含水率对非饱和城市垃圾炉渣强度的影响

靳 远,黄如花

(武汉大学 信息管理学院，湖北 武汉 430072)

含水率对非饱和城市垃圾炉渣强度的影响

靳 远,黄如花

(武汉大学 信息管理学院，湖北 武汉 430072)

为了研究含水率(质量分数)对城市垃圾炉渣强度特性的影响，对含水率10%～20%的城市垃圾炉渣进行了超声波波速试验及无侧限抗压强度试验。采用PFC 2D软件对不同含水率条件下的垃圾炉渣进行了模拟，得出垃圾炉渣强度特性随含水率变化的规律。试验结果表明：垃圾炉渣的最佳含水率为15%；含水率10%～20%时，超声波纵波波速及轴向压力随含水率的增加，表现为先增加后减小的趋势，在最佳含水率处达到峰值。PFC 2D软件模拟结果表明：含水率约15%时，垃圾炉渣强度最大，试验验证了垃圾炉渣强度随含水率的变化规律。

城市垃圾炉渣；强度特性；含水率

0 引言

目前，城市生活垃圾的处理主要采用焚烧方式，垃圾焚烧炉渣处置困难的问题变得日趋严重[1]。同时，由于中国公路的大规模建设导致道路建设材料日益短缺，如能将垃圾炉渣作为道路建设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[2]。

由于垃圾炉渣的稳定性好，其物理性质和工程性质与天然骨料相似，并且容易进行粒径分配，可以用于新型建设替代材料[3]。文献[1]从能源消耗、资源及环境排放等方面，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。文献[2]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、承载比和烧失量等公路土工试验。文献[4]将生活垃圾炉渣用作混合材料，对其水泥性能及环境安全性的影响因素进行了研究。文献[5]通过分析中国城市生活垃圾的处理现状，寻找中国城市生活垃圾在收集、清运、管理和处置等环节中难以取得突破的原因，并提出了合理的对策。文献[6]以武汉市某垃圾焚烧厂的垃圾焚烧底渣为研究对象，进行了扫描电镜分析、能量色散X射线荧光光谱检测、颗粒筛分试验、击实试验和直剪试验，以分析其化学成分、物理性质、表观特征和工程特性。

在国外，文献[7]探讨了垃圾炉渣在重金属污染的土壤中的应用。文献[8-10]对于垃圾炉渣混凝土的物理特性、化学分析、力学特性以及工作性能进行了研究，取得了一定的成果。文献[11]针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。同时，国外已经开始将城市垃圾炉渣用于道路建设。但是，对城市垃圾炉渣的研究多是基于工程应用，对其强度特性的影响因素研究较少。

目前，对于生活垃圾焚烧炉渣的物理力学性质的研究较少，尤其是含水率对垃圾炉渣强度特性的影响仍需深入探讨。超声波波速的变化与材料的强度变化具有密切关系，在一定程度上能反映岩土体的力学与强度特性[12]。无侧限抗压强度试验可以直观地显示材料的非饱和强度变化。因此，本文采用超声波方法，针对不同含水率条件下的垃圾炉渣试样，进行超声波波速试验及无侧限抗压强度试验。同时，采用PFC 2D软件对不同含水率条件下炉渣的变形特性进行了模拟，探讨了含水率对非饱和垃圾炉渣变形特性的影响。

1 材料特性

城市生活垃圾炉渣是生活垃圾在垃圾发电厂经高温燃烧处理后的副产品，包括炉排上残留的焚烧残渣和从炉排间掉落的固体颗粒物[2]。从垃圾炉渣的基本特性与成分来看，类似于沙石材料，粒径分布基本符合道路建设材料的级配要求，抗压强度大，压实到高承载力的状态，可用于路基填筑。垃圾炉渣为黑褐色，含水率(质量分数，下同)为10%～20%[2]。对垃圾炉渣进行扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)分析，炉渣颗粒呈不规则角状，颗粒大小差别较大，大颗粒表面黏附了较多的小颗粒。

