城市生活垃圾焚烧炉渣的三轴试验研究★

蔡吉圣 黄 铭 徐永福

(1.泰州市城市管理局，江苏 泰州 225300； 2.泰州市公路管理局，江苏 泰州 225300；3.上海交通大学，上海 200240； 4.河海大学文天学院，安徽 马鞍山 243100)



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城市生活垃圾焚烧炉渣的三轴试验研究★

蔡吉圣1黄 铭2徐永福3,4

(1.泰州市城市管理局，江苏 泰州 225300； 2.泰州市公路管理局，江苏 泰州 225300；3.上海交通大学，上海 200240； 4.河海大学文天学院，安徽 马鞍山 243100)

采用常规三轴试验，测试了饱和炉渣的剪切强度，分析了饱和炉渣的破坏模式和强度随龄期的变化规律，结果表明：围压小的试验中，饱和试样破坏模式为脆性破坏；围压大的试验中，饱和试样破坏模式为塑性破坏；饱和试样的内摩擦角基本不随龄期变化，粘聚力随龄期增加而增加。

生活垃圾，炉渣，三轴试验，内摩擦角，粘聚力

1 概述

城市生活垃圾中存在大量高热值的物质，焚烧会放出热量，可用来发电。城市生活垃圾焚烧发电能大幅度缩减垃圾体积，减少了土地资源的占用量[1]。垃圾焚烧发电具有减量化、无害化、资源化三大优势而得到国人的青睐[2]。城市生活垃圾中有机物质和无机物质经焚烧高温转化为结晶物质，产生焚烧灰渣，城市生活垃圾焚烧灰渣主要由飞灰和炉渣组成，飞灰和炉渣排放比例大约是20/80，炉渣为主[3]。飞灰中富集了重金属元素和二英类有机物，危险废物进行处理[4]。炉渣与粉煤灰成分相同，富含SiO2，Al2O3和Fe2O3等成分，可以资源化利用[5,6]。从炉渣的基本特性和成分看，与砂石类似，最直接的想法是用于路基填筑[7]。卢佩霞等[8]以扬州市生活垃圾焚烧发电厂的炉渣为研究对象，进行了筛分、含水率、击实、CBR、烧失量等试验，得出炉渣适合作为二级及以下等级公路的路基填料的结论。城市生活垃圾焚烧炉渣(简称炉渣)用作路基填料，需要确定炉渣的剪切强度。本文采用常规三轴试验测试饱和炉渣的剪切强度，分析了炉渣试样的破坏模式和强度随龄期的变化规律。

2 试验结果分析

炉渣试样取自江苏省泰州市垃圾焚烧发电厂，炉渣经过粉碎、过2 mm筛，然后加水拌合，击实成三轴试样。三轴试验中，试样的干密度分别为1.4 g/cm3，1.5 g/cm3和1.6 g/cm3，围压分别为50 kPa，100 kPa，200 kPa和400 kPa，剪切速率为0.166 mm/min。炉渣试样饱和是试样中孔隙逐渐被水填充的过程，孔隙被水充满的土称为饱和土。采用抽气饱和法，将试样装入饱和器后置于干净、注入清水的密封缸内，对密封缸抽真空，当密封缸内水不出现气泡后，保持抽真空时间为12 h。炉渣试样的养护龄期分别为3 d，7 d，14 d和28 d。

