干密度對(duì)生物質(zhì)垃圾爐渣力學(xué)特性的影響

張 攀，徐永福

(上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市垃圾日益增多。其主要處理方式為填埋、焚燒、堆肥等。由于成本、技術(shù)等原因，中國(guó)仍然主要采用焚燒方式。該方法需重點(diǎn)考慮對(duì)環(huán)境的影響，盡量實(shí)現(xiàn)廢物再利用。固體垃圾焚燒的主要產(chǎn)物為粉煤灰和爐渣。粉煤灰已被廣泛應(yīng)用于混凝土和煤礦充填，爐渣可作為工業(yè)陶瓷中的催化燒結(jié)劑，在土木工程中可替代骨料作為路基填筑材料。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于爐渣的研究取得了較多的成果。XIE等[1]分析了爐渣的物理化學(xué)特性，評(píng)估了其作為路基材料的可行性。LE等[2]通過三軸固結(jié)排水試驗(yàn)測(cè)定了爐渣的黏聚力、內(nèi)摩擦角、變形模量等基本力學(xué)參數(shù)。馮興波等[3]對(duì)城市垃圾爐渣進(jìn)行了無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),分析了不同干密度試樣在不同齡期下的強(qiáng)度特性。徐永福[4]通過三軸試驗(yàn)研究了生活垃圾爐渣在飽和狀態(tài)下的強(qiáng)度特性，并提出可以通過大、小主應(yīng)力之間的關(guān)系確定爐渣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。宋丹青等[5]研究了含水率對(duì)生活垃圾爐渣強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)爐渣在最優(yōu)含水率附近具有最大抗剪強(qiáng)度。張遠(yuǎn)博等[6]采用離散元軟件PFC 3D對(duì)垃圾爐渣的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了模擬，分析了其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，探討了邊界剛度對(duì)剪切強(qiáng)度參數(shù)和壓縮模量的影響，為爐渣的研究提供了一種新思路。

目前針對(duì)爐渣力學(xué)性能方面的研究多側(cè)重于原材料、顆粒級(jí)配、應(yīng)力狀態(tài)等因素對(duì)其強(qiáng)度與變形特性的影響。而實(shí)際上粗粒料的力學(xué)響應(yīng)不僅取決于應(yīng)力狀態(tài)，還與密實(shí)程度有關(guān)，因此本文主要分析干密度對(duì)爐渣強(qiáng)度及變形特性的影響。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用爐渣取自江蘇省南通市垃圾焚燒廠，原狀爐渣呈灰色顆粒狀，形狀各異，通過篩分試驗(yàn)，得到如圖1所示的顆粒級(jí)配曲線。粒徑大于1 mm的粗粒約占60%，不均勻系數(shù)為21，級(jí)配良好。爐渣礦物成分主要為石英、石膏、方解石、微斜長(zhǎng)石以及磁鐵礦，其中石英含量46%。爐渣中主要氧化物為CaO，SiO2，F(xiàn)e2O3，SO3，總含量高達(dá)70%，見表1。

圖1 爐渣顆粒級(jí)配曲線

表1 爐渣中氧化物

1.2 試驗(yàn)方法

將粒徑小于2 mm的爐渣加水拌合至含水率為22%，塑料袋密封12 h。根據(jù)不同干密度稱取相應(yīng)質(zhì)量的爐渣，在試樣模中分5層擊實(shí)，試樣高度80 mm，直徑39.2 mm。文獻(xiàn)[2]提出爐渣三軸試驗(yàn)剪切速率最好控制在0.009～0.144 mm/min，本試驗(yàn)剪切速率控制在0.055 mm/min。本文在3種干密度(0.9,1.0,1.1 g/cm3)下開展三軸固結(jié)排水試驗(yàn)，每一種干密度下進(jìn)行3組試驗(yàn)，圍壓分別為50,100,200 kPa。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

參考臨界狀態(tài)土力學(xué)，三軸試驗(yàn)中當(dāng)應(yīng)變超過20%時(shí)，試樣的應(yīng)力分布已經(jīng)不均勻，應(yīng)力-應(yīng)變曲線關(guān)系出現(xiàn)失真，因此本文取爐渣應(yīng)變20%段進(jìn)行分析[7]。爐渣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖2。圖中縱坐標(biāo)為大、小主應(yīng)力差σ1-σ3，橫坐標(biāo)為豎向應(yīng)變?chǔ)臿。在低圍壓(50，100 kPa)下爐渣應(yīng)力-應(yīng)變曲線大多呈應(yīng)變軟化型，有明顯的峰值強(qiáng)度，而在高圍壓下(200 kPa)應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈硬化型。松散爐渣應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)硬化特性，緊密爐渣應(yīng)力-應(yīng)變曲線軟化特征明顯。爐渣應(yīng)力-應(yīng)變曲線特性由圍壓和干密度共同決定，緊密爐渣在高圍壓下也可能出現(xiàn)應(yīng)變硬化。

