城市垃圾炉渣变形特性的三轴试验*

宋丹青　项国圣

(上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海200030)



城市垃圾炉渣变形特性的三轴试验*

宋丹青项国圣

(上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海200030)

为研究垃圾炉渣的变形特性，首先对其材料特性进行分析，然后针对不同粒径分布、浸水时间及破坏后的重塑垃圾炉渣进行饱和三轴固结排水剪切试验，测得不同围压下的固结排水剪应力-应变曲线以及有效应力比曲线形态等工程特性.结果表明：炉渣的粒径分布、浸水时间是影响炉渣变形特性的重要因素；对于粒径不大于2 mm的炉渣，其强度随大颗粒含量的增加而减小，随浸水时间的延长而小幅度降低；破坏后重塑试样的强度与初始试样相比也有所下降；与标准砂相比，炉渣的应力-应变曲线峰值出现得相对较快.

城市垃圾；炉渣；粒径分布；浸水时间；围压；固结排水剪切试验

目前城市生活垃圾主要采用焚烧方式处理，随着垃圾炉渣日益增多，处置困难的问题也变得日趋严重[1-2].随着我国公路的大规模建设，道路建设材料日益短缺，如能将垃圾炉渣作为铺路的替代材料进行资源化利用，既可缓解道路建设材料短缺等问题，又可节省用以填埋的土地资源[3].

由于垃圾炉渣的物理、工程性质与天然骨料相似，故可用于新型建筑替代材料[4].陈德珍等[2]研究了采用垃圾焚烧炉渣替代部分碎石集料铺路的可行性；张涛等[3]研究了将垃圾炉渣用于混凝土的可行性以及其在混凝土中的最佳替代率等问题；谢燕等[5]对生活垃圾炉渣的物理及化学性质进行了分析；卢佩霞等[6]针对垃圾炉渣用于路基填筑进行了土工特性试验分析；张锐等[7]分析了垃圾炉渣骨料对混凝土抗压强度的影响；Hjelmar等[8]对垃圾炉渣用于道路建设中对环境的影响进行了风险评估；Maria[9-10]利用重复加载三轴试验及循环荷载三轴试验对垃圾炉渣进行了研究，分析表明垃圾炉渣的弹性模量与沙相似，有机质含量降低1/2将使弹性模量增加50%；Becquart等[11]针对垃圾炉渣进行了饱和固结排水三轴试验，分析了垃圾炉渣的体应变变化规律；Zekkos等[12]采用饱和三轴固结排水试验分析了不同围压时的垃圾炉渣的应力-应变曲线，得出了垃圾炉渣的粘聚力及内摩擦角.在国外，垃圾炉渣已经开始被用于道路建设[8，13-14].

目前，针对垃圾炉渣的研究多是关于其材料特性及其应用方面的研究，但是，对于垃圾炉渣应用于路基填筑时影响其强度及变形特性的因素有待深入探讨.目前，室内饱和试样三轴试验是获取材料变形特性及强度的重要方法之一[15].文中针对城市垃圾炉渣进行不同围压下的饱和固结排水三轴试验，探讨了粒径含量、浸水时间、围压及破坏后试样重塑对其应力-应变关系和强度特性的影响.

1　材料特性与试验方案

1.1材料特性

图1　原状炉渣及试验用炉渣

Fig.1Original state of MSWI bottom ash and used for test of MSWI bottom ash

采用PANalytical X’pert PRO型X射线衍射仪对垃圾炉渣进行XRD分析，结果如图4所示；由分析结果可知垃圾炉渣中含有大量的Na+、Ca+、K+等离子，垃圾炉渣的主要成分如表1所示.由图4可见，SiO2的衍射峰较为明显，表明其矿物组成主要为SiO2，还含有少量的CaCO3、CaAl2Si2O8，可能还含有少量的C2S、Fe3O4.炉渣的XRD图片衍射锋尖锐、背景较低、馒头峰很弱，表明其中非结晶玻璃体含量很低，属于粘土类物质.

