含水率對(duì)非飽和城市垃圾爐渣強(qiáng)度的影響

靳 遠(yuǎn),黃如花

(武漢大學(xué) 信息管理學(xué)院，湖北 武漢 430072)

含水率對(duì)非飽和城市垃圾爐渣強(qiáng)度的影響

靳 遠(yuǎn),黃如花

(武漢大學(xué) 信息管理學(xué)院，湖北 武漢 430072)

為了研究含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))對(duì)城市垃圾爐渣強(qiáng)度特性的影響，對(duì)含水率10%～20%的城市垃圾爐渣進(jìn)行了超聲波波速試驗(yàn)及無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。采用PFC 2D軟件對(duì)不同含水率條件下的垃圾爐渣進(jìn)行了模擬，得出垃圾爐渣強(qiáng)度特性隨含水率變化的規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明：垃圾爐渣的最佳含水率為15%；含水率10%～20%時(shí)，超聲波縱波波速及軸向壓力隨含水率的增加，表現(xiàn)為先增加后減小的趨勢(shì)，在最佳含水率處達(dá)到峰值。PFC 2D軟件模擬結(jié)果表明：含水率約15%時(shí)，垃圾爐渣強(qiáng)度最大，試驗(yàn)驗(yàn)證了垃圾爐渣強(qiáng)度隨含水率的變化規(guī)律。

城市垃圾爐渣；強(qiáng)度特性；含水率

0 引言

目前，城市生活垃圾的處理主要采用焚燒方式，垃圾焚燒爐渣處置困難的問(wèn)題變得日趨嚴(yán)重[1]。同時(shí)，由于中國(guó)公路的大規(guī)模建設(shè)導(dǎo)致道路建設(shè)材料日益短缺，如能將垃圾爐渣作為道路建設(shè)的替代材料進(jìn)行資源化利用，既可緩解道路建設(shè)材料短缺等問(wèn)題，又可節(jié)省用以填埋的土地資源[2]。

由于垃圾爐渣的穩(wěn)定性好，其物理性質(zhì)和工程性質(zhì)與天然骨料相似，并且容易進(jìn)行粒徑分配，可以用于新型建設(shè)替代材料[3]。文獻(xiàn)[1]從能源消耗、資源及環(huán)境排放等方面，研究了采用垃圾焚燒爐渣替代部分碎石集料鋪路的可行性。文獻(xiàn)[2]以揚(yáng)州市生活垃圾焚燒發(fā)電廠的爐渣為研究對(duì)象，進(jìn)行了篩分、含水率、擊實(shí)、承載比和燒失量等公路土工試驗(yàn)。文獻(xiàn)[4]將生活垃圾爐渣用作混合材料，對(duì)其水泥性能及環(huán)境安全性的影響因素進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[5]通過(guò)分析中國(guó)城市生活垃圾的處理現(xiàn)狀，尋找中國(guó)城市生活垃圾在收集、清運(yùn)、管理和處置等環(huán)節(jié)中難以取得突破的原因，并提出了合理的對(duì)策。文獻(xiàn)[6]以武漢市某垃圾焚燒廠的垃圾焚燒底渣為研究對(duì)象，進(jìn)行了掃描電鏡分析、能量色散X射線熒光光譜檢測(cè)、顆粒篩分試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)，以分析其化學(xué)成分、物理性質(zhì)、表觀特征和工程特性。

在國(guó)外，文獻(xiàn)[7]探討了垃圾爐渣在重金屬污染的土壤中的應(yīng)用。文獻(xiàn)[8-10]對(duì)于垃圾爐渣混凝土的物理特性、化學(xué)分析、力學(xué)特性以及工作性能進(jìn)行了研究，取得了一定的成果。文獻(xiàn)[11]針對(duì)垃圾爐渣用于道路建設(shè)中對(duì)環(huán)境的影響進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。同時(shí)，國(guó)外已經(jīng)開(kāi)始將城市垃圾爐渣用于道路建設(shè)。但是，對(duì)城市垃圾爐渣的研究多是基于工程應(yīng)用，對(duì)其強(qiáng)度特性的影響因素研究較少。

