垃圾電廠飛灰改性水泥土三軸試驗研究

陳建建， 王俊偉， 琚利平， 趙常勝， 沈 旭

(1.浙江省交通集團(tuán)檢測科技有限公司， 杭州 310006； 2.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司， 杭州 310006； 3.浙江省交通投資集團(tuán)有限公司， 杭州 310009)

垃圾飛灰是城市垃圾電廠在煙氣回收系統(tǒng)中收集到的殘余物，其概念有別于火電廠的飛灰。由于垃圾飛灰顆粒粒徑小，易吸水且其中含有重金屬和二堊英等致癌物質(zhì)而不能直接填埋處理，所以將其作為一種改性材料加入到水泥土中來研究水泥土的抗剪強(qiáng)度特性。目前，國內(nèi)對垃圾飛灰的處理主要有2種途徑[1-2]：一是固化與穩(wěn)定化技術(shù)，二是濕式化學(xué)處理。對此，國內(nèi)外學(xué)者對垃圾飛灰的處理方式展開了一系列的研究。姜永海等[3]在高溫實驗室熔爐中對垃圾飛灰進(jìn)行了高溫固化處理，對試驗過后的垃圾飛灰進(jìn)行了相關(guān)的成分分析，研究發(fā)現(xiàn)其中CaO和SiO2等成分隨著溫度的升高而增加，而Cl元素和S元素相應(yīng)減小。張巖等[4]利用一種固化劑(燃煤流化床飛灰)對垃圾飛灰進(jìn)行固化處理，研究結(jié)果表明燃煤流化床飛灰對重金屬Ni、Pb、Cu、Zn的浸出有抑制作用，重金屬浸出率有所減少。濮溧等[5]采用水熱技術(shù)處理垃圾飛灰，向飛灰中加入石英來固化垃圾飛灰，形成一種新型的建筑材料，研究結(jié)果表明在100 ℃條件下，水化硅酸鈣(CSH)形成得越多，飛灰中的有毒物質(zhì)則被吸附的也越多。張明遠(yuǎn)等[6]以垃圾飛灰為造球原料，以快凝水泥固化技術(shù)來降解垃圾飛灰中的有毒有害物質(zhì)。以上研究只是針對于將垃圾飛灰作為一種危險廢棄物用另外一種固化劑去降解和吸附，而不是真正地利用垃圾飛灰的特殊材料特性，所以在研究垃圾飛灰特性上有一定的局限性，還未能將垃圾飛灰材料真正用于工程實際。

鑒于垃圾飛灰材料具有粒徑較小、在顯微狀態(tài)下觀察到粒徑表面粗糙且呈多角質(zhì)狀、空隙率較高等特點，筆者將垃圾灰加入到水泥土中，基于室內(nèi)GDS三軸試驗，研究在不同飛灰摻量、不同圍壓和養(yǎng)護(hù)齡期下水泥土抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律，系統(tǒng)分析垃圾飛灰、養(yǎng)護(hù)齡期對水泥土的特殊影響。

1 試驗方案

1.1 試驗原材料

本次試驗用土取自杭州余杭某正在施工的建筑工地地表以下5 m處。通過室內(nèi)基本土工試驗可測得其基本物理力學(xué)性能參數(shù)，見表1。水泥采用杭州錢潮牌水泥，水泥標(biāo)號為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其相關(guān)物理力學(xué)性能指標(biāo)見表2。

表1 土的物理性能指標(biāo)

表2 水泥的安定性指標(biāo)

試驗所采用的垃圾飛灰為杭州某垃圾發(fā)電廠產(chǎn)生的垃圾飛灰。從外觀上看，垃圾飛灰顆粒較小、質(zhì)量輕，顏色呈淡黃色的粉末狀顆粒物質(zhì)，與土壤顏色較為接近，如圖1所示。

從SEM電鏡掃描儀上觀察其微觀性質(zhì)，垃圾飛灰由各種各樣不規(guī)則的球狀或粒狀顆粒物和許多未知的結(jié)晶物質(zhì)堆疊形成，孔隙較多，比面積大，具有較強(qiáng)的吸附性，如圖2所示。

為充分地分析其成分，用XRD衍射儀分析垃圾飛灰中的相關(guān)元素組成，可得到有關(guān)垃圾飛灰的衍射峰圖，如圖3所示。對衍射圖用Jade分析軟件，可得到垃圾飛灰中具體的化學(xué)組成，見表3。由衍射分析可知，在這種垃圾飛灰中含有大量的Si、Al、Ca、Cl等元素，其中SiO2、Al2O3和CaO分別占36.5%、15.3%和20.1%，另外還有一些重金屬元素如Cu、Pb、Zn等。

圖1 垃圾飛灰圖片

圖2 垃圾飛灰電鏡掃描圖

圖3 XRD衍射圖

表3 垃圾飛灰化學(xué)成分

1.2 試樣的制作及養(yǎng)護(hù)

