城市固体垃圾炉渣的三轴试验研究

(上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240)

1 研究背景

当前，全球范围内垃圾的产生量日益剧增，其处理方式通常采用填埋、焚烧、回收、堆肥。中国目前仍然以焚烧方式为主(90%以上)，因此需要重点关注其对环境产生的影响，尽可能地实现废物再利用。

城市垃圾焚烧的产物主要是粉煤灰和炉渣，目前粉煤灰作为添加剂已经被广泛应用于混凝土和煤矿填充[1-2]，而炉渣可以替代骨料用于堤坝、路基垫层等[3-4]。Xie等[5]评估了城市垃圾炉渣作为路基材料的可行性，对比分析了饱和及不饱和炉渣的强度特征，并提出了简化的变形计算公式；Zekkos等[6]对密歇根填埋场炉渣进行了现场原位试验及室内试验，认为炉渣剪切强度大于普通砂土，饱和炉渣试样与非饱和试样在峰值强度及应力-应变响应方面存在较大差异；Ngoc等[7]通过反压饱和方式对炉渣试样进行了三轴固结排水试验，确定了割线模量、剪胀角、黏聚力、内摩擦角和屈服面等参数指标，认为炉渣性质与密砂类似；Weng等[8]研究了添加剂Al2O3含量对于炉渣长期力学性质的影响效果，结果表明Al2O3含量越高，单轴压缩和拉伸强度越低，在工程应用中越不利。宋丹青等[9]探讨了含水率对于生活垃圾炉渣强度特性的影响，炉渣强度及波速呈现先增大后减小的趋势，在最优含水率附近取峰值；冯世进等[10]利用大型三轴剪力仪进行固结排水剪切试验，结合大量强度参数提出了2种典型固体废弃物成分的强度参数；孙秀丽等[11]分析了不同初始孔隙比和有机物含量下城市固体垃圾的应力-应变-时间曲线演化规律。

目前针对炉渣的研究多集中在其材料特性以及工程应用方面，而对于其强度以及变形性能方面的研究还有待于进一步加强[12]。基于此，本文对不同干密度(ρd=1.4, 1.5, 1.6 g/cm3)的炉渣试样在不同龄期(t=3,7,14,28 d)下进行了不同围压(围压p=50,100,200,400 kPa)三轴固结排水试验，研究了抗剪强度与龄期的演化关系，同时利用Lambe平面方法计算得到不同龄期的抗剪强度参数(黏聚力、内摩擦角)。

图1 炉渣颗粒级配曲线Fig.1 Grading curve ofMSWI bottom ash

2 试验材料及方法

2.1 材料性质

试验所用垃圾炉渣取自江苏省南通市生活垃圾焚烧厂，首先将原状炉渣颗粒中的砖块等杂质剔除，然后进行筛分试验。本文试验用炉渣的颗粒级配曲线如图1所示，2 mm以上颗粒含量占到了60%，炉渣不均匀系数为15，级配良好，可以用作填筑材料。炉渣X射线荧光光谱分析(XRF)试验结果如表1所示，炉渣主要成分为CaO, SiO2, Fe2O，这3种氧化物的总质量含量达到了60%以上，对于炉渣性质起主要作用。

表1 炉渣氧化物成分及质量含量Table 1 Oxide components and corresponding masspercentage of MSWI bottom ash

图2 炉渣试样Fig.2 Specimen of bottomash

图3 试样剪切破坏形态Fig.3 Shear failurepattern

2.2 试验方法

将城市固体垃圾炉渣大颗粒敲碎，然后过2 mm的筛子，加水拌合至最优含水率22%。本文所用试样直径为39.2 mm，高80 mm，按照不同干密度大小可以计算出标准试样的质量，称取每一层所需质量，然后将炉渣在试样模中分5层击实制备炉渣试样。如图2所示。试样采用真空抽气饱和，将装好试样的饱和器浸没在装有清水的真空饱和缸中，然后进行连续的真空抽气处理，待抽气结束后静置一段时间，随后进行三轴固结排水剪切试验。固结过程中，当三轴体变管读数无变化时视为固结完成，随后进行排水剪切，剪切速率控制为0.066 mm/min，满足文献[7]提出的炉渣三轴固结排水试验中应控制剪切速率在0.009～0.144 mm/min。

3 试验结果分析

3.1 强度随龄期变化规律

三轴剪切试验结束后，试样剪切破坏形态如图3所示，剪切带明显，呈现显著的剪切型破坏。炉渣的应力-应变曲线关系以干密度ρd=1.4 g/cm3、龄期t=3 d试样的试验结果为例进行说明，如图4所示。在低围压下(p=50,100 kPa),炉渣呈现明显的应变软化特性，有明显的峰值强度，主要发生脆性破坏；随着围压的增大，炉渣硬化特征加剧。在高围压下(p=200,400 kPa)，炉渣呈现明显的应变硬化特性， 主要发生塑性破坏。

