城市生活垃圾焚燒爐渣的三軸試驗(yàn)研究★

蔡吉圣 黃 銘 徐永福

(1.泰州市城市管理局，江蘇 泰州 225300； 2.泰州市公路管理局，江蘇 泰州 225300；3.上海交通大學(xué)，上海 200240； 4.河海大學(xué)文天學(xué)院，安徽 馬鞍山 243100)

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城市生活垃圾焚燒爐渣的三軸試驗(yàn)研究★

蔡吉圣1黃 銘2徐永福3,4

(1.泰州市城市管理局，江蘇 泰州 225300； 2.泰州市公路管理局，江蘇 泰州 225300；3.上海交通大學(xué)，上海 200240； 4.河海大學(xué)文天學(xué)院，安徽 馬鞍山 243100)

采用常規(guī)三軸試驗(yàn)，測(cè)試了飽和爐渣的剪切強(qiáng)度，分析了飽和爐渣的破壞模式和強(qiáng)度隨齡期的變化規(guī)律，結(jié)果表明：圍壓小的試驗(yàn)中，飽和試樣破壞模式為脆性破壞；圍壓大的試驗(yàn)中，飽和試樣破壞模式為塑性破壞；飽和試樣的內(nèi)摩擦角基本不隨齡期變化，粘聚力隨齡期增加而增加。

生活垃圾，爐渣，三軸試驗(yàn)，內(nèi)摩擦角，粘聚力

1 概述

城市生活垃圾中存在大量高熱值的物質(zhì)，焚燒會(huì)放出熱量，可用來發(fā)電。城市生活垃圾焚燒發(fā)電能大幅度縮減垃圾體積，減少了土地資源的占用量[1]。垃圾焚燒發(fā)電具有減量化、無害化、資源化三大優(yōu)勢(shì)而得到國(guó)人的青睞[2]。城市生活垃圾中有機(jī)物質(zhì)和無機(jī)物質(zhì)經(jīng)焚燒高溫轉(zhuǎn)化為結(jié)晶物質(zhì)，產(chǎn)生焚燒灰渣，城市生活垃圾焚燒灰渣主要由飛灰和爐渣組成，飛灰和爐渣排放比例大約是20/80，爐渣為主[3]。飛灰中富集了重金屬元素和二英類有機(jī)物，危險(xiǎn)廢物進(jìn)行處理[4]。爐渣與粉煤灰成分相同，富含SiO2，Al2O3和Fe2O3等成分，可以資源化利用[5,6]。從爐渣的基本特性和成分看，與砂石類似，最直接的想法是用于路基填筑[7]。盧佩霞等[8]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)、CBR、燒失量等試驗(yàn)，得出爐渣適合作為二級(jí)及以下等級(jí)公路的路基填料的結(jié)論。城市生活垃圾焚燒爐渣(簡(jiǎn)稱爐渣)用作路基填料，需要確定爐渣的剪切強(qiáng)度。本文采用常規(guī)三軸試驗(yàn)測(cè)試飽和爐渣的剪切強(qiáng)度，分析了爐渣試樣的破壞模式和強(qiáng)度隨齡期的變化規(guī)律。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

爐渣試樣取自江蘇省泰州市垃圾焚燒發(fā)電廠，爐渣經(jīng)過粉碎、過2 mm篩，然后加水拌合，擊實(shí)成三軸試樣。三軸試驗(yàn)中，試樣的干密度分別為1.4 g/cm3，1.5 g/cm3和1.6 g/cm3，圍壓分別為50 kPa，100 kPa，200 kPa和400 kPa，剪切速率為0.166 mm/min。爐渣試樣飽和是試樣中孔隙逐漸被水填充的過程，孔隙被水充滿的土稱為飽和土。采用抽氣飽和法，將試樣裝入飽和器后置于干凈、注入清水的密封缸內(nèi)，對(duì)密封缸抽真空，當(dāng)密封缸內(nèi)水不出現(xiàn)氣泡后，保持抽真空時(shí)間為12 h。爐渣試樣的養(yǎng)護(hù)齡期分別為3 d，7 d，14 d和28 d。

