减
少了渗滤液的处理量。FI s系统在实际工程应用中，只要保
证铺设后表面的完整性、铺设厚度小于50ram，即可满足填埋
场覆盖材料的抗渗透要求。
2．3 收缩性
卫生填埋场覆盖材料铺设于垃圾体表面，如果因收缩而
产生裂缝，垃圾中的有害气体将对周围空气质量和垃圾体的
稳定性造成十分不利的影响。粘土作为覆盖材料在压实性
和收缩性方面存在很大矛盾，为填埋场的实际施工操作带来
很大困扰。
本研究参照JC／T 603—2004{水泥胶砂干缩试验方法》对
FLS系统进行干缩性测试。考虑到FLS系统作为覆盖材料
是在干燥天气下产生收缩，故试件成型后在空气中养护。具
体试验结果见图3。
△ 一☆ PLbl
／ 、、 ， FLS2
／ 、 ～ ～ ．．—
— d
4o～— 囟8o 16o 1 o
＼一，』r ～ -、。一——。
龄期／天
图3 干燥收缩率
F唔3 The rate of dry shrinkage
从图3中可以看出，随着水化的进行，7天后试件均出现
了收缩现象。原因是刚成型的试件含水率比较高，此时由失
水产生的干燥收缩大于试件水化产生的膨胀；7～14天，试件
中粉煤灰的水化过程逐渐占主导因素，随着水化产物的增
加，试件的体积有所膨胀；14～28天，水化进一步加速，仍由
水化产物造成的体积增加占主导作用，试件继续膨胀。9O天
时收缩率反而会下降，原因是试件的水化速度逐渐减慢，失
水造成的收缩大于水化产物所带来的膨胀，故试件的收缩率
有所下降；9O～]20天，水化已进行得比较缓慢，并且试件可
供蒸发的水分也很少，所以试件的体积趋于平衡。
对于垃圾卫生填埋场覆盖材料的收缩性要求，目前国内
外尚无统一的标准，但文献[9]认为，3O‰ ～40‰ 以内的收缩
对填埋场的影响不大。本实验的研究结果表明，FLS系统的
干燥收缩在此范围内，并且随着水化的进行逐渐表现出一定
的微膨胀作用。这有利于其密实度的增加，使抗渗透性能进
一步增强。
2．4 pH值的测量
按照上述方法分别于l天、7天、28天和9O天测量FLS1
和FI s2试件的pH值，结果见图4。从图4中可以看出，2
种FLS系统的试件在成型初期的pH值均较高，呈碱性，原
如 加 p
鋈蝌姆
生活垃圾卫生填埋覆盖材料的研究／范英儒等 · 69 ·
因是在反应初期半水石膏首先遇水并迅速凝结硬化，而粉煤
灰与熟石灰之间的化学激发反应速度较慢，早期仅在体系中
以填料的形式存在，此时，体系中有大量的Ca(oH)。未参与
反应，故试件的浸出液呈碱性。随着试件龄期的延长以及熟
石灰与粉煤灰中活性硅铝发生反应的持续进行，FLS系统的
强度不断提高，试件中未反应的Ca(OH) 逐渐减少，浸出液
的pH值降低，至28天时试件的浸出液已基本接近中性。因
此，作为垃圾覆盖材料FI s系统早期的高碱性条件可有效抑
制蚊蝇的滋生，中后期的中性环境条件又不会对垃圾的生物
降解和土地复垦产生负面影响。
12
10
8
6
o 2O 4O 60 80 l0O
龄期／天
图4 FLS系统pH值随龄期的变化
Fig．4 The pH value of FI S system
3 结论
(1)采用粉煤灰一石灰一煅烧石膏胶凝体系作为覆盖材料
对生活垃圾进行覆盖处理是一种有效的方法，具有显著的技
术优势和良好的社会经济效益。
(2)在粉煤灰一石灰一煅烧石膏胶凝体垃圾卫生填埋覆盖
材料中，较理想的材料质量配比是： (粉煤灰)：埘(煅烧石
膏)：m(熟石灰)一(75～70)：(10～15)：15。该胶凝体系
早期强度高，整体性优异，长期强度可持续发展。
(3)粉煤灰一石灰一煅烧石膏胶凝体系具有粘土材料所不
具备的排水阻水能力，抗渗透能力强且稳定性好。
(4)粉煤灰一石灰一煅烧石膏胶凝体系满足垃圾卫生填埋
场覆盖材料的收缩性要求，其收缩变形在9O～120天趋于平
衡。
(5)粉煤灰一石灰一煅烧石膏胶凝体垃圾卫生填埋覆盖材
料的pH值先呈碱性、28天后逐渐趋于中性的特点使其具有
良好的抑制蚊蝇滋生的功效和环境协调性。
≯ tp ≯ s ≯ p ≯ ； 、 、
(上接第62页)
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