宋丹青　項國圣

(上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海200030)

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城市垃圾爐渣變形特性的三軸試驗*

宋丹青項國圣

(上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海200030)

為研究垃圾爐渣的變形特性，首先對其材料特性進行分析，然后針對不同粒徑分布、浸水時間及破壞后的重塑垃圾爐渣進行飽和三軸固結(jié)排水剪切試驗，測得不同圍壓下的固結(jié)排水剪應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及有效應(yīng)力比曲線形態(tài)等工程特性.結(jié)果表明：爐渣的粒徑分布、浸水時間是影響爐渣變形特性的重要因素；對于粒徑不大于2 mm的爐渣，其強度隨大顆粒含量的增加而減小，隨浸水時間的延長而小幅度降低；破壞后重塑試樣的強度與初始試樣相比也有所下降；與標準砂相比，爐渣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰值出現(xiàn)得相對較快.

城市垃圾；爐渣；粒徑分布；浸水時間；圍壓；固結(jié)排水剪切試驗

目前城市生活垃圾主要采用焚燒方式處理，隨著垃圾爐渣日益增多，處置困難的問題也變得日趨嚴重[1-2].隨著我國公路的大規(guī)模建設(shè)，道路建設(shè)材料日益短缺，如能將垃圾爐渣作為鋪路的替代材料進行資源化利用，既可緩解道路建設(shè)材料短缺等問題，又可節(jié)省用以填埋的土地資源[3].

由于垃圾爐渣的物理、工程性質(zhì)與天然骨料相似，故可用于新型建筑替代材料[4].陳德珍等[2]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；張濤等[3]研究了將垃圾爐渣用于混凝土的可行性以及其在混凝土中的最佳替代率等問題；謝燕等[5]對生活垃圾爐渣的物理及化學(xué)性質(zhì)進行了分析；盧佩霞等[6]針對垃圾爐渣用于路基填筑進行了土工特性試驗分析；張銳等[7]分析了垃圾爐渣骨料對混凝土抗壓強度的影響；Hjelmar等[8]對垃圾爐渣用于道路建設(shè)中對環(huán)境的影響進行了風(fēng)險評估；Maria[9-10]利用重復(fù)加載三軸試驗及循環(huán)荷載三軸試驗對垃圾爐渣進行了研究，分析表明垃圾爐渣的彈性模量與沙相似，有機質(zhì)含量降低1/2將使彈性模量增加50%；Becquart等[11]針對垃圾爐渣進行了飽和固結(jié)排水三軸試驗，分析了垃圾爐渣的體應(yīng)變變化規(guī)律；Zekkos等[12]采用飽和三軸固結(jié)排水試驗分析了不同圍壓時的垃圾爐渣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，得出了垃圾爐渣的粘聚力及內(nèi)摩擦角.在國外，垃圾爐渣已經(jīng)開始被用于道路建設(shè)[8，13-14].

目前，針對垃圾爐渣的研究多是關(guān)于其材料特性及其應(yīng)用方面的研究，但是，對于垃圾爐渣應(yīng)用于路基填筑時影響其強度及變形特性的因素有待深入探討.目前，室內(nèi)飽和試樣三軸試驗是獲取材料變形特性及強度的重要方法之一[15].文中針對城市垃圾爐渣進行不同圍壓下的飽和固結(jié)排水三軸試驗，探討了粒徑含量、浸水時間、圍壓及破壞后試樣重塑對其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和強度特性的影響.

1　材料特性與試驗方案

1.1材料特性

圖1　原狀爐渣及試驗用爐渣

Fig.1Original state of MSWI bottom ash and used for test of MSWI bottom ash

采用PANalytical X’pert PRO型X射線衍射儀對垃圾爐渣進行XRD分析，結(jié)果如圖4所示；由分析結(jié)果可知垃圾爐渣中含有大量的Na+、Ca+、K+等離子，垃圾爐渣的主要成分如表1所示.由圖4可見，SiO2的衍射峰較為明顯，表明其礦物組成主要為SiO2，還含有少量的CaCO3、CaAl2Si2O8，可能還含有少量的C2S、Fe3O4.爐渣的XRD圖片衍射鋒尖銳、背景較低、饅頭峰很弱，表明其中非結(jié)晶玻璃體含量很低，屬于粘土類物質(zhì).