采用电动击实仪以及T0131—2007土的击实试验中的重型击实(Ⅱ-2)试验方法，可以得到垃圾炉渣的最大干密度及最佳含水率分别约为1.524 g·cm-3和15.5%[2]，该垃圾炉渣属于级配良好砾类土，其级配组成满足《公路路基设计规范》[13]。含水率低于最佳含水率后曲线较陡，而含水率大于最佳含水率后曲线较缓。由此可知：垃圾炉渣在含水率变化较大的范围内，表现出了较好的压实性能。实际施工过程中，为保障路基的压实度，应严格控制垃圾炉渣的含水率，对垃圾炉渣也可适当堆放，降低含水率，但是堆放时间不宜太长。

2 试样制备和试验方法

2.1 试样制备

试验采用粒径2 mm内的垃圾炉渣，在室内选择粒径小于5 mm的垃圾炉渣原材料，用2 mm孔径的筛子筛出。试样制备方法如下：均匀拌和加水后的垃圾炉渣使其含水率约为15%，按照不同的干密度(1.4 g/cm3、1.5 g/cm3和1.6 g/cm3)在试样对开模中分5层击实，使每层质量相同，每装一层用击锤轻压使其接触密实；把接触面轻微刮擦一下，使每两层接触紧密，以免造成装样分层现象。试样制备完成后将其放在室内养护，待达到养护龄期后将其从试样模中取出，并准确测量试样的高度、直径及质量。

2.2 试验方法

待超声波测试系统调试完毕后，将试样的尺寸准确输入检测分析仪，将试样放置于平整的桌面上开始进行超声波测量。当超声波检测分析仪界面的波形出现标准波形时，开始进行数据采集。试样的波速测定不仅与含水量、干密度和温度等有关，还与换能器两端面与试样端面之间声耦合状况以及换能器两端加压力温度程度有关[14]。因此，本试验采取以下措施确保测试的精确性：(1)对垃圾炉渣的含水率和干密度精确测定，并且在整个试验过程中，用保鲜膜裹住试样并在尽量短的时间内完成试样检测，以保证含水量和干密度的稳定；(2)在室内常温下，使试验温度波动不超过±1 ℃；(3)换能器端面与垃圾炉渣试样两端尽可能地充分接触耦合，并且保持接触压力稳定；(4)进行不同温度条件下的超声波波速测量时，采用恒温装置确保温度在较小范围内波动。对垃圾炉渣试样进行无侧限抗压试验，其试验方法不再详述。

3 试验结果

3.1 超声波波速试验

图1 干密度1.4 g/cm3时不同初始制样含水率垃圾炉渣的超声波纵波波速

材料的超声波波速可以反映材料的强度变化，材料的超声波波速与其强度变化表现为正相关关系[12]。以干密度1.4 g/cm3的垃圾炉渣试样为例进行超声波波速试验，研究初始制样含水率w及养护龄期对垃圾炉渣超声波波速的影响。干燥度1.4 g/cm3时,不同初始制样含水率垃圾炉渣的超声波纵波波速如图1所示。图1表明：相同条件下，干密度1.4 g/cm3垃圾炉渣的超声波纵波波速随养护龄期的增加而变大。初始制样含水率为15%时，养护龄期7 d的超声波纵波波速约为1 180 m/s；养护龄期14 d的超声波纵波波速约为 1 205 m/s；养护龄期28 d的超声波纵波波速约为1 230 m/s。此外，初始制样含水率对垃圾炉渣的超声波纵波波速也有影响，初始制样含水率10%～20%时，炉渣试样的超声波纵波波速随含水率的增加表现为先变大再减小的趋势；初始制样含水率约15%时，超声波纵波波速达到峰值；初始制样含水率15%～17%时，超声波纵波波速减小速率较快；初始制样含水率19%时的超声波纵波波速最小。由此可知：垃圾炉渣的超声波纵波波速在最佳初始制样含水率达到最大值。

3.2 无侧限抗压强度试验

图2 养护龄期3 d、干密度1.4 g/cm3垃圾炉渣无侧限抗压强度试验

以干密度1.4 g/cm3的垃圾炉渣为例，对养护龄期 3 d、 不同初始制样含水率w的垃圾炉渣试样进行无侧限抗压强度试验，结果如图2所示。由图2可知：含水率15%时的轴向压力最大；初始制样含水率13%时轴向压力比含水率15%时降低约0.03 kN；初始制样含水率17%比初始制样含水率13%时轴向压力降低约0.02 kN；初始制样含水率10%和19%时轴向压力最低；而初始制样含水率19%较含水率10%轴向压力略低。由此可知：垃圾炉渣的轴向压力随着初始制样含水率的增加表现为先增加后减小的趋势，初始制样含水率15%时达到最大。初始制样含水率对垃圾炉渣的轴向压力影响较大，最佳初始制样含水率附近轴向压力较大。

