含水率對非飽和城市垃圾爐渣強度的影響

靳 遠,黃如花

(武漢大學 信息管理學院，湖北 武漢 430072)

含水率對非飽和城市垃圾爐渣強度的影響

靳 遠,黃如花

(武漢大學 信息管理學院，湖北 武漢 430072)

為了研究含水率(質量分數)對城市垃圾爐渣強度特性的影響，對含水率10%～20%的城市垃圾爐渣進行了超聲波波速試驗及無側限抗壓強度試驗。采用PFC 2D軟件對不同含水率條件下的垃圾爐渣進行了模擬，得出垃圾爐渣強度特性隨含水率變化的規律。試驗結果表明：垃圾爐渣的最佳含水率為15%；含水率10%～20%時，超聲波縱波波速及軸向壓力隨含水率的增加，表現為先增加后減小的趨勢，在最佳含水率處達到峰值。PFC 2D軟件模擬結果表明：含水率約15%時，垃圾爐渣強度最大，試驗驗證了垃圾爐渣強度隨含水率的變化規律。

城市垃圾爐渣；強度特性；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題變得日趨嚴重[1]。同時，由于中國公路的大規模建設導致道路建設材料日益短缺，如能將垃圾爐渣作為道路建設的替代材料進行資源化利用，既可緩解道路建設材料短缺等問題，又可節省用以填埋的土地資源[2]。

由于垃圾爐渣的穩定性好，其物理性質和工程性質與天然骨料相似，并且容易進行粒徑分配，可以用于新型建設替代材料[3]。文獻[1]從能源消耗、資源及環境排放等方面，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[2]以揚州市生活垃圾焚燒發電廠的爐渣為研究對象，進行了篩分、含水率、擊實、承載比和燒失量等公路土工試驗。文獻[4]將生活垃圾爐渣用作混合材料，對其水泥性能及環境安全性的影響因素進行了研究。文獻[5]通過分析中國城市生活垃圾的處理現狀，尋找中國城市生活垃圾在收集、清運、管理和處置等環節中難以取得突破的原因，并提出了合理的對策。文獻[6]以武漢市某垃圾焚燒廠的垃圾焚燒底渣為研究對象，進行了掃描電鏡分析、能量色散X射線熒光光譜檢測、顆粒篩分試驗、擊實試驗和直剪試驗，以分析其化學成分、物理性質、表觀特征和工程特性。

在國外，文獻[7]探討了垃圾爐渣在重金屬污染的土壤中的應用。文獻[8-10]對于垃圾爐渣混凝土的物理特性、化學分析、力學特性以及工作性能進行了研究，取得了一定的成果。文獻[11]針對垃圾爐渣用于道路建設中對環境的影響進行了風險評估。同時，國外已經開始將城市垃圾爐渣用于道路建設。但是，對城市垃圾爐渣的研究多是基于工程應用，對其強度特性的影響因素研究較少。

目前，對于生活垃圾焚燒爐渣的物理力學性質的研究較少，尤其是含水率對垃圾爐渣強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度變化具有密切關系，在一定程度上能反映巖土體的力學與強度特性[12]。無側限抗壓強度試驗可以直觀地顯示材料的非飽和強度變化。因此，本文采用超聲波方法，針對不同含水率條件下的垃圾爐渣試樣，進行超聲波波速試驗及無側限抗壓強度試驗。同時，采用PFC 2D軟件對不同含水率條件下爐渣的變形特性進行了模擬，探討了含水率對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電廠經高溫燃燒處理后的副產品，包括爐排上殘留的焚燒殘渣和從爐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看，類似于沙石材料，粒徑分布基本符合道路建設材料的級配要求，抗壓強度大，壓實到高承載力的狀態，可用于路基填筑。垃圾爐渣為黑褐色，含水率(質量分數，下同)為10%～20%[2]。對垃圾爐渣進行掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)分析，爐渣顆粒呈不規則角狀，顆粒大小差別較大，大顆粒表面黏附了較多的小顆粒。

采用電動擊實儀以及T0131—2007土的擊實試驗中的重型擊實(Ⅱ-2)試驗方法，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]，該垃圾爐渣屬于級配良好礫類土，其級配組成滿足《公路路基設計規范》[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，表現出了較好的壓實性能。實際施工過程中，為保障路基的壓實度，應嚴格控制垃圾爐渣的含水率，對垃圾爐渣也可適當堆放，降低含水率，但是堆放時間不宜太長。

2 試樣制備和試驗方法

2.1 試樣制備

試驗采用粒徑2 mm內的垃圾爐渣，在室內選擇粒徑小于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)在試樣對開模中分5層擊實，使每層質量相同，每裝一層用擊錘輕壓使其接觸密實；把接觸面輕微刮擦一下，使每兩層接觸緊密，以免造成裝樣分層現象。試樣制備完成后將其放在室內養護，待達到養護齡期后將其從試樣模中取出，并準確測量試樣的高度、直徑及質量。