2.1 爐渣的應(yīng)力─應(yīng)變關(guān)系

三軸試驗(yàn)中，爐渣試樣的應(yīng)力─應(yīng)變關(guān)系如圖1所示。圖1中分別表示了不同圍壓、不同干密度和不同齡期試樣的應(yīng)力─應(yīng)變關(guān)系。圖1a)中表示了干密度ρd=1.5 g/cm3、齡期t=28 d的爐渣試樣在不同圍壓條件下的應(yīng)力─應(yīng)變關(guān)系，從圖1a)中看出，圍壓越大，爐渣試樣的應(yīng)力─應(yīng)變關(guān)系峰值表現(xiàn)的越不明顯。隨著圍壓增加，爐渣試樣的破壞模式由脆性破壞轉(zhuǎn)化為塑性破壞。圖1b)表示了齡期t=28 d、干密度不同的爐渣試樣在圍壓σ3=100 kPa條件下的應(yīng)力─應(yīng)變關(guān)系，從圖1b)中看出，干密度越大，爐渣試樣的應(yīng)力─應(yīng)變關(guān)系峰值表現(xiàn)的越明顯。三種不同干密度的爐渣試樣，在圍壓σ3=100 kPa條件下的破壞模式均為脆性破壞。圖1c)表示了干密度ρd=1.5 g/cm3、齡期不同的爐渣試樣在圍壓σ3=100 kPa條件下的應(yīng)力─應(yīng)變關(guān)系，從圖1c)中看出，干密度ρd=1.5 g/cm3、齡期不同的爐渣試樣在圍壓σ3=100 kPa條件下的破壞模式均為脆性破壞。

爐渣在三軸試驗(yàn)中的破壞模式如圖2所示。爐渣在三軸試驗(yàn)中的破壞模式表現(xiàn)為脆性破壞和塑性破壞。爐渣在三軸試驗(yàn)中的破壞模式主要受圍壓影響，圍壓越大，塑性破壞的可能性越大。圍壓σ3<200 kPa，爐渣的破壞模式為脆性破壞。在圍壓σ3<200 kPa的三軸試驗(yàn)中，隨著軸向應(yīng)力增大，試樣內(nèi)的應(yīng)力不斷增加，試樣開始出現(xiàn)裂縫。試樣的裂縫從頂、底面開始，多數(shù)裂縫表現(xiàn)為垂直頂、底面的張裂縫。裂縫逐漸向試樣中部發(fā)展，形成傾斜的剪切裂縫，如圖2a)所示。圍壓σ3>200 kPa，爐渣的破壞模式為塑性破壞。在圍壓σ3>200 kPa的三軸試驗(yàn)中，隨著軸向應(yīng)力增大，試樣內(nèi)的應(yīng)力不斷增加，試樣出現(xiàn)鼓脹現(xiàn)象，試樣鼓脹并不一定是從試樣中部開始，常常是從試樣的頂、底面開始，可能與頂、底透水石的排水有關(guān)，如圖2b)所示。

2.2 爐渣的剪切強(qiáng)度參數(shù)

根據(jù)Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，剪切強(qiáng)度表示為：

τf=c+σtanφ

(1)

其中,τ和σ分別為剪切強(qiáng)度和正應(yīng)力；c和φ分別為粘聚力和內(nèi)摩擦角。爐渣試樣內(nèi)任一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)可以用莫爾應(yīng)力圓來表示，強(qiáng)度包絡(luò)線與一組極限應(yīng)力狀態(tài)下的莫爾圓相切，包絡(luò)線在τ軸上的截距為粘聚力c，包絡(luò)線與σ軸夾角為內(nèi)摩擦角φ。

