含水率對生活垃圾爐渣強度特性的影響

宋丹青+宋宏權(quán)+項國圣+馮興波

摘 要：生活垃圾爐渣可以作為新型路基材料使用，為研究含水率對其強度特性的影響，首先對其材料特性進行分析，其次對含水率10%～20%范圍內(nèi)的垃圾爐渣進行超聲波波速試驗、飽和三軸固結(jié)排水剪切試驗及無側(cè)限抗壓強度試驗.結(jié)果表明：垃圾爐渣的主要成分為SiO2，最佳含水率約為15.5%，最大干密度約為1.52 g·cm-3，屬于級配良好礫類土；含水率對垃圾爐渣的強度具有影響，含水率10%～20%范圍內(nèi)的垃圾爐渣的超聲波波速、最大主應力差及單軸抗壓強度隨初始制樣含水率的增加表現(xiàn)為先增加后減小的趨勢，含水率約15%時達到峰值；基于彈性理論，得到了不同含水率時爐渣的泊松比、粘聚力及單軸抗壓強度的關系，可為深入分析爐渣的強度特性提供理論依據(jù).

關鍵詞：垃圾爐渣；強度特性；含水率；泊松比

中圖分類號：U414 文獻標志碼：A

目前我國城市生活垃圾主要采用填埋進行處理，隨著垃圾爐渣的日益增多，并且含有對環(huán)境威脅的有毒微量元素[1]，垃圾爐渣處置問題也變得日趨困難[2]，因此，采取環(huán)境友好的處理方式顯得尤為重要.垃圾爐渣的物理、工程性質(zhì)與天然骨料相似，可用于新型建筑替代材料[3].由于我國公路的大規(guī)模建設導致道路建設材料日益短缺，若能將垃圾爐渣作為鋪路的替代材料，既可緩解道路建設材料的短缺問題，又可節(jié)省用以填埋的土地資源[4].

垃圾爐渣用于新型建筑材料的資源化利用及其工程特性的研究已取得初步的研究成果.在國內(nèi)，陳德珍等[2]從能源消耗及環(huán)境排放等方面，研究了采用垃圾爐渣替代部分碎石集料鋪路的可行性；張濤等[4]研究了將垃圾爐渣用于混凝土的可行性及其最佳替代率等問題；謝燕等[5]研究了垃圾爐渣用作混合料對水泥性能及對環(huán)境的安全性影響；石愛娟等[6]對垃圾爐渣的物理及化學性質(zhì)進行了分析，探討了將其用作路基集料的可行性.劉棟等[7]以垃圾爐渣集料替代天然集料制備水泥穩(wěn)定爐渣碎石試驗，分析了爐渣集料粒徑及養(yǎng)護齡期等對其強度性能的影響.在國外，Dermatas等[8]探討了垃圾爐渣在受重金屬污染的土壤中的應用，Chimenos等[9]、Ferraris等[10]和Sorlini等[11]針對爐渣混凝土的物理、化學及力學特性等方面的研究也取得初步的成果；Hjelmar等[12]針對將垃圾爐渣用于道路建設對環(huán)境的影響進行了風險評估；Becquart等[13]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變變化規(guī)律；Zekkos等[14]采用飽和三軸固結(jié)排水試驗得到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，例如丹麥[12]和荷蘭[15].

針對垃圾爐渣的研究多是基于其工程應用，而未對其強度特性進行深入研究，尤其是含水率對其強度的影響.首先對垃圾爐渣的材料特性進行分析，針對不同含水率的爐渣試樣進行超聲波波速測定試驗、飽和固結(jié)排水三軸試驗及無側(cè)限抗壓強度試驗，探討了不同含水率對其強度特性的影響.基于彈性理論建立爐渣的泊松比、粘聚力及單軸抗壓強度間的關系，為其在路基工程中的應用提供依據(jù).

1 材料特性

1.1 化學性質(zhì)

本文選用的生活垃圾爐渣取自江蘇某垃圾發(fā)電廠，采用PANalytical Xpert PRO型X射線衍射儀進行了XRD測定.由圖1（a）[16]可知，垃圾爐渣的主要成分為SiO2，CaO，Al2O3和Fe2O3（表1），同時含有少量Ca+，Na+，K+，Mg+.由圖1（a）可知，SiO2的衍射峰較為明顯、尖銳，表明其礦物組成主要為結(jié)晶良好的SiO2，含有少量的CaCO3，CaAl2Si2O8.爐渣的XRD圖片衍射鋒尖銳，饅頭峰很弱，表明爐渣內(nèi)含有極少量的非結(jié)晶玻璃體[5].

1.2 物理性質(zhì)

垃圾爐渣呈黑褐色，含水率為10%～20%.采用Philips XL30型掃描電鏡對其表面形貌進行觀測（圖1（b））[5]，并對爐渣進行SEM分析可知，爐渣顆粒呈不規(guī)則角狀，較多的小顆粒粘附在大顆粒表面，高倍放大后可見少量的粒狀及片狀的結(jié)晶物.垃圾爐渣的顆粒分布曲線如圖2（a），其中液限為39.4%，塑限為13.5%.采用電動擊實儀及T0131-2007擊實試驗中的重型擊實試驗方法，爐渣的擊實試驗曲線如圖2（b）所示，測得最佳含水率約為15.5%，最大干密度約為1.52 g·cm-3，這與已有文獻結(jié)果相近[17].該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(guī)范》.由爐渣的擊實曲線可知，最佳含水量之前的含水量曲線較陡，但是大于最佳含水量后曲線則較緩.由此可知，爐渣在含水率變化較大的范圍內(nèi)，表現(xiàn)出了較好的壓實性能.

