干密度对生物质垃圾炉渣力学特性的影响

张攀，徐永福

(上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海200240)

　　摘要：生物质垃圾炉渣是一种典型的颗粒状材料，可以代替骨料作为路基垫层材料。为了研究干密度对炉渣力学特性的影响规律，对干密度为0.9，1.0，1.1g／cm³。的炉渣试样进行三轴固结排水剪切试验。试验结果表明：炉渣力学特性与应力状态和干密度密切相关；松散炉渣的应力.应变曲线呈现硬化特性，紧密炉渣的应力-应变曲线软化特征明显；炉渣的初始弹性模量、黏聚力、内摩擦角均随着干密度的提高而增大。

　　随着经济的发展，城市垃圾日益增多。其主要处理方式为填埋、焚烧、堆肥等。由于成本、技术等原因，中国仍然主要采用焚烧方式。该方法需重点考虑对环境的影响，尽量实现废物再利用。固体垃圾焚烧的主要产物为粉煤灰和炉渣。粉煤灰已被广泛应用于混凝土和煤矿充填，炉渣可作为工业陶瓷中的催化烧结剂，在土木工程中可替代骨料作为路基填筑材料。

　　国内外对于炉渣的研究取得了较多的成果。XIE等[1]分析了炉渣的物理化学特性，评估了其作为路基材料的可行性。LE等[2]通过三轴固结排水试验测定了炉渣的黏聚力、内摩擦角、变形模量等基本力学参数。冯兴波等[3]对城市垃圾炉渣进行了无侧限抗压强度试验，分析了不同干密度试样在不同龄期下的强度特性。徐永福[4]通过三轴试验研究了生活垃圾炉渣在饱和状态下的强度特性，并提出可以通过大、小主应力之间的关系确定炉渣的抗剪强度参数。宋丹青等[5]研究了含水率对生活垃圾炉渣强度的影响，发现炉渣在最优含水率附近具有最大抗剪强度。张远博等[6]采用离散元软件PFC3D对垃圾炉渣的力学性质进行了模拟，分析了其应力一应变关系，探讨了边界刚度对剪切强度参数和压缩模量的影响，为炉渣的研究提供了一种新思路。

　　目前针对炉渣力学性能方面的研究多侧重于原材料、颗粒级配、应力状态等因素对其强度与变形特性的影响。而实际上粗粒料的力学响应不仅取决于应力状态，还与密实程度有关，因此本文主要分析干密度对炉渣强度及变形特性的影响。

　　1试验方案

　　1.1试验材料

　　试验用炉渣取自江苏省南通市垃圾焚烧厂，原状炉渣呈灰色颗粒状，形状各异，通过筛分试验，得到如图1所示的颗粒级配曲线。粒径大于1mm的粗粒约占60％，不均匀系数为21，级配良好。炉渣矿物成分主要为石英、石膏、方解石、微斜长石以及磁铁矿，其中石英含量46％。炉渣中主要氧化物为CaO，SiO₂，Fe₂O₃，SO₃，含量高达70％，见表1。

　　1.2试验方法

　　将粒径小于2mm的炉渣加水拌合至含水率为22％，塑料袋密封12h。根据不同干密度称取相应质量的炉渣，在试样模中分5层击实，试样高度80mm，直径39.2mm。文献[2]提出炉渣三轴试验剪切速率最好控制在0.009～0.144mm／min，本试验剪切速率控制在0.055mm／min。本文在3种干密度(0.9，1.0，1.1g／cm³)下开展三轴固结排水试验，每一种干密度下进行3组试验，围压分别为50，100，200kPa。

　　2试验结果与分析

　　2.1应力-应变关系

　　参考临界状态土力学，三轴试验中当应变超过20％时，试样的应力分布已经不均匀，应力一应变曲线关系出现失真，因此本文取炉渣应变20％段进行分析。炉渣的应力一应变曲线见图2。图中纵坐标为大、小主应力差σ1-σ3，横坐标为竖向应变εa。在低围压(50，100kPa)下炉渣应力一应变曲线大多呈应变软化型，有明显的峰值强度，而在高围压下(200kPa)应力.应变曲线呈硬化型。松散炉渣应力.应变曲线呈现硬化特性，紧密炉渣应力-应变曲线软化特征明显。炉渣应力一应变曲线特性由围压和干密度共同决定，紧密炉渣在高围压下也可能出现应变硬化。

　　2.2峰值强度

　　不同围岩下炉渣的峰值强度(σ1-σ3)max随干密度ρd变化曲线见图3。可见：随着干密度的增加，峰值强度也随之增大，但其增长幅度明显减小。在低围压下峰值强度相对较小，且其增长幅度明显比高围压时低。如围压200kPa时干密度由0.9g／cm³增加到1.0g／cm³，峰值强度增加了176kPa，而围压50kPa时仅增加了76kPa。这主要是因为相同围压下干密度越大颗粒之间孔隙越小，排列越紧密，嵌入咬合作用越明显，在剪切变形过程中能承受较大的应力，峰值强度高；初始干密度一定时，围压越大试样压缩变形越大，相对密实度提高导致强度明显增大。因此，炉渣的峰值强度不仅与围压有关，还与干密度紧密相关。

　　2.3初始弹性模量

　　不同围压下炉渣的初始弹性模量E1随干密度ρd变化曲线见图4。可见：初始弹性模量随着干密度的增大而增大，如围压50kPa、干密度由0.9g／cm³增至1.0g／cm³时，初始弹性模量从62kPa增至114kPa，增幅84％。同时，围压越大初始弹性模量亦越大，但其影响远小于干密度，如干密度为0.9g／cm³，围压从50kPa提高到100kPa时，初始弹性模量从62kPa提高到74kPa，增幅仅19％。这主要是因为干密度越大颗粒排列越紧密，剪切过程中竖向能承受较大荷载，而围压对于初始弹性模量的作用未充分发挥出来，干密度起主要作用。在相同荷载作用下初始弹性模量越大变形越小，因此采用炉渣填筑路基时可以提高干密度，增大初始弹性模量，从而减小路基变形。