圖2　試驗用爐渣的顆粒分布曲線

圖3　試驗用爐渣含水率與干密度的關(guān)系

Fig.3Relationship between water content and dry density of MSWI bottom ash

圖4　爐渣的XRD圖

Table 1The chemical components of MSWI bottom ash used for test%

SiO2CaOAl2O3Fe2O3燒失量51.213.83.373.224.15

1.2試驗方案與試驗方法

本試驗使用SJ-IA.G型三軸剪力儀，針對爐渣進行飽和固結(jié)排水試驗，并且與飽和的福建標準砂固結(jié)排水試驗進行對比.試樣制備方法如下：將爐渣含水率控制為約15%，按照不同的干密度在試樣對開模中分5層擊實，使每層質(zhì)量相同，每層用擊錘輕壓使其接觸密實，然后把接觸面輕微刮擦一下，以免造成裝樣分層現(xiàn)象.試樣制備完成后放在室內(nèi)進行養(yǎng)護，將其從試樣模中取出后準確測量試樣的高度、直徑及質(zhì)量.飽和爐渣固結(jié)排水試驗方法如下：將爐渣試樣放入真空飽和裝置，開啟真空泵進行抽氣飽和，其中試樣飽和是試驗的關(guān)鍵.在試樣抽氣飽和12 h后將其放置于三軸儀內(nèi)，設(shè)置圍壓后打開圍壓閥，關(guān)閉反壓閥及排水閥進行固結(jié)，待試樣固結(jié)12 h后開始進行試驗，采用TSW-5土工試驗數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集.

2　試驗結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

2.1.1顆粒粒徑對應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響

圖5　飽和爐渣CD試驗結(jié)果

由圖5可知，圍壓100 kPa時，試樣A的主應(yīng)力差峰值稍大于試樣B的主應(yīng)力差峰值；圍壓200 kPa時，試樣A主應(yīng)力差峰值比試樣B高出約400 kPa，且試樣B主應(yīng)力差峰值出現(xiàn)相對較晚.由此可見，不同粒徑含量對試樣的強度有一定程度的影響，試樣A與試樣B相比，試樣A的主應(yīng)力差峰值更大.這與顆粒間的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，由于A試樣的顆粒分布更均勻、小顆粒含量較多，一方面小顆粒作為較大顆粒間的填充介質(zhì)減小了孔隙比，另一方面作為連接大粒徑顆粒間的連接介質(zhì)增大了爐渣的粘聚力；圍壓引起的孔隙體積的壓縮量較小，所以峰值會提前出現(xiàn)；另外，試樣A顆粒間空隙較小，圍壓不僅壓縮了孔隙體積，而且改變了顆粒的微觀結(jié)構(gòu)，使顆粒間排列更加緊密，從而使顆粒骨架強度升高，進而導(dǎo)致其抗剪強度增大.

2.1.2浸水時間對應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響

直如朱絲繩，清如玉壺冰。何慚宿昔意，猜恨坐相仍。人情賤恩舊，世路逐衰興。毫發(fā)一為瑕，丘山不可勝。食苗實碩鼠，玷白信蒼蠅。鳧鵠遠成美，薪芻前見凌。申黜褒女進，班去趙姬升。周王日淪惑，漢帝益嗟稱。心賞固難恃。貌恭豈易憑？古來共如此，非君獨撫膺。（鮑照《代白頭吟》）

以粒徑不大于2.0 mm垃圾爐渣為例，將干密度1.5 g/cm3的試樣放入水中，分別將浸水時間控制為12、18及24 h，然后抽氣飽和進行固結(jié)排水三軸剪切試驗，養(yǎng)護齡期3 d、不同圍壓、不同浸水時間時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6所示.

圖6　干密度為1.5 g/cm3試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖6可見：圍壓100 kPa時，爐渣表現(xiàn)出應(yīng)變軟化特性，在軸向應(yīng)變約為1.5%時出現(xiàn)主應(yīng)力差峰值；圍壓200 kPa時，爐渣表現(xiàn)出應(yīng)變軟化特性，其主應(yīng)力差峰值在應(yīng)變約為2.5%時出現(xiàn)；浸水時間相同時，隨著圍壓的增加，爐渣的主應(yīng)力差峰值對應(yīng)的應(yīng)變也隨之增大.不同圍壓及不同浸水時間條件下，干密度為1.5 g/cm3的爐渣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系基本上表現(xiàn)為應(yīng)變軟化型.