图4 炉渣应力-应变关系Fig.4 Stress-strain curves of MSWI bottom ash

根据试验结果，在干密度ρd=1.4 g/cm3，围压p=50,100,200,400 kPa时得到的炉渣峰值强度-龄期发展曲线如图5(a)所示，经过插值拟合验算，其强度发展规律符合对数关系y=a+bln(x)，相关系数均在90%以上，相关性良好。为了验证这一基本规律，采用同样的方法对干密度分别为ρd=1.5，1.6 g/cm3的试样结果进行了处理，结果如图5(b)、图5(c)所示。对数关系结果如表2所示，相关系数都>90%。因此可以认为城市固体垃圾炉渣的抗剪峰值强度与龄期符合对数关系，实际工程中可以利用这一发现来预测路基填筑工程的强度发展规律。

图5 不同围压的峰值强度-龄期拟合曲线Fig.5 Fitted curves of peak shear strength vs. curingage under varied confining pressure

炉渣的峰值强度与龄期的对数关系也说明：炉渣强度随着时间的增加而不断增大，在早期阶段(14 d以前)，强度增长迅速，随后增长速率变缓。峰值强度随龄期呈现对数关系主要原因在于：炉渣小颗粒之间的吸附作用不断增强；另外炉渣颗粒之间发生化学反应，氧化物含量最高的CaO与水发生化学反应生成氢氧化钙，其后二氧化硅等活性氧化物与氢氧化钙发生火山灰反应，生成水化硅酸钙等产物，从而使固体垃圾炉渣的强度不断提高。

表2 峰值强度-龄期拟合结果Table 2 Fitted result of peak shear strength againstcuring age

3.2 抗剪强度参数指标确定

图6 Lambe方法示意图Fig.6 Schematic diagramof Lambe approach

城市固体垃圾炉渣的强度包络线呈现非完全线性，可通过线性插值拟合的方式得到抗剪强度参数(黏聚力、内摩擦角)。徐永福[13]提出可以通过σ1-σ3坐标来分析抗剪强度指标。本论文采用由文献[7]指出的Lambe平面方法直观求得黏聚力和内摩擦角，参见公式(1)。见图6，横坐标为p=(σ1+σ3)/2，纵坐标为q=(σ1-σ3)/2，拟合得到直线的斜率为sinφ，与纵坐标的截距即为ccosφ，从而可以求得抗剪强度指标黏聚力c和内摩擦角φ。

(1)

炉渣三轴试验得到的不同围压下抗剪强度指标计算结果见表3，图7直观地给出了不同初始干密度下城市固体垃圾炉渣的黏聚力以及内摩擦角随着龄期的变化规律。

表3 抗剪强度指标计算结果Table 3 Results of shear strength parameters

图7 黏聚力和内摩擦角随着龄期的变化规律Fig.7 Variations of cohesion and internal friction anglewith curing age

由图7可知：在不同的干密度下，炉渣的黏聚力均随着龄期的增加而增大，近似呈现线性增长，干密度ρd=1.4 g/cm3的城市固体垃圾炉渣在早期阶段(3 d)，黏聚力仅为90.90 kPa，而在28 d以后其黏聚力达到了250.10 kPa，增长幅度明显，提高近2倍；对于干密度为1.5 g/cm3的炉渣，其黏聚力从龄期为3 d时的117.29 kPa提高到了28 d的296.68 kPa；干密度为1.6 g/cm3炉渣的黏聚力从187.10 kPa提高到了424.05 kPa。同时易知干密度大小对于黏聚力会产生影响，干密度越大，其压实程度相应越大，颗粒之间胶结作用增强，黏聚力越大。而炉渣的内摩擦角随着龄期并没有显著变化，干密度ρd=1.4 g/cm3炉渣的内摩擦角维持在40°左右，干密度为1.5，1.6 g/cm3时，内摩擦角大致在45°。

4 结 论

本文通过三轴固结排水试验研究了不同干密度下的城市固体垃圾炉渣的强度特征，并分析了炉渣抗剪强度参数随龄期的演化规律，主要得到以下结论：

(1)炉渣主要成分为活性氧化物，CaO, SiO2, Fe2O3三种氧化物总含量占60%以上，炉渣颗粒级配良好，可以代替骨料作为路基垫层填筑材料，节约成本，同时实现废弃物资源二次利用。

(2)城市固体垃圾炉渣在低围压下(50，100 kPa)呈现应变软化特征，在高围压下(200，400 kPa)呈现应变硬化特征。炉渣的峰值强度与龄期较好地符合对数关系y=a+bln(x)，即随着时间增长强度不断提高，在早期阶段峰值强度增长迅速，随后增长速率减缓，这一演化规律可用于炉渣实际填筑工程中峰值强度发展的预测。

(3)通过Lambe平面方法确定了不同干密度的炉渣试样在不同龄期时的抗剪强度指标(黏聚力、内摩擦角)，黏聚力随着龄期增加近似呈现线性增长，干密度越大，黏聚力也相应越大；内摩擦角随着龄期增加无明显变化，保持常数。