目前，對(duì)于生活垃圾焚燒爐渣的物理力學(xué)性質(zhì)的研究較少，尤其是含水率對(duì)垃圾爐渣強(qiáng)度特性的影響仍需深入探討。超聲波波速的變化與材料的強(qiáng)度變化具有密切關(guān)系，在一定程度上能反映巖土體的力學(xué)與強(qiáng)度特性[12]。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)可以直觀地顯示材料的非飽和強(qiáng)度變化。因此，本文采用超聲波方法，針對(duì)不同含水率條件下的垃圾爐渣試樣，進(jìn)行超聲波波速試驗(yàn)及無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。同時(shí)，采用PFC 2D軟件對(duì)不同含水率條件下?tīng)t渣的變形特性進(jìn)行了模擬，探討了含水率對(duì)非飽和垃圾爐渣變形特性的影響。

1 材料特性

城市生活垃圾爐渣是生活垃圾在垃圾發(fā)電廠經(jīng)高溫燃燒處理后的副產(chǎn)品，包括爐排上殘留的焚燒殘?jiān)蛷臓t排間掉落的固體顆粒物[2]。從垃圾爐渣的基本特性與成分來(lái)看，類似于沙石材料，粒徑分布基本符合道路建設(shè)材料的級(jí)配要求，抗壓強(qiáng)度大，壓實(shí)到高承載力的狀態(tài)，可用于路基填筑。垃圾爐渣為黑褐色，含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)為10%～20%[2]。對(duì)垃圾爐渣進(jìn)行掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)分析，爐渣顆粒呈不規(guī)則角狀，顆粒大小差別較大，大顆粒表面黏附了較多的小顆粒。

采用電動(dòng)擊實(shí)儀以及T0131—2007土的擊實(shí)試驗(yàn)中的重型擊實(shí)(Ⅱ-2)試驗(yàn)方法，可以得到垃圾爐渣的最大干密度及最佳含水率分別約為1.524 g·cm-3和15.5%[2]，該垃圾爐渣屬于級(jí)配良好礫類土，其級(jí)配組成滿足《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》[13]。含水率低于最佳含水率后曲線較陡，而含水率大于最佳含水率后曲線較緩。由此可知：垃圾爐渣在含水率變化較大的范圍內(nèi)，表現(xiàn)出了較好的壓實(shí)性能。實(shí)際施工過(guò)程中，為保障路基的壓實(shí)度，應(yīng)嚴(yán)格控制垃圾爐渣的含水率，對(duì)垃圾爐渣也可適當(dāng)堆放，降低含水率，但是堆放時(shí)間不宜太長(zhǎng)。

2 試樣制備和試驗(yàn)方法

2.1 試樣制備

試驗(yàn)采用粒徑2 mm內(nèi)的垃圾爐渣，在室內(nèi)選擇粒徑小于5 mm的垃圾爐渣原材料，用2 mm孔徑的篩子篩出。試樣制備方法如下：均勻拌和加水后的垃圾爐渣使其含水率約為15%，按照不同的干密度(1.4 g/cm3、1.5 g/cm3和1.6 g/cm3)在試樣對(duì)開(kāi)模中分5層擊實(shí)，使每層質(zhì)量相同，每裝一層用擊錘輕壓使其接觸密實(shí)；把接觸面輕微刮擦一下，使每?jī)蓪咏佑|緊密，以免造成裝樣分層現(xiàn)象。試樣制備完成后將其放在室內(nèi)養(yǎng)護(hù)，待達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期后將其從試樣模中取出，并準(zhǔn)確測(cè)量試樣的高度、直徑及質(zhì)量。

2.2 試驗(yàn)方法

待超聲波測(cè)試系統(tǒng)調(diào)試完畢后，將試樣的尺寸準(zhǔn)確輸入檢測(cè)分析儀，將試樣放置于平整的桌面上開(kāi)始進(jìn)行超聲波測(cè)量。當(dāng)超聲波檢測(cè)分析儀界面的波形出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)波形時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。試樣的波速測(cè)定不僅與含水量、干密度和溫度等有關(guān)，還與換能器兩端面與試樣端面之間聲耦合狀況以及換能器兩端加壓力溫度程度有關(guān)[14]。因此，本試驗(yàn)采取以下措施確保測(cè)試的精確性：(1)對(duì)垃圾爐渣的含水率和干密度精確測(cè)定，并且在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，用保鮮膜裹住試樣并在盡量短的時(shí)間內(nèi)完成試樣檢測(cè)，以保證含水量和干密度的穩(wěn)定；(2)在室內(nèi)常溫下，使試驗(yàn)溫度波動(dòng)不超過(guò)±1 ℃；(3)換能器端面與垃圾爐渣試樣兩端盡可能地充分接觸耦合，并且保持接觸壓力穩(wěn)定；(4)進(jìn)行不同溫度條件下的超聲波波速測(cè)量時(shí)，采用恒溫裝置確保溫度在較小范圍內(nèi)波動(dòng)。對(duì)垃圾爐渣試樣進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)，其試驗(yàn)方法不再詳述。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 超聲波波速試驗(yàn)