爐渣在三軸試驗(yàn)中的極限應(yīng)力莫爾圓如圖3所示。圖3中表示了干密度ρd=1.5 g/cm3、齡期t=28 d的爐渣試樣在σ3=50 kPa，100 kPa，200 kPa和400 kPa的不同圍壓組合的莫爾圓。圖3a)是圍壓σ3=50 kPa和100 kPa的莫爾圓，試樣的粘聚力和內(nèi)摩擦角分別為144.3 kPa和56.4°；圖3b)是圍壓σ3=100 kPa和200 kPa的莫爾圓，試樣的粘聚力和內(nèi)摩擦角分別為219.7 kPa和51.2°；圖3c)是圍壓σ3=200 kPa和400 kPa的莫爾圓，試樣的粘聚力和內(nèi)摩擦角分別為673.8 kPa和29°；圖3d)是圍壓σ3=100 kPa和400 kPa的莫爾圓，試樣的粘聚力和內(nèi)摩擦角分別為371.4 kPa和40.1°；圖3e)是圍壓σ3=50 kPa和400 kPa的莫爾圓，試樣的粘聚力和內(nèi)摩擦角分別為261.8 kPa和43.9°；圖3f)是圍壓σ3=50 kPa和200 kPa的莫爾圓，試樣的粘聚力和內(nèi)摩擦角分別為175.3 kPa和53.2°。從圖3中的剪切強(qiáng)度參數(shù)看出，與圍壓σ3=400 kPa的應(yīng)力莫爾圓組合得到的粘聚力都偏大、內(nèi)摩擦角都偏小。說明在圍壓σ3=400 kPa的三軸試驗(yàn)中，極限軸向應(yīng)力減小，說明應(yīng)力莫爾圓的包絡(luò)線不是直線，而是向σ軸彎曲的拋物線，如圖4所示。

為了得到爐渣的粘聚力和內(nèi)摩擦角，選取兩個(gè)圍壓的應(yīng)力莫爾圓采用Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則(式(1))確定爐渣的粘聚力和內(nèi)摩擦角。選取圍壓σ3=50 kPa和400 kPa的莫爾圓，確定爐渣的粘聚力和內(nèi)摩擦角，如圖5所示。隨著齡期增加，爐渣的粘聚力增加，爐渣的粘聚力與齡期呈對(duì)數(shù)函數(shù)相關(guān)；隨著齡期增加，內(nèi)摩擦角基本不變。不同齡期的爐渣，干密度不同，內(nèi)摩擦角略有差異。干密度ρd=1.4 g/cm3，ρd=1.5 g/cm3和ρd=1.6 g/cm3的試樣的內(nèi)摩擦角分別為38.2°，44.6°和41.9°。爐渣的粘聚力隨干密度增加而增加，粘聚力顯著增加。

3 結(jié)語

根據(jù)飽和爐渣的三軸試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：1)飽和爐渣的破壞模式分為脆性破壞和塑性破壞，圍壓對(duì)飽和爐渣的破壞模式影響最顯著。在圍壓σ3<200 kPa的三軸試驗(yàn)中，不同干密度和不同齡期的試樣均表現(xiàn)為脆性破壞；在圍壓σ3>200 kPa的三軸試驗(yàn)中，不同干密度和不同齡期的試樣均表現(xiàn)為塑性破壞。2)由不同圍壓的三軸試驗(yàn)的莫爾應(yīng)力圓得到的粘聚力和內(nèi)摩擦角不同，爐渣的應(yīng)力莫爾圓的包絡(luò)線不是直線，而是拋物線。3)不同干密度的爐渣的內(nèi)摩擦角略有不同，隨著齡期增加，爐渣的內(nèi)摩擦角基本不變；爐渣的粘聚力隨干密度增加而增加，隨齡期增加而增加，粘聚力與齡期呈對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系。

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Triaxial tests on Municipal Solid Waste Incinerator(MSWI) bottom ash★

Cai Jisheng1Huang Ming2Xu Yongfu3,4

(1.BureauofTaizhouCityAdministration,Taizhou225300,China; 2.BureauofTaizhouHighwayAdministration,Taizhou225300,China;3.ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China; 4.WentianCollegeofHohaiUniversity,Ma’anshan243100,China)

The paper adopts the regular triaxial test to measure the shearing strength of the saturated cinder, analyzes the damage model of the saturated cinder and the change rule for the strength along with the ages, proves by the result that the damage model of the saturated sample is called the brittle fracture in the test with little ambient pressure, the damage model is named the plastic failure in the test with bigger ambient pressure, the inner friction angle of the sample doesn’t change with the ages and the cohesive force increases along with tine ages.

living waste, cinder, triaxial test, inner friction angle, cohesive force

1009-6825(2016)13-0195-03

2016-02-25★:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：41272318，41472251)

蔡吉圣(1961- )，男，高級(jí)工程師； 徐永福(1967- )，男，博士，博士生導(dǎo)師，教授

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