2.2 試驗方法

待超聲波測試系統調試完畢后，將試樣的尺寸準確輸入檢測分析儀，將試樣放置于平整的桌面上開始進行超聲波測量。當超聲波檢測分析儀界面的波形出現標準波形時，開始進行數據采集。試樣的波速測定不僅與含水量、干密度和溫度等有關，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[14]。因此，本試驗采取以下措施確保測試的精確性：(1)對垃圾爐渣的含水率和干密度精確測定，并且在整個試驗過程中，用保鮮膜裹住試樣并在盡量短的時間內完成試樣檢測，以保證含水量和干密度的穩定；(2)在室內常溫下，使試驗溫度波動不超過±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定；(4)進行不同溫度條件下的超聲波波速測量時，采用恒溫裝置確保溫度在較小范圍內波動。對垃圾爐渣試樣進行無側限抗壓試驗，其試驗方法不再詳述。

3 試驗結果

3.1 超聲波波速試驗

圖1 干密度1.4 g/cm3時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度變化，材料的超聲波波速與其強度變化表現為正相關關系[12]。以干密度1.4 g/cm3的垃圾爐渣試樣為例進行超聲波波速試驗，研究初始制樣含水率w及養護齡期對垃圾爐渣超聲波波速的影響。干燥度1.4 g/cm3時,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護齡期的增加而變大。初始制樣含水率為15%時，養護齡期7 d的超聲波縱波波速約為1 180 m/s；養護齡期14 d的超聲波縱波波速約為 1 205 m/s；養護齡期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，爐渣試樣的超聲波縱波波速隨含水率的增加表現為先變大再減小的趨勢；初始制樣含水率約15%時，超聲波縱波波速達到峰值；初始制樣含水率15%～17%時，超聲波縱波波速減小速率較快；初始制樣含水率19%時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到最大值。

3.2 無側限抗壓強度試驗

圖2 養護齡期3 d、干密度1.4 g/cm3垃圾爐渣無側限抗壓強度試驗

以干密度1.4 g/cm3的垃圾爐渣為例，對養護齡期 3 d、 不同初始制樣含水率w的垃圾爐渣試樣進行無側限抗壓強度試驗，結果如圖2所示。由圖2可知：含水率15%時的軸向壓力最大；初始制樣含水率13%時軸向壓力比含水率15%時降低約0.03 kN；初始制樣含水率17%比初始制樣含水率13%時軸向壓力降低約0.02 kN；初始制樣含水率10%和19%時軸向壓力最低；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為先增加后減小的趨勢，初始制樣含水率15%時達到最大。初始制樣含水率對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體組成，分別由剛性顆粒單元和鍵來模擬，采用黏結顆粒模型(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。具體參數如下：密度為 1.524 g/cm3；摩擦因數為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；法向聯結強度σn=200 MPa；切向聯結強度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度變化規律

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

圖3 軸向應變為10%時的壓縮變形破碎圖和顆粒間力鏈圖 圖4 軸向應變為20%時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的最大軸向應力模擬結果

利用PFC 2D軟件對不同含水率條件下垃圾爐渣試樣破壞時軸向應力的模擬結果如表1所示。由表1可知：爐渣試樣破壞時的最大軸向應力隨含水率的增加表現為先增加后減小的規律，含水率為14%時，最大軸向應力達到峰值。由此可知：采用PFC 2D軟件針對垃圾爐渣建立模型的模擬計算結果與室內試驗結果相近，從而驗證了垃圾爐渣試樣的強度隨含水率變化的規律。

5 結論

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

(2)垃圾爐渣的超聲波波速試驗與無側限抗壓強度試驗結果相吻合。超聲波波速試驗在實際工程應用中，可以快速、有效地測量垃圾爐渣的強度變化，為其在工程應用中提供可靠依據。

(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程。含水率對垃圾爐渣顆粒的強度特性有明顯的影響，含水率10%～20%時，垃圾爐渣的強度表現為先增加后減小的趨勢。

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

[2] 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.

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

[4] 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].華南理工大學學報(自然科學版),2009,37(12):37-43.

[5] 梁斯敏,樊建軍.中國城市生活垃圾的現狀與管理對策探討[J].環境工程,2014,32(11):123-126.

[6] 徐謙,肖衡林.城市生活垃圾焚燒底渣特性試驗研究[J].環境工程,2014,32(10):104-107.

[7] DERMATAS D,MENG X G.Utilization of fly ash for stabilization/solidification of heavy metal contaminated soils[J].Engineering geology,2003，70(3/4):377-394.

[8] FERRARIS M,SALVO M,VENTRELLA A,et al.Use of vitrified MSWI bottom ashes for concrete production[J].Waste management,2008,29(3):1041-1047.

[9]CHEESEMAN C R,MAKINDE A,BETHANIS S.Properties of lightweight aggregate produced by rapid sintering of incinerator bottom ash[J].Resources conservation & recycling,2005,43(2):147-162.

[10] SORLINI S,ABBA,COLLVIGNARELLI C.Recovery of MSWI and soil washing residues as concrete aggregates[J].Waste management,2011,31(2):289-297.

[11] 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.

[12] 張年學,盛祝平,李曉,等.巖石泊松比與內摩擦角的關系研究[J].巖石力學與工程學報,2011,30(S1):2599-2609.

[13] 中交第二公路落勘察設計研究院.公路路基設計規范:JTG D30—2004[S].北京:人民交通出版社,2004.

[14] 徐曉煉,張茹,戴峰,等.煤巖特性對超聲波速影響的試驗研究[J].煤炭學報,2015,40(4):793-800.

國家自然科學基金項目(41401107)

靳遠(1978-),男,河南鄭州人,高級工程師,碩士生;黃如花(1968-),女,湖北武漢人,教授,博士,博士生導師,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