2 試驗制備和試驗方法

本試驗采用粒徑2 mm內(nèi)的爐渣，試樣制備方法如下：首先均勻拌和加水后的爐渣，按照不同干密度及含水率在試樣模中分5層擊實，每層用擊錘使其接觸密實，然后把接觸面輕刮一下，使每兩層接觸緊密，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，待達到養(yǎng)護齡期后將其從試樣模中取出，并準確測量其高度、直徑及重量.

超聲波試驗方法如下：首先對NM4A超聲檢測分析儀進行調(diào)試，將試樣的尺寸準確輸入檢測分

析儀，開始進行超聲波測量.當檢測分析儀界面的波形出現(xiàn)標準波形時，可以開始采樣進行縱波及橫波的數(shù)據(jù)采集，橫波波速采用轉(zhuǎn)換器獲得.采用SJIA G型三軸剪力儀，針對不同初始制樣含水率的爐渣進行飽和固結(jié)排水試驗.試驗方法如下：首先將爐渣試樣放入真空飽和裝置，然后開啟真空泵進行抽氣飽和，在試樣抽氣飽和12 h后將爐渣試樣取出放置于三軸儀內(nèi)，設置圍壓后打開圍壓閥，關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TSW5土工試驗維基數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集.限于篇幅原因，無側(cè)限抗壓試驗的試驗方法不再贅述.

3 試驗結(jié)果

3.1 超聲波試驗

超聲波在試樣中的傳播速度可以反映材料的強度特性[18-19].由于爐渣的超聲波縱波及橫波波速變化規(guī)律相似，為方便分析，以爐渣的縱波波速為例，不同含水率爐渣的縱波波速見圖3，縱波波速隨干密度的增加而增加，隨養(yǎng)護齡期的增加而變大.含水率10%～20%范圍內(nèi)，縱波波速隨含水率的增加呈先變大再減小的變化趨勢，含水率約15%時達到峰值，含水率15%～17%范圍內(nèi)波速減小速率最快，含水率20%時的波速最小.干密度1.5 g·cm-3時，含水率對爐渣的波速影響最小.例如齡期7天時，干密度1.4 g·cm-3縱波波速的最大與最小值相差約60 m/s，干密度1.5 g·cm-3相差約為25 m/s，干密度1.6 g·cm-3相差約為45 m/s.

3.3 無側(cè)限試驗

以干密度1.4 g·cm-3齡期3 d的試樣為例，進行無側(cè)限抗壓強度試驗可知，含水率約15%時的單軸抗壓強度最大，含水率13%時降低約為0.3 kN，含水率17%比含水率13%降低約0.2 kN，含水率10%和19%時單軸抗壓強度最低.由此可知，爐渣的抗壓強度隨著含水率的增加表現(xiàn)為先增加后減小的趨勢，含水率約15%時達到最大.繪制不同齡期干密度1.4 g·cm-3時的單軸抗壓強度隨含水率的變化曲線見圖6，其變化規(guī)律與之相似，由此可知含水率對爐渣的抗壓強度影響較大，最佳含水率附近強度較大.

綜上所述，爐渣的超聲波波速、主應力差峰值及單軸抗壓強度隨含水率的變化趨勢基本一致.爐渣隨含水率變化的根本力學機制可概括如下：含水率很低時，爐渣顆粒間基本無粘聚力，含水率小于最優(yōu)含水率（15.5%）范圍內(nèi)，隨著含水率的增加，爐渣試樣的密度也隨之增加，此外爐渣顆粒間由于水的吸附作用，使爐渣顆粒的黏聚力逐漸增加，抗剪強度也隨之增加；含水率達到爐渣最優(yōu)含水率后，爐渣顆粒間的結(jié)膜水厚度增大，基質(zhì)吸力隨之減小，孔隙水壓力使有效應力減小，其粘聚力和內(nèi)摩擦角也隨之減小，導致其抗剪強度下降.

結(jié)論：

1）垃圾爐渣的礦物組成主要為結(jié)晶良好的SiO2，含有少量的CaCO3，CaAl2Si2O8.最佳含水率約為15.5%，最大干密度為1.52 g·cm-3，屬于級配良好礫類土，可作為道路路基填筑材料使用.

2）含水率對垃圾爐渣的強度影響較大.含水率10%～20%范圍內(nèi)，超聲波波速表現(xiàn)為先增加后減小的趨勢，無側(cè)限試驗表明軸向承載力也表現(xiàn)為先增大后變小，最佳含水率附近達到峰值，其中含水率15%～17%階段爐渣的波速及承載力下降較快.飽和三軸固結(jié)排水試驗表明：爐渣的主應力差峰值及粘聚力隨初始制樣含水率的增加呈先增加后減小趨勢.其力學機制為：低于最優(yōu)含水率范圍內(nèi)，隨著含水率的增加，爐渣的粘聚力隨之增加，造成抗剪強度也隨之增加；達到爐渣最優(yōu)含水率后，其粘聚力和內(nèi)摩擦角也隨之減小，導致其抗剪強度下降.

3）采用超聲波波速測定試驗可以測得爐渣的泊松比，采用飽和固結(jié)排水三軸試驗測定其粘聚力和內(nèi)摩擦角，使用無側(cè)限抗壓試驗測定其單軸抗壓強度.結(jié)合爐渣的泊松比、單軸抗壓強度及粘聚力，建立不同含水率條件下三者的關系，為研究爐渣的強度特性提供理論基礎.

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