首先，將烘干后的土過2 mm篩后，依據(jù)試驗開始前設(shè)計的配合比，并參考JGJ T233—2011《水泥土配合比設(shè)計規(guī)程》[7]，根據(jù)已擬定的垃圾飛灰摻入量、水灰比和水泥摻入量，分別計算出在烘干土中所需的用水量、垃圾飛灰摻入量和水泥摻入量；其次將過篩后的土和稱量好的水泥、垃圾飛灰放在密閉容器中充分拌勻，為防止揚塵，在拌和均勻后用塑料保鮮膜靜置5 min，隨后，加入所需用水量充分?jǐn)嚢?，制備試樣；再者將充分?jǐn)嚢杈鶆虻睦w灰水泥土分3～5次依次裝入模具中，在每次倒入模具后用擊錘擊打15次，使其密實并制成高80 mm、直徑39.1 mm的圓柱體；最后，在容器中靜置5 h后脫模，再用塑料保鮮膜包裹放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)至齡期，取出后在GDS三軸儀上進(jìn)行三軸剪切試驗。

試樣制備好后，用提前準(zhǔn)備好的保鮮膜將試樣密封包裹，為保證試樣的密封性和不透水性，采用橡皮帶在保鮮膜外包裹并采用記號筆標(biāo)記上飛灰摻量、水泥摻量和養(yǎng)護(hù)齡期，最后將包裹好的試樣放入試驗養(yǎng)護(hù)室內(nèi)并記錄放入養(yǎng)護(hù)室的具體時間，養(yǎng)護(hù)室內(nèi)控制濕度為100%，溫度為13 ℃。

1.3 試驗過程

試驗中試樣含水率、養(yǎng)護(hù)條件、成型密度都相同(控制所有試樣的含水率為30%，成型密度為1.43)，且水泥摻入比在10%時飛灰摻量為0%、5%、10%、15%、20%，養(yǎng)護(hù)齡期分別為7 d、14 d和28 d的條件下，探討水泥土的抗剪強(qiáng)度特性。試驗配合比見表4。

表4 試驗方案

注：水泥摻入比為水泥質(zhì)量與干土質(zhì)量之比；飛灰摻入量為飛灰質(zhì)量與干土質(zhì)量之比。

試樣按表4配合比制樣，并在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)至要求齡期。在試樣養(yǎng)護(hù)好后，按照J(rèn)GJ T233—2011《水泥土配合比設(shè)計規(guī)程》[7],先真空抽氣飽和，然后再對三軸室內(nèi)的試樣施加20 kPa的圍壓，用反壓飽和進(jìn)行飽和，當(dāng)B值>0.95以上時，再停止飽和。試驗中采用固結(jié)排水三軸試驗。各個齡期下每種配合比的垃圾飛灰水泥土分別在100 kPa、200 kPa和300 kPa三個圍壓下進(jìn)行試驗。在剪切試驗過程中，剪切速率控制為0.6 mm/min。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 同一養(yǎng)護(hù)齡期不同飛灰摻量下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

在不同飛灰摻量下，對水泥土進(jìn)行固結(jié)排水試驗，并在試驗后整理相關(guān)數(shù)據(jù)，得到偏應(yīng)力與軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線、體應(yīng)變與軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線、有效應(yīng)力與軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線，如圖4～圖6所示。以圍壓100 kPa為例進(jìn)行分析，在圍壓100 kPa下，養(yǎng)護(hù)齡期為7 d、14 d和28 d的應(yīng)力-應(yīng)變變化關(guān)系曲線如圖4所示。由圖4可知，曲線基本上呈應(yīng)變軟化型，歷經(jīng)明顯的4個階段：線性增長階段、屈服階段、峰值應(yīng)變軟化階段及殘余強(qiáng)度階段。由XRD試驗可知，垃圾飛灰中的主要成分為SiO2和CaO，前期由于飛灰活性成分和水泥中的成分產(chǎn)生火山灰反應(yīng)，生成比較堅硬的水化硅酸鈣物質(zhì)以抵擋外界壓力，前期應(yīng)變硬化階段是呈線性增長的，隨著軸向壓力的逐漸增大，水泥土中的孔隙逐漸被壓密實，水泥土可恢復(fù)的彈性應(yīng)變逐漸減小，而相對應(yīng)的塑性變形逐漸增加，最后在圍壓作用下，維持在一個相對穩(wěn)定的殘余強(qiáng)度階段。從圖4還可以看出，在圍壓100 kPa作用下，試樣在7 d、14 d、28 d的養(yǎng)護(hù)齡期下其破壞應(yīng)變都在2%～4%之間。