图2　试验用炉渣的颗粒分布曲线

图3　试验用炉渣含水率与干密度的关系

Fig.3Relationship between water content and dry density of MSWI bottom ash

图4　炉渣的XRD图

Table 1The chemical components of MSWI bottom ash used for test%

SiO2CaOAl2O3Fe2O3烧失量51.213.83.373.224.15

1.2试验方案与试验方法

本试验使用SJ-IA.G型三轴剪力仪，针对炉渣进行饱和固结排水试验，并且与饱和的福建标准砂固结排水试验进行对比.试样制备方法如下：将炉渣含水率控制为约15%，按照不同的干密度在试样对开模中分5层击实，使每层质量相同，每层用击锤轻压使其接触密实，然后把接触面轻微刮擦一下，以免造成装样分层现象.试样制备完成后放在室内进行养护，将其从试样模中取出后准确测量试样的高度、直径及质量.饱和炉渣固结排水试验方法如下：将炉渣试样放入真空饱和装置，开启真空泵进行抽气饱和，其中试样饱和是试验的关键.在试样抽气饱和12 h后将其放置于三轴仪内，设置围压后打开围压阀，关闭反压阀及排水阀进行固结，待试样固结12 h后开始进行试验，采用TSW-5土工试验数据采集与处理系统进行数据采集.

2　试验结果与分析

2.1 应力-应变关系

2.1.1颗粒粒径对应力-应变曲线的影响

图5　饱和炉渣CD试验结果

由图5可知，围压100 kPa时，试样A的主应力差峰值稍大于试样B的主应力差峰值；围压200 kPa时，试样A主应力差峰值比试样B高出约400 kPa，且试样B主应力差峰值出现相对较晚.由此可见，不同粒径含量对试样的强度有一定程度的影响，试样A与试样B相比，试样A的主应力差峰值更大.这与颗粒间的微观结构有关，由于A试样的颗粒分布更均匀、小颗粒含量较多，一方面小颗粒作为较大颗粒间的填充介质减小了孔隙比，另一方面作为连接大粒径颗粒间的连接介质增大了炉渣的粘聚力；围压引起的孔隙体积的压缩量较小，所以峰值会提前出现；另外，试样A颗粒间空隙较小，围压不仅压缩了孔隙体积，而且改变了颗粒的微观结构，使颗粒间排列更加紧密，从而使颗粒骨架强度升高，进而导致其抗剪强度增大.

2.1.2浸水时间对应力-应变曲线的影响

直如朱丝绳，清如玉壶冰。何惭宿昔意，猜恨坐相仍。人情贱恩旧，世路逐衰兴。毫发一为瑕，丘山不可胜。食苗实硕鼠，玷白信苍蝇。凫鹄远成美，薪刍前见凌。申黜褒女进，班去赵姬升。周王日沦惑，汉帝益嗟称。心赏固难恃。貌恭岂易凭？古来共如此，非君独抚膺。（鲍照《代白头吟》）

以粒径不大于2.0 mm垃圾炉渣为例，将干密度1.5 g/cm3的试样放入水中，分别将浸水时间控制为12、18及24 h，然后抽气饱和进行固结排水三轴剪切试验，养护龄期3 d、不同围压、不同浸水时间时的应力-应变曲线如图6所示.

图6　干密度为1.5 g/cm3试样的应力-应变曲线

由图6可见：围压100 kPa时，炉渣表现出应变软化特性，在轴向应变约为1.5%时出现主应力差峰值；围压200 kPa时，炉渣表现出应变软化特性，其主应力差峰值在应变约为2.5%时出现；浸水时间相同时，随着围压的增加，炉渣的主应力差峰值对应的应变也随之增大.不同围压及不同浸水时间条件下，干密度为1.5 g/cm3的炉渣的应力-应变关系基本上表现为应变软化型.

由图6可知，浸水时间对炉渣的强度有削弱作用，相同围压下，龄期3 d、浸水时间18 h的主应力差峰值较浸水时间为12 h的小.通过比较分析可知：相同围压下，浸水12 h的主应力差峰值最高；浸水18 h时试样的主应力差峰值有所降低；浸水24 h时，试样主应力差峰值最小.由此可知，随着浸水时间的增加，炉渣的最大主应力差有较小程度的下降.