圖1 干密度1.4 g/cm3時(shí)不同初始制樣含水率垃圾爐渣的超聲波縱波波速

材料的超聲波波速可以反映材料的強(qiáng)度變化，材料的超聲波波速與其強(qiáng)度變化表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系[12]。以干密度1.4 g/cm3的垃圾爐渣試樣為例進(jìn)行超聲波波速試驗(yàn)，研究初始制樣含水率w及養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)垃圾爐渣超聲波波速的影響。干燥度1.4 g/cm3時(shí),不同初始制樣含水率垃圾爐渣的超聲波縱波波速如圖1所示。圖1表明：相同條件下，干密度1.4 g/cm3垃圾爐渣的超聲波縱波波速隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加而變大。初始制樣含水率為15%時(shí)，養(yǎng)護(hù)齡期7 d的超聲波縱波波速約為1 180 m/s；養(yǎng)護(hù)齡期14 d的超聲波縱波波速約為 1 205 m/s；養(yǎng)護(hù)齡期28 d的超聲波縱波波速約為1 230 m/s。此外，初始制樣含水率對(duì)垃圾爐渣的超聲波縱波波速也有影響，初始制樣含水率10%～20%時(shí)，爐渣試樣的超聲波縱波波速隨含水率的增加表現(xiàn)為先變大再減小的趨勢(shì)；初始制樣含水率約15%時(shí)，超聲波縱波波速達(dá)到峰值；初始制樣含水率15%～17%時(shí)，超聲波縱波波速減小速率較快；初始制樣含水率19%時(shí)的超聲波縱波波速最小。由此可知：垃圾爐渣的超聲波縱波波速在最佳初始制樣含水率達(dá)到最大值。

3.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

圖2 養(yǎng)護(hù)齡期3 d、干密度1.4 g/cm3垃圾爐渣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

以干密度1.4 g/cm3的垃圾爐渣為例，對(duì)養(yǎng)護(hù)齡期 3 d、 不同初始制樣含水率w的垃圾爐渣試樣進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：含水率15%時(shí)的軸向壓力最大；初始制樣含水率13%時(shí)軸向壓力比含水率15%時(shí)降低約0.03 kN；初始制樣含水率17%比初始制樣含水率13%時(shí)軸向壓力降低約0.02 kN；初始制樣含水率10%和19%時(shí)軸向壓力最低；而初始制樣含水率19%較含水率10%軸向壓力略低。由此可知：垃圾爐渣的軸向壓力隨著初始制樣含水率的增加表現(xiàn)為先增加后減小的趨勢(shì)，初始制樣含水率15%時(shí)達(dá)到最大。初始制樣含水率對(duì)垃圾爐渣的軸向壓力影響較大，最佳初始制樣含水率附近軸向壓力較大。

4 PFC 2D軟件模擬

4.1 模型介紹

PFC 2D軟件將材料看成是由顆粒和膠結(jié)體組成，分別由剛性顆粒單元和鍵來(lái)模擬，采用黏結(jié)顆粒模型(bonded particle model，BPM)將小顆粒組成不同粒徑的大顆粒。將隨機(jī)分布的大顆粒放在四面墻組成的“盒子”中，模擬在荷載作用下顆粒的壓縮變形、破碎。具體參數(shù)如下：密度為 1.524 g/cm3；摩擦因數(shù)為0.5；顆粒法向切向剛度比b_kn/b_ks=1.0；顆粒壓縮模量Ec=50 GPa；法向聯(lián)結(jié)強(qiáng)度σn=200 MPa；切向聯(lián)結(jié)強(qiáng)度σs=200 MPa；顆粒的法向剛度b_kn=2Ect，其中，t為顆粒直徑。