2.1 炉渣的应力─应变关系

三轴试验中，炉渣试样的应力─应变关系如图1所示。图1中分别表示了不同围压、不同干密度和不同龄期试样的应力─应变关系。图1a)中表示了干密度ρd=1.5 g/cm3、龄期t=28 d的炉渣试样在不同围压条件下的应力─应变关系，从图1a)中看出，围压越大，炉渣试样的应力─应变关系峰值表现的越不明显。随着围压增加，炉渣试样的破坏模式由脆性破坏转化为塑性破坏。图1b)表示了龄期t=28 d、干密度不同的炉渣试样在围压σ3=100 kPa条件下的应力─应变关系，从图1b)中看出，干密度越大，炉渣试样的应力─应变关系峰值表现的越明显。三种不同干密度的炉渣试样，在围压σ3=100 kPa条件下的破坏模式均为脆性破坏。图1c)表示了干密度ρd=1.5 g/cm3、龄期不同的炉渣试样在围压σ3=100 kPa条件下的应力─应变关系，从图1c)中看出，干密度ρd=1.5 g/cm3、龄期不同的炉渣试样在围压σ3=100 kPa条件下的破坏模式均为脆性破坏。

炉渣在三轴试验中的破坏模式如图2所示。炉渣在三轴试验中的破坏模式表现为脆性破坏和塑性破坏。炉渣在三轴试验中的破坏模式主要受围压影响，围压越大，塑性破坏的可能性越大。围压σ3<200 kPa，炉渣的破坏模式为脆性破坏。在围压σ3<200 kPa的三轴试验中，随着轴向应力增大，试样内的应力不断增加，试样开始出现裂缝。试样的裂缝从顶、底面开始，多数裂缝表现为垂直顶、底面的张裂缝。裂缝逐渐向试样中部发展，形成倾斜的剪切裂缝，如图2a)所示。围压σ3>200 kPa，炉渣的破坏模式为塑性破坏。在围压σ3>200 kPa的三轴试验中，随着轴向应力增大，试样内的应力不断增加，试样出现鼓胀现象，试样鼓胀并不一定是从试样中部开始，常常是从试样的顶、底面开始，可能与顶、底透水石的排水有关，如图2b)所示。

2.2 炉渣的剪切强度参数

根据Mohr-Coulomb强度准则，剪切强度表示为：

τf=c+σtanφ

(1)

其中,τ和σ分别为剪切强度和正应力；c和φ分别为粘聚力和内摩擦角。炉渣试样内任一点的应力状态可以用莫尔应力圆来表示，强度包络线与一组极限应力状态下的莫尔圆相切，包络线在τ轴上的截距为粘聚力c，包络线与σ轴夹角为内摩擦角φ。

炉渣在三轴试验中的极限应力莫尔圆如图3所示。图3中表示了干密度ρd=1.5 g/cm3、龄期t=28 d的炉渣试样在σ3=50 kPa，100 kPa，200 kPa和400 kPa的不同围压组合的莫尔圆。图3a)是围压σ3=50 kPa和100 kPa的莫尔圆，试样的粘聚力和内摩擦角分别为144.3 kPa和56.4°；图3b)是围压σ3=100 kPa和200 kPa的莫尔圆，试样的粘聚力和内摩擦角分别为219.7 kPa和51.2°；图3c)是围压σ3=200 kPa和400 kPa的莫尔圆，试样的粘聚力和内摩擦角分别为673.8 kPa和29°；图3d)是围压σ3=100 kPa和400 kPa的莫尔圆，试样的粘聚力和内摩擦角分别为371.4 kPa和40.1°；图3e)是围压σ3=50 kPa和400 kPa的莫尔圆，试样的粘聚力和内摩擦角分别为261.8 kPa和43.9°；图3f)是围压σ3=50 kPa和200 kPa的莫尔圆，试样的粘聚力和内摩擦角分别为175.3 kPa和53.2°。从图3中的剪切强度参数看出，与围压σ3=400 kPa的应力莫尔圆组合得到的粘聚力都偏大、内摩擦角都偏小。说明在围压σ3=400 kPa的三轴试验中，极限轴向应力减小，说明应力莫尔圆的包络线不是直线，而是向σ轴弯曲的抛物线，如图4所示。