2.1.3破坏重塑对应力-应变曲线的影响

对新鲜的炉渣进行CD试验破坏后的试样进行重塑，针对重塑炉渣进行饱和CD实验，对比初始试样的试验结果发现，重塑炉渣的强度比破坏前的强度有所下降.围压100和200 kPa条件下，龄期3 d时不同干密度的重塑炉渣试样及初始炉渣试样的应力-应变曲线如图7所示.

由图7可知，相同条件下，重塑试样的主应力差峰值比破坏前有所下降.围压100 kPa时，干密度1.4、1.5及1.6 g/cm3的重塑试样的主应力差峰值较破坏前分别约降低了100、80、65 kPa.由此可知，重塑试样的强度较破坏前的降低幅度随干密度的增大而减小.总体而言，重塑炉渣试样的强度与破坏前的新鲜炉渣基本相似.这主要是由于试样在破坏过程中轴向荷载的作用使颗粒间的孔隙变小，使颗粒间变得更加致密，造成小颗粒连接形成大颗粒；但是，在试样破坏后进行试样重塑时，大颗粒的含量较之前的新鲜炉渣有所增多，导致重塑试样颗粒间孔隙填充变差，孔隙率有所增加，因而在剪切过程中孔隙体积的压缩量有较小程度的增加，降低了重塑试样的抗剪强度.

图7　初始及重塑试样的应力-应变曲线

2.1.4围压对应力-应变曲线的影响

以龄期3 d、干密度1.5 g/cm3、粒径不大于2 mm的垃圾炉渣为例，不同围压下的应力-应变曲线如图8所示.

图8　不同围压下的应力-应变曲线

由图8可知，主应力差的峰值随围压增大而增大.这是由于材料在剪切之前，围压愈大，压缩量愈大，相对密实度愈大，颗粒之间的咬合能力及抗剪切变形能力愈强，变形模量愈大.这与Becquart等[11]的试验结果吻合.另外，围压与试样的破坏形态也有关系；干密度和围压较小时试样发生鼓胀破坏；围压较大时，发生剪切破坏.例如干密度为1.4 g/cm3的试样，在围压为50 kPa时发生鼓胀破坏，围压为100 kPa时发生剪切破坏.

2.1.5破坏形态的影响因素

试验过程中，试样的破坏形态主要为剪切型和鼓胀型，并与其龄期、干密度和围压有密切关系.随着围压的增加，破坏形态发生较大转变，龄期3 d、干密度1.5 g/cm3的炉渣试样在围压50、200、400 kPa时分别发生鼓胀型破坏(见图9(a))、具有明显剪切面的剪切型破坏(见图9(b))、上部鼓胀的剪切破坏(见图9(c)).

图9　炉渣试样在不同围压下的破坏形态

Fig.9Failure patterns of MSWI bottom ash samples under diffe-rent confining pressures

随着龄期的延长，试样的剪切破坏面更加明显，例如龄期3 d、干密度1.5 g/cm3的试样在围压100 kPa条件下表现为不明显的剪切破坏，而龄期14 d时表现为明显的剪切破坏.此外，干密度与破坏形态有关，龄期3 d、围压100 kPa条件下，干密度1.6 g/cm3的试样破坏剪切面比干密度1.4 g/cm3的试样破坏剪切面更为明显清晰.因此，干密度和围压较小时将出现鼓胀型破坏，随着干密度、龄期和围压的增加破坏形态向具有明显剪切面的剪切型过渡.

2.1.6与标准砂的对比分析

粒径不大于2 mm、干密度为1.5 g/cm3的炉渣试样及福建标准砂在围压100和200 kPa下的应力-应变曲线如图10所示.

图10　饱和砂和炉渣的应力-应变曲线

Fig.10Curves of stress-strain of saturated sand and MSWI bottom ash

2.2有效应力比的变化规律

试样A、B的有效应力比随应变的变化如图11所示.以干密度1.4 g/cm3的试样为例，重塑炉渣和新鲜炉渣的有效应力比随应变的变化见图12.