4.2 垃圾爐渣顆粒變形及強(qiáng)度變化規(guī)律

顆粒在壓縮變形過(guò)程中發(fā)生的破碎會(huì)使材料強(qiáng)度軟化，一般將應(yīng)力-應(yīng)變曲線上對(duì)應(yīng)出現(xiàn)的第一個(gè)明顯的峰值強(qiáng)度作為顆粒的破碎強(qiáng)度。與單顆粒破碎一樣，多個(gè)顆粒在外荷載作用下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在第一個(gè)峰值出現(xiàn)后會(huì)伴隨著多個(gè)峰值強(qiáng)度，即破碎始終伴隨著變形過(guò)程，直到顆粒不再發(fā)生破碎而是發(fā)生屈服，此時(shí)對(duì)應(yīng)的顆粒級(jí)配曲線幾乎不再變化。以含水率w=15%的垃圾爐渣試樣為例，壓縮過(guò)程中不同軸向應(yīng)變時(shí)的壓縮變形破碎圖及顆粒間力鏈圖見(jiàn)圖3和圖4，垃圾爐渣顆粒間的力鏈變化隨其破碎程度發(fā)生改變。最初試樣受壓時(shí)，最邊緣的顆粒受力后將荷載向內(nèi)部傳遞，在力鏈路徑上的顆粒所受的力較大，當(dāng)外力大于破碎強(qiáng)度后顆粒開(kāi)始破碎。從圖3和圖4中可以看出：粒徑大的顆粒更容易發(fā)生破碎。由顆粒正在發(fā)生破碎的力鏈圖可知顆粒破碎方式主要為剪切破碎。軸向應(yīng)變10%的顆粒間空隙較軸向應(yīng)變20%的顆粒間空隙大很多，由此可知：隨著垃圾爐渣軸向應(yīng)變?cè)黾樱w粒間的壓縮空間逐漸減小，垃圾爐渣內(nèi)的力鏈傳播更加均勻，也即顆粒受力更均勻，隨著軸向應(yīng)變的增加，垃圾爐渣顆粒間更加密實(shí)。

圖3 軸向應(yīng)變?yōu)?0%時(shí)的壓縮變形破碎圖和顆粒間力鏈圖 圖4 軸向應(yīng)變?yōu)?0%時(shí)的壓縮變形破碎圖和顆粒間力鏈圖

表1 不同含水率垃圾爐渣試樣破壞時(shí)的最大軸向應(yīng)力模擬結(jié)果

利用PFC 2D軟件對(duì)不同含水率條件下垃圾爐渣試樣破壞時(shí)軸向應(yīng)力的模擬結(jié)果如表1所示。由表1可知：爐渣試樣破壞時(shí)的最大軸向應(yīng)力隨含水率的增加表現(xiàn)為先增加后減小的規(guī)律，含水率為14%時(shí)，最大軸向應(yīng)力達(dá)到峰值。由此可知：采用PFC 2D軟件針對(duì)垃圾爐渣建立模型的模擬計(jì)算結(jié)果與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果相近，從而驗(yàn)證了垃圾爐渣試樣的強(qiáng)度隨含水率變化的規(guī)律。

5 結(jié)論

(1)含水率對(duì)垃圾爐渣的強(qiáng)度具有較大影響。含水率10%～20%時(shí)，其超聲波縱波波速表現(xiàn)為先增加后減小的趨勢(shì)。軸向壓力也表現(xiàn)為先增大后變小，在接近最佳含水率15%時(shí)達(dá)到峰值。

(2)垃圾爐渣的超聲波波速試驗(yàn)與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果相吻合。超聲波波速試驗(yàn)在實(shí)際工程應(yīng)用中，可以快速、有效地測(cè)量垃圾爐渣的強(qiáng)度變化，為其在工程應(yīng)用中提供可靠依據(jù)。

(3)本文用離散元PFC 2D軟件，模擬了不同含水率條件下垃圾爐渣顆粒在單軸壓縮下的破碎與變形過(guò)程。含水率對(duì)垃圾爐渣顆粒的強(qiáng)度特性有明顯的影響，含水率10%～20%時(shí)，垃圾爐渣的強(qiáng)度表現(xiàn)為先增加后減小的趨勢(shì)。

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國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41401107)

靳遠(yuǎn)(1978-),男,河南鄭州人,高級(jí)工程師,碩士生;黃如花(1968-),女,湖北武漢人,教授,博士,博士生導(dǎo)師,主要從事信息檢索與咨詢方面的研究.

2016-05-27

1672-6871(2017)02-0031-04

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2017.02.006

U414

A