由圖6可知，浸水時間對爐渣的強度有削弱作用，相同圍壓下，齡期3 d、浸水時間18 h的主應(yīng)力差峰值較浸水時間為12 h的小.通過比較分析可知：相同圍壓下，浸水12 h的主應(yīng)力差峰值最高；浸水18 h時試樣的主應(yīng)力差峰值有所降低；浸水24 h時，試樣主應(yīng)力差峰值最小.由此可知，隨著浸水時間的增加，爐渣的最大主應(yīng)力差有較小程度的下降.

2.1.3破壞重塑對應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響

對新鮮的爐渣進行CD試驗破壞后的試樣進行重塑，針對重塑爐渣進行飽和CD實驗，對比初始試樣的試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，重塑爐渣的強度比破壞前的強度有所下降.圍壓100和200 kPa條件下，齡期3 d時不同干密度的重塑爐渣試樣及初始爐渣試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7所示.

由圖7可知，相同條件下，重塑試樣的主應(yīng)力差峰值比破壞前有所下降.圍壓100 kPa時，干密度1.4、1.5及1.6 g/cm3的重塑試樣的主應(yīng)力差峰值較破壞前分別約降低了100、80、65 kPa.由此可知，重塑試樣的強度較破壞前的降低幅度隨干密度的增大而減小.總體而言，重塑爐渣試樣的強度與破壞前的新鮮爐渣基本相似.這主要是由于試樣在破壞過程中軸向荷載的作用使顆粒間的孔隙變小，使顆粒間變得更加致密，造成小顆粒連接形成大顆粒；但是，在試樣破壞后進行試樣重塑時，大顆粒的含量較之前的新鮮爐渣有所增多，導(dǎo)致重塑試樣顆粒間孔隙填充變差，孔隙率有所增加，因而在剪切過程中孔隙體積的壓縮量有較小程度的增加，降低了重塑試樣的抗剪強度.

圖7　初始及重塑試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.1.4圍壓對應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響

以齡期3 d、干密度1.5 g/cm3、粒徑不大于2 mm的垃圾爐渣為例，不同圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖8所示.

圖8　不同圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖8可知，主應(yīng)力差的峰值隨圍壓增大而增大.這是由于材料在剪切之前，圍壓愈大，壓縮量愈大，相對密實度愈大，顆粒之間的咬合能力及抗剪切變形能力愈強，變形模量愈大.這與Becquart等[11]的試驗結(jié)果吻合.另外，圍壓與試樣的破壞形態(tài)也有關(guān)系；干密度和圍壓較小時試樣發(fā)生鼓脹破壞；圍壓較大時，發(fā)生剪切破壞.例如干密度為1.4 g/cm3的試樣，在圍壓為50 kPa時發(fā)生鼓脹破壞，圍壓為100 kPa時發(fā)生剪切破壞.

2.1.5破壞形態(tài)的影響因素

試驗過程中，試樣的破壞形態(tài)主要為剪切型和鼓脹型，并與其齡期、干密度和圍壓有密切關(guān)系.隨著圍壓的增加，破壞形態(tài)發(fā)生較大轉(zhuǎn)變，齡期3 d、干密度1.5 g/cm3的爐渣試樣在圍壓50、200、400 kPa時分別發(fā)生鼓脹型破壞(見圖9(a))、具有明顯剪切面的剪切型破壞(見圖9(b))、上部鼓脹的剪切破壞(見圖9(c)).

圖9　爐渣試樣在不同圍壓下的破壞形態(tài)

Fig.9Failure patterns of MSWI bottom ash samples under diffe-rent confining pressures

隨著齡期的延長，試樣的剪切破壞面更加明顯，例如齡期3 d、干密度1.5 g/cm3的試樣在圍壓100 kPa條件下表現(xiàn)為不明顯的剪切破壞，而齡期14 d時表現(xiàn)為明顯的剪切破壞.此外，干密度與破壞形態(tài)有關(guān)，齡期3 d、圍壓100 kPa條件下，干密度1.6 g/cm3的試樣破壞剪切面比干密度1.4 g/cm3的試樣破壞剪切面更為明顯清晰.因此，干密度和圍壓較小時將出現(xiàn)鼓脹型破壞，隨著干密度、齡期和圍壓的增加破壞形態(tài)向具有明顯剪切面的剪切型過渡.

2.1.6與標準砂的對比分析

粒徑不大于2 mm、干密度為1.5 g/cm3的爐渣試樣及福建標準砂在圍壓100和200 kPa下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖10所示.

