市政污泥的无害化处理及资源化利用已成为国际环境岩土工程领域的研究热点。污泥固化后可有效改善堆填体的力学特性,提高填埋场安全性能以及处理处置效率。固化污泥处置过程中将长期面临环境因素(如温度、水分等)的考验,其内在机理和变化特征的认识缺乏系统性,且亟待完善。为此,本文以污泥理化特性和改性理论为基础,结合室内单元体-模型体试验,提出了一种以垃圾焚烧底渣为骨架基体的市政污泥固化工艺,开展了不同环境因素(浸水、冻融循环、干湿循环)作用下污泥固化体微观结构和力学特性试验,分析了环境因素作用下固化污泥孔隙结构及强度的变化机理,揭示了浸水、冻融循环、干湿循环对固化污泥微观和力学特性影响的内在机制,以上成果为固化污泥填埋处置可行性及安全运行评价提供了基础数据。本文的主要研究内容和成果如下:(1)提出了一种以垃圾焚烧底渣为骨架基体的市政污泥固化工艺,得到了固化污泥的物理力学性质:分别从垃圾焚烧底渣的含量、颗粒尺寸大小以及垃圾焚烧底渣级配研究骨架颗粒特性对骨架构建的固化污泥含水率、有机质含量、pH值、增容比、无侧限抗压强度、抗剪强度以及渗透系数等物理力学特性的变化规律,结果表明:垃圾焚烧底渣作为骨架构建体协同固化污泥,能在污泥固化体中起到良好的骨架作用,垃圾焚烧底渣颗粒在固化污泥中的骨架作用随着污泥固化强度的提高而提高,且大颗粒以及级配良好的垃圾焚烧底渣更易形成稳固的空间骨架结构,在固化污泥的抗压强度中起到更加有效的作用。(2)开展了固化污泥填埋模型试验,揭示了固化污泥体演化特性:以常用的固化剂固化污泥柱体作为对比,长期对不同固化剂固化污泥填埋柱体温度、含水率、有机质、pH值进行监测,定期收集固化污泥产生的填埋气以及渗滤液的情况,结果表明:污泥固化体没有出现明显的生化反应,固化体的生化反应引起温度和含水率变化不明显,对于填埋后的稳定运行具有积极作用,但周围环境温度对固化体影响较大,需要重视环境荷载作用的影响。固化污泥pH与时间无关,主要与选用的固化材料和工艺有关,因此,固化剂及其工艺的选取对于固化污泥的长期稳定性影响显著。(3)研究了固化污泥在浸水作用下的长期力学及变形特性:研究固化污泥在自身水及外部水浸水环境作用下,固化污泥的长期强度力学特性;研究浸水发生时间及浸水持续时间对固化污泥强度力学特性的影响规律,结果表明:外界水对污泥固化体特性影响强于固化体内部水,但是在短期内难以改变固化污泥的力学强度特性,长期浸水(试验中在120-150d)会引起固化污泥的软化,导致力学强度缓慢降低。(4)研究了固化污泥在冻融循环作用下的力学及微观结构特性:考察冰冻发生时间、冰冻持续时间及循环作用次数对固化污泥力学及渗透特性的影响,并从微观结构进行分析,结果表明:冻融作用对固化污泥影响的大小与冰冻时固化污泥强度有关,强度越大,受冻融作用后的破坏越小;第1次冻融循环作用过程对固化污泥强度及渗透系数影响最大,使强度衰减30%,渗透系数增大80%;随着冻融循环次数的增加,固化污泥强度逐渐降低,经过56次后基本保持恒定;渗透系数逐渐增大,经过6～7次后基本保持恒定,渗透系数的变化较无侧限抗压强度变化表现出微弱的滞后性。(5)研究了固化污泥在干湿循环作用下的微观结构及力学特性:研究污泥初始含水率对固化污泥孔隙及力学特性影响,同时研究固化污泥在干湿循环作用下强度及渗透特性变化规律,结果表明:第1次干湿循环作用对固化污泥体积、无侧限抗压强度以及渗透特性影响最大,而第2次以后的干湿循环作用会引起固化污泥体积以及渗透系数的微弱减小,但是会使得无侧限抗压强度的大幅衰减;垃圾焚烧底渣骨架构建体可以有效抵抗固化污泥在干湿过程中的体积变化,但是容易开裂。