图11　试样A、B的有效应力比变化曲线

图12干密度为1.4 g/cm3的初始及重塑试样的有效应力比变化曲线

Fig.12Curves of effective stress ratio of initial and remoulded samples withρd=1.4 g/cm3

由图11可见：龄期及干密度相同条件下有效应力比均随围压的增大而减小；有效应力比峰值对应的应变随围压的增大而增大；有效应力比随应变的增加先表现为快速增长达到峰值，再快速下降达到稳定.相同条件下，试样A的有效应力峰值较大.

由图12可知，相同围压下，初始试样的有效应力比随干密度的增加而增加；重塑试样的有效主应力较初始试样小，其有效应力比随干密度的变化规律与初始试样基本相似.

2.3主应力差的变化规律

不同干密度的粒径不大于2 mm、龄期3 d的重塑炉渣的主应力差峰值与围压的关系如表2所示.

表2重塑试样的主应力差峰值与围压的关系

Table 2Relationship between maximum principal stress diffe-rence and confining pressure of remoulded samples

围压/kPa主应力差峰值/kPaρd=1.4g/cm3ρd=1.5g/cm3ρd=1.6g/cm350312417106410062510241627200103616522397400146222172653

由表2可知：相同条件下，重塑炉渣试样的主应力差峰值随着围压的增大而增大.比较不同干密度试样的主应力差峰值与围压的关系发现，不同干密度试样的主应力差峰值与围压呈线性增长关系；相同围压条件下，干密度越大试样的主应力差峰值越大.

3　结论

(1)粒径分布和浸水时间是影响垃圾炉渣变形特性的重要因素.对于粒径不大于2 mm的炉渣，大颗粒的含量越高，炉渣试样的强度越低.随浸水时间的增加，垃圾炉渣的强度有较小幅度降低.

(2)破坏后的重塑炉渣试样的强度与初始试样相比有所下降，且重塑试样的强度较破坏前的降低幅度随干密度的增大而减小.

(3)围压等级也是影响炉渣试样强度的重要因素之一，相同条件下随着围压的增加，炉渣试样的强度表现为逐渐增加的趋势；与标准砂相比，炉渣的强度较大，其应力-应变曲线峰值出现相对较快.

(4)试样的破坏形态与干密度、龄期及围压相关，龄期、干密度及围压较小时将出现鼓胀型破坏，随着干密度、龄期和围压的增加，炉渣试样的破坏形态向具有明显剪切面的剪切型过渡.

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s： Supported by the National Natural Science Foundation of China(41401107)and the National Program Key Basic Research Project of China(973 Program)(2014CB744701)

Triaxial Tests of Deformation Characteristics of Bottom Ash from Municipal Solid Waste Incineration

SONGDan-qingXIANGGuo-sheng

(School of Naval Architecture，Ocean and Civil Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200030，China)

In order to discover the deformation characteristics of MSWI (Municipal Solid Waste Incineration) bottom ash，the material characteristics were analyzed，and consolidated triaxial draining compression tests were carried out for the samples with various particle size distribution and immersion time as well as for the remoulded samples after destruction. Thus，the stress-strain curves and effective stress ratio curves of MSWI bottom ash at diffe-rent confining pressures were obtained. The results show that (1) particle size distribution and immersion time are two important factors influencing the deformation characteristics of MSWI bottom ash； (2) for the samples with a particle size being less than 2mm，the strength decreases as the content of large-size particles increases and slightly decreases with the prolonging of immersion time； (3) the strength of remoulded MSWI bottom ash decreases after the destruction； and (4) in comparison with that of the standard sand，the peak of stress-strain curve of MSWI bottom ash appears relatively faster.

municipal solid waste； bottom ash； particle size distribution； immersion time； confining pressure； consolidated draining compression test

1000-565X(2016)07-0116-07

2015-11-16

国家自然科学基金资助项目(41401107)；国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2014CB744701)

宋丹青(1989-)，男，博士生，主要从事岩土工程等研究.E-mail:015010910026@sjtu.edu.cn

U 414doi： 10.3969/j.issn.1000-565X.2016.07.018