圖10　飽和砂和爐渣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

Fig.10Curves of stress-strain of saturated sand and MSWI bottom ash

2.2有效應(yīng)力比的變化規(guī)律

試樣A、B的有效應(yīng)力比隨應(yīng)變的變化如圖11所示.以干密度1.4 g/cm3的試樣為例，重塑爐渣和新鮮爐渣的有效應(yīng)力比隨應(yīng)變的變化見圖12.

圖11　試樣A、B的有效應(yīng)力比變化曲線

圖12干密度為1.4 g/cm3的初始及重塑試樣的有效應(yīng)力比變化曲線

Fig.12Curves of effective stress ratio of initial and remoulded samples withρd=1.4 g/cm3

由圖11可見：齡期及干密度相同條件下有效應(yīng)力比均隨圍壓的增大而減??；有效應(yīng)力比峰值對應(yīng)的應(yīng)變隨圍壓的增大而增大；有效應(yīng)力比隨應(yīng)變的增加先表現(xiàn)為快速增長達到峰值，再快速下降達到穩(wěn)定.相同條件下，試樣A的有效應(yīng)力峰值較大.

由圖12可知，相同圍壓下，初始試樣的有效應(yīng)力比隨干密度的增加而增加；重塑試樣的有效主應(yīng)力較初始試樣小，其有效應(yīng)力比隨干密度的變化規(guī)律與初始試樣基本相似.

2.3主應(yīng)力差的變化規(guī)律

不同干密度的粒徑不大于2 mm、齡期3 d的重塑爐渣的主應(yīng)力差峰值與圍壓的關(guān)系如表2所示.

表2重塑試樣的主應(yīng)力差峰值與圍壓的關(guān)系

Table 2Relationship between maximum principal stress diffe-rence and confining pressure of remoulded samples

圍壓/kPa主應(yīng)力差峰值/kPaρd=1.4g/cm3ρd=1.5g/cm3ρd=1.6g/cm350312417106410062510241627200103616522397400146222172653

由表2可知：相同條件下，重塑爐渣試樣的主應(yīng)力差峰值隨著圍壓的增大而增大.比較不同干密度試樣的主應(yīng)力差峰值與圍壓的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，不同干密度試樣的主應(yīng)力差峰值與圍壓呈線性增長關(guān)系；相同圍壓條件下，干密度越大試樣的主應(yīng)力差峰值越大.

3　結(jié)論

(1)粒徑分布和浸水時間是影響垃圾爐渣變形特性的重要因素.對于粒徑不大于2 mm的爐渣，大顆粒的含量越高，爐渣試樣的強度越低.隨浸水時間的增加，垃圾爐渣的強度有較小幅度降低.

(2)破壞后的重塑爐渣試樣的強度與初始試樣相比有所下降，且重塑試樣的強度較破壞前的降低幅度隨干密度的增大而減小.

(3)圍壓等級也是影響爐渣試樣強度的重要因素之一，相同條件下隨著圍壓的增加，爐渣試樣的強度表現(xiàn)為逐漸增加的趨勢；與標準砂相比，爐渣的強度較大，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰值出現(xiàn)相對較快.

(4)試樣的破壞形態(tài)與干密度、齡期及圍壓相關(guān)，齡期、干密度及圍壓較小時將出現(xiàn)鼓脹型破壞，隨著干密度、齡期和圍壓的增加，爐渣試樣的破壞形態(tài)向具有明顯剪切面的剪切型過渡.

[1]DIJKSTRA J J,SLOOT H A V D,COMANS R N J. Process identification and model development of contaminant transport in MSWI bottom ash [J]. Waste Management,2002,22(5):531-541.

[2]陳德珍,耿翠潔,孫文州,等.焚燒爐渣集料用于道路鋪筑的節(jié)能減排定量 [J].建筑材料學(xué)報，2011，14(1):71-77.

CHEN De-zhen，GENG Cui-jie，SUN Wen-zhou，et al. Energy saving and pollution alleviation by replacement of crushed rock with municipal solid waste incineration bottom ash for road construction [J].Journal of Building Materials，2011，14(1):71-77.

[3]張濤，趙增增.城市生活垃圾焚燒爐渣在混凝土中的應(yīng)用研究 [J].環(huán)境污染與防治，2014，36(4):65-69.

ZHANG Tao，ZHAO Zeng-zeng.Reutilization of municipal solid waste incinerator bottom ash as concrete aggregates [J].Environmental Pollution & Control，2014，36(4):65-69.[5]謝燕，吳笑梅，樊粵明,等.生活垃圾焚燒爐渣用作水泥混合材的研究 [J].華南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2009，37(12):37-43.