圖2 爐渣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2 峰值強(qiáng)度

不同圍巖下爐渣的峰值強(qiáng)度(σ1-σ3)max隨干密度ρd變化曲線見圖3?？梢姡弘S著干密度的增加，峰值強(qiáng)度也隨之增大，但其增長(zhǎng)幅度明顯減小。在低圍壓下峰值強(qiáng)度相對(duì)較小，且其增長(zhǎng)幅度明顯比高圍壓時(shí)低。如圍壓200 kPa時(shí)干密度由0.9 g/cm3增加到1.0 g/cm3，峰值強(qiáng)度增加了176 kPa，而圍壓50 kPa時(shí)僅增加了76 kPa。這主要是因?yàn)橄嗤瑖鷫合赂擅芏仍酱箢w粒之間孔隙越小，排列越緊密，嵌入咬合作用越明顯，在剪切變形過程中能承受較大的應(yīng)力，峰值強(qiáng)度高；初始干密度一定時(shí)，圍壓越大試樣壓縮變形越大，相對(duì)密實(shí)度提高導(dǎo)致強(qiáng)度明顯增大。因此，爐渣的峰值強(qiáng)度不僅與圍壓有關(guān)，還與干密度緊密相關(guān)。

圖3 不同圍巖下爐渣的峰值強(qiáng)度隨干密度變化曲線

2.3 初始彈性模量

不同圍壓下爐渣的初始彈性模量Ei隨干密度ρd變化曲線見圖4?？梢姡撼跏紡椥阅Ａ侩S著干密度的增大而增大，如圍壓50 kPa、干密度由0.9 g/cm3增至1.0 g/cm3時(shí)，初始彈性模量從62 kPa增至114 kPa，增幅84%。同時(shí)，圍壓越大初始彈性模量亦越大，但其影響遠(yuǎn)小于干密度，如干密度為0.9 g/cm3，圍壓從50 kPa提高到100 kPa時(shí)，初始彈性模量從62 kPa 提高到74 kPa，增幅僅19%。這主要是因?yàn)楦擅芏仍酱箢w粒排列越緊密，剪切過程中豎向能承受較大荷載，而圍壓對(duì)于初始彈性模量的作用未充分發(fā)揮出來(lái)，干密度起主要作用。在相同荷載作用下初始彈性模量越大變形越小，因此采用爐渣填筑路基時(shí)可以提高干密度，增大初始彈性模量，從而減小路基變形。

圖4 不同圍壓下爐渣的初始彈性模量隨干密度變化曲線

2.4 抗剪強(qiáng)度

根據(jù)摩爾-庫(kù)侖定律可以得到抗剪強(qiáng)度表達(dá)式。

式中：c為黏聚力;φ為內(nèi)摩擦角。

若縱坐標(biāo)t=(σ1-σ3)/2，橫坐標(biāo)s=(σ1+σ3)/2，對(duì)不同圍壓下求得的σ1，σ3進(jìn)行擬合，則擬合直線的斜率為sinφ，與縱坐標(biāo)的截距為c·cosφ。

干密度為0.9 g/cm3時(shí)爐渣的抗剪強(qiáng)度可由圖5確定。同樣方法可求得其他2種干密度下爐渣的抗剪強(qiáng)度，結(jié)果見表2?？梢姡弘S著干密度的增加，黏聚力和內(nèi)摩擦角均增大。這是因?yàn)闋t渣干密度越大孔隙比越小，固體顆粒之間的膠結(jié)咬合作用越強(qiáng)，致使黏聚力和內(nèi)摩擦角提高。

圖5 干密度0.9 g/cm3時(shí)爐渣的抗剪強(qiáng)度確定

表2 不同干密度下爐渣的抗剪強(qiáng)度

3 結(jié)論

本文對(duì)不同干密度的爐渣進(jìn)行了三軸固結(jié)排水試驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

1)生活垃圾爐渣的力學(xué)特性不僅與其應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，還與干密度密切相關(guān)。

2)松散爐渣應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)硬化特性，緊密爐渣應(yīng)力-應(yīng)變曲線軟化特征明顯。

3)初始彈性模量隨著干密度的提高而增大，用爐渣路基填筑時(shí)可以適當(dāng)提高干密度以減小變形。

4)隨著干密度的增大，爐渣的黏聚力和內(nèi)摩擦角也有所提高，但變化幅度較小。