为了得到炉渣的粘聚力和内摩擦角，选取两个围压的应力莫尔圆采用Mohr-Coulomb强度准则(式(1))确定炉渣的粘聚力和内摩擦角。选取围压σ3=50 kPa和400 kPa的莫尔圆，确定炉渣的粘聚力和内摩擦角，如图5所示。随着龄期增加，炉渣的粘聚力增加，炉渣的粘聚力与龄期呈对数函数相关；随着龄期增加，内摩擦角基本不变。不同龄期的炉渣，干密度不同，内摩擦角略有差异。干密度ρd=1.4 g/cm3，ρd=1.5 g/cm3和ρd=1.6 g/cm3的试样的内摩擦角分别为38.2°，44.6°和41.9°。炉渣的粘聚力随干密度增加而增加，粘聚力显著增加。

3 结语

根据饱和炉渣的三轴试验，得到以下结论：1)饱和炉渣的破坏模式分为脆性破坏和塑性破坏，围压对饱和炉渣的破坏模式影响最显著。在围压σ3<200 kPa的三轴试验中，不同干密度和不同龄期的试样均表现为脆性破坏；在围压σ3>200 kPa的三轴试验中，不同干密度和不同龄期的试样均表现为塑性破坏。2)由不同围压的三轴试验的莫尔应力圆得到的粘聚力和内摩擦角不同，炉渣的应力莫尔圆的包络线不是直线，而是抛物线。3)不同干密度的炉渣的内摩擦角略有不同，随着龄期增加，炉渣的内摩擦角基本不变；炉渣的粘聚力随干密度增加而增加，随龄期增加而增加，粘聚力与龄期呈对数函数关系。

[1] 李宝玲，宋远明，丁 天.生活垃圾焚烧炉渣特性研究[J].粉煤灰，2013(6)：20-21.

[2] 刘军伟，雷廷宙，杨树华，等.浅议我国垃圾焚烧发电的现状及发展趋势[J].中外能源，2012(6)：29-34.

[3] 张 倩，徐海云.生活垃圾焚烧处理技术现状及发展建议[J].环境工程，2012(2)：79-81.

[4] 罗忠涛，肖宇领，杨久俊，等.垃圾焚烧飞灰有毒重金属固化稳定技术研究综述[J].环境污染与防治，2012(8)：58-62.

[5] 王国安，刘 伟，田国华.城市生活垃圾处理技术及焚烧炉渣资源化利用研究进展[J].江苏建筑，2014(6)：96-98.

[6] Li X.-G.,Lv Y.,Bao-Guo Ma B.-G.,et al..Utilization of municipal solid waste incineration bottom ash in blended cement[J].Journal of Cleaner Production,2012(32):96-100.

[7] 石爱娟，何品晶，邵立明.城市生活垃圾焚烧炉渣工程性质研究[J].环境工程，2004，22(1)：47-50.

[8] 卢佩霞，殷成胜，王会芳.垃圾炉渣用于路基填筑的土工特性试验分析[J].筑路机械与施工机械化，2015(9)：51-54.

Triaxial tests on Municipal Solid Waste Incinerator(MSWI) bottom ash★

Cai Jisheng1Huang Ming2Xu Yongfu3,4

(1.BureauofTaizhouCityAdministration,Taizhou225300,China; 2.BureauofTaizhouHighwayAdministration,Taizhou225300,China;3.ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China; 4.WentianCollegeofHohaiUniversity,Ma’anshan243100,China)

The paper adopts the regular triaxial test to measure the shearing strength of the saturated cinder, analyzes the damage model of the saturated cinder and the change rule for the strength along with the ages, proves by the result that the damage model of the saturated sample is called the brittle fracture in the test with little ambient pressure, the damage model is named the plastic failure in the test with bigger ambient pressure, the inner friction angle of the sample doesn’t change with the ages and the cohesive force increases along with tine ages.

living waste, cinder, triaxial test, inner friction angle, cohesive force

1009-6825(2016)13-0195-03

2016-02-25★:国家自然科学基金资助项目(项目编号：41272318，41472251)

蔡吉圣(1961- )，男，高级工程师； 徐永福(1967- )，男，博士，博士生导师，教授

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