4 PFC 2D软件模拟

4.1 模型介绍

PFC 2D软件将材料看成是由颗粒和胶结体组成，分别由刚性颗粒单元和键来模拟，采用黏结颗粒模型(bonded particle model，BPM)将小颗粒组成不同粒径的大颗粒。将随机分布的大颗粒放在四面墙组成的“盒子”中，模拟在荷载作用下颗粒的压缩变形、破碎。具体参数如下：密度为 1.524 g/cm3；摩擦因数为0.5；颗粒法向切向刚度比b_kn/b_ks=1.0；颗粒压缩模量Ec=50 GPa；法向联结强度σn=200 MPa；切向联结强度σs=200 MPa；颗粒的法向刚度b_kn=2Ect，其中，t为颗粒直径。

4.2 垃圾炉渣颗粒变形及强度变化规律

颗粒在压缩变形过程中发生的破碎会使材料强度软化，一般将应力-应变曲线上对应出现的第一个明显的峰值强度作为颗粒的破碎强度。与单颗粒破碎一样，多个颗粒在外荷载作用下的应力-应变曲线在第一个峰值出现后会伴随着多个峰值强度，即破碎始终伴随着变形过程，直到颗粒不再发生破碎而是发生屈服，此时对应的颗粒级配曲线几乎不再变化。以含水率w=15%的垃圾炉渣试样为例，压缩过程中不同轴向应变时的压缩变形破碎图及颗粒间力链图见图3和图4，垃圾炉渣颗粒间的力链变化随其破碎程度发生改变。最初试样受压时，最边缘的颗粒受力后将荷载向内部传递，在力链路径上的颗粒所受的力较大，当外力大于破碎强度后颗粒开始破碎。从图3和图4中可以看出：粒径大的颗粒更容易发生破碎。由颗粒正在发生破碎的力链图可知颗粒破碎方式主要为剪切破碎。轴向应变10%的颗粒间空隙较轴向应变20%的颗粒间空隙大很多，由此可知：随着垃圾炉渣轴向应变增加，颗粒间的压缩空间逐渐减小，垃圾炉渣内的力链传播更加均匀，也即颗粒受力更均匀，随着轴向应变的增加，垃圾炉渣颗粒间更加密实。

图3 轴向应变为10%时的压缩变形破碎图和颗粒间力链图 图4 轴向应变为20%时的压缩变形破碎图和颗粒间力链图

表1 不同含水率垃圾炉渣试样破坏时的最大轴向应力模拟结果

利用PFC 2D软件对不同含水率条件下垃圾炉渣试样破坏时轴向应力的模拟结果如表1所示。由表1可知：炉渣试样破坏时的最大轴向应力随含水率的增加表现为先增加后减小的规律，含水率为14%时，最大轴向应力达到峰值。由此可知：采用PFC 2D软件针对垃圾炉渣建立模型的模拟计算结果与室内试验结果相近，从而验证了垃圾炉渣试样的强度随含水率变化的规律。

5 结论

(1)含水率对垃圾炉渣的强度具有较大影响。含水率10%～20%时，其超声波纵波波速表现为先增加后减小的趋势。轴向压力也表现为先增大后变小，在接近最佳含水率15%时达到峰值。

(2)垃圾炉渣的超声波波速试验与无侧限抗压强度试验结果相吻合。超声波波速试验在实际工程应用中，可以快速、有效地测量垃圾炉渣的强度变化，为其在工程应用中提供可靠依据。

(3)本文用离散元PFC 2D软件，模拟了不同含水率条件下垃圾炉渣颗粒在单轴压缩下的破碎与变形过程。含水率对垃圾炉渣颗粒的强度特性有明显的影响，含水率10%～20%时，垃圾炉渣的强度表现为先增加后减小的趋势。

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国家自然科学基金项目(41401107)

靳远(1978-),男,河南郑州人,高级工程师,硕士生;黄如花(1968-),女,湖北武汉人,教授,博士,博士生导师,主要从事信息检索与咨询方面的研究.

2016-05-27

1672-6871(2017)02-0031-04

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2017.02.006

U414

A