XIE Yan，WU Xiao-mei，F(xiàn)AN Yue-ming，et al.Investigation into incineration bottom ash of municipal solid waste used as cement admixture [J].Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition)，2009，37(12):37-43.

[6]盧佩霞，殷成勝，王會芳.垃圾爐渣用于路基填筑的土工特性試驗分析 [J].筑路機械與施工機械化，2015，32(9):51-54.

LU Pei-xia，YIN Cheng-sheng，WANG Hui-fang.Experimental study on characteristics of landfill slag used in subgrade filling [J].Road Machinery & Construction Mechanization,2015，32(9):51-54.

[7]張銳，張濤.垃圾焚燒爐渣混凝土抗壓強度試驗研究 [J].硅酸鹽通報，2010，29(2):352-356.

ZHANG Rui，ZHANG Tao.Experimental research on compressive strength of waste incineration bottom ash concrete [J].Bulletin of the Chinese Ceramic Society，2010，29(2):352-356

[8]HJELMAR O，HOLM J，CRILLESEN K.Utilisation of MSWI bottom ash as sub-base in road construction： first results from a large-scale test site [J].Journal of Hazardous Materials，2007，139(3):471-480.

[9]MARIA A.Variation in mechanical properties of MSW incinerator bottom ash：Results from triaxial tests [J]. Waste Management，2000，20(1):567-578.

[10]MARIA A.Variation in deformation properties of processed MSWI bottom ash：results from triaxial tests [J].Waste Management，2004，24(10):1035-1042.

[11]BECQUART F，BERNARD F，ABRIAK N E，et al. Monotonic aspects of the mechanical behaviour of bottom ash from municipal solid waste incineration and its potential use for road construction [J].Waste Management，2009，29(4):1320-1329.

[12]ZEKKOS D，KABALAN M，SYAL S M，et al.Geotechnical characterization of a municipal solid waste incineration ash from a michigan monofill [J].Waste Management，2013，33(6):1442-1450.

[13]SCHREURS J P G M，SLOOT H A V D，HENDRIKS C. Verification of laboratory-field leaching behavior of coal fly ash and MSWI bottom ash as a road base material [J].Waste Management，2000，20(2)：193-201.

[14]VEGAS I,IBAEZ J A，JOSé J T S，et al.Construction demolition wastes，Waelz slag and MSWI bottom ash： a comparative technical analysis as material for road construction [J].Waste Management，2008，28(3):565-574.

[15]劉干斌，范思婷，葉俊能，等.溫控動三軸試驗裝置的研制及應(yīng)用 [J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2015，34(7)：1-8.

LIU Gan-bin，F(xiàn)AN Si-ting，YE Junneng，et al.Application and development of a temperature-controlled dyna-mic triaxial test system [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2015，34(7):1-8.

s： Supported by the National Natural Science Foundation of China(41401107)and the National Program Key Basic Research Project of China(973 Program)(2014CB744701)

Triaxial Tests of Deformation Characteristics of Bottom Ash from Municipal Solid Waste Incineration

SONGDan-qingXIANGGuo-sheng

(School of Naval Architecture，Ocean and Civil Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200030，China)

In order to discover the deformation characteristics of MSWI (Municipal Solid Waste Incineration) bottom ash，the material characteristics were analyzed，and consolidated triaxial draining compression tests were carried out for the samples with various particle size distribution and immersion time as well as for the remoulded samples after destruction. Thus，the stress-strain curves and effective stress ratio curves of MSWI bottom ash at diffe-rent confining pressures were obtained. The results show that (1) particle size distribution and immersion time are two important factors influencing the deformation characteristics of MSWI bottom ash； (2) for the samples with a particle size being less than 2mm，the strength decreases as the content of large-size particles increases and slightly decreases with the prolonging of immersion time； (3) the strength of remoulded MSWI bottom ash decreases after the destruction； and (4) in comparison with that of the standard sand，the peak of stress-strain curve of MSWI bottom ash appears relatively faster.

municipal solid waste； bottom ash； particle size distribution； immersion time； confining pressure； consolidated draining compression test

1000-565X(2016)07-0116-07

2015-11-16

國家自然科學(xué)基金資助項目(41401107)；國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(2014CB744701)

宋丹青(1989-)，男，博士生，主要從事巖土工程等研究.E-mail:015010910026@sjtu.edu.cn

U 414doi： 10.3969/j.issn.1000-565X.2016.07.018