軸向應(yīng)變與體應(yīng)變的關(guān)系曲線如圖5所示。從圖5可以發(fā)現(xiàn)，摻加飛灰的水泥土在剪切過程中試樣體積都經(jīng)歷了先減小后增大的過程，體應(yīng)變由負(fù)轉(zhuǎn)正，即歷經(jīng)開始的剪脹到之后的剪縮過程。土中有效應(yīng)力的變化過程，由太沙基( Terzaghi) 1923年提出的飽和土的有效應(yīng)力原理公式σ=σ＇+u可知，孔隙水壓力u=σ-σ＇。在總應(yīng)力一定時，圖6中孔隙水壓力隨著軸向應(yīng)變的增大呈先減小后增大的趨勢。垃圾飛灰超固結(jié)水泥土在排水剪切中不但不排出水分，反而因剪脹而有吸水的趨勢。在同一圍壓下，隨著飛灰含量的增加，剪縮性逐漸增大，在試樣排水剪切后期剪脹速率大于剪縮速率，則體應(yīng)變先壓縮后膨脹，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈軟化型，如圖5所示，這與圖4中應(yīng)力-應(yīng)變曲線相對應(yīng)。在應(yīng)變10%左右時，飛灰摻量10%體應(yīng)變增大速率最快。

2.2 同一圍壓不同養(yǎng)護(hù)齡期下的強(qiáng)度特性

不同圍壓下飛灰摻量和極限應(yīng)力差之間的關(guān)系曲線如圖7所示。從圖7可以看出，隨著飛灰摻量的增加，偏應(yīng)力呈逐漸增大趨勢。其次，適宜的飛灰摻量有助于提高水泥土的抗剪強(qiáng)度。在3種圍壓下，當(dāng)飛灰摻量為10%、養(yǎng)護(hù)齡期為14 d時，偏應(yīng)力差達(dá)到一個極大值，且從飛灰摻量增長的各個階段來看，當(dāng)飛灰摻量為5%～10%時偏應(yīng)力的增長速率最快。由此可知，當(dāng)水泥摻量為10%、飛灰摻量在5%～10%時，最有利于水泥土抗剪強(qiáng)度的提高。付全越[8]曾研究得出，垃圾飛灰摻量在4%～10%是提高垃圾飛灰水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的合理范圍，此結(jié)論與筆者所得合適摻量范圍相一致。

(a) 養(yǎng)護(hù)齡期7 d

(b) 養(yǎng)護(hù)齡期14 d

(c) 養(yǎng)護(hù)齡期28 d

圖5 體應(yīng)變與軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線(28 d)

圖6 軸向應(yīng)變與有效應(yīng)力的關(guān)系曲線(28 d)

(a) 圍壓100 kPa

(b) 圍壓200 kPa

(c) 圍壓300 kPa

由于垃圾飛灰的比表面積大、顆粒較細(xì)，在微顆粒效應(yīng)的作用下，利用其圓滑性不斷擴(kuò)散到水泥土的孔隙結(jié)構(gòu)中，從而充填孔隙結(jié)構(gòu)，致使水泥土密實度提高以抵抗外界壓力。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增大，水泥土各階段偏應(yīng)力差呈逐漸增大的趨勢。從齡期 7 d～14 d，偏應(yīng)力的增加不顯著，到28 d時增長較為明顯。在水泥與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后，飛灰中的活性成分(SiO2和CaO)發(fā)生水化反應(yīng)，形成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣等物質(zhì)，從而提高了水泥土的前期抗剪強(qiáng)度。

由粉煤灰作為外摻料應(yīng)用于水泥土研究可知[9-10]，在養(yǎng)護(hù)前期加入粉煤灰可以有效提高抗剪強(qiáng)度。在飛灰摻量為10%～15%時，飛灰水泥土的偏應(yīng)力呈降低的趨勢，但因在垃圾飛灰中存在較多Cl元素，所以在后期內(nèi)部不斷的化學(xué)反應(yīng)過程中，形成了較多的無機(jī)氯化物，如NaCl、KCl及MgCl2等，這種金屬離子可以吸附在硅酸鈣等物質(zhì)的表面，形成一種不穩(wěn)定層，降低結(jié)構(gòu)物的強(qiáng)度。史晉榮等[11]曾研究氯化鈉溶液和氯化鎂溶液對水泥土的侵蝕作用，結(jié)果表明鈉離子和鎂離子等形成的氯化物對水泥土的強(qiáng)度和變形都有不利影響。

Bishop[12]曾定義IB的方程為：

(1)

式中：IB為強(qiáng)度衰減系數(shù);σdp是峰值破壞強(qiáng)度，kPa；σdr為殘余強(qiáng)度，kPa。由不同飛灰摻量與極限應(yīng)力差的關(guān)系可得出對應(yīng)的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度，由公式(1)可得出各個飛灰摻量下的脆性指標(biāo)值。

不同圍壓下各組試樣的脆性指標(biāo)關(guān)系如圖8所示。由圖8可知，各組飛灰摻量下水泥土的穩(wěn)定性隨圍壓的增加而逐漸穩(wěn)定，其中飛灰摻量在20%時對圍壓最敏感，飛灰摻量在0%和5%時，水泥土的穩(wěn)定性隨圍壓變化不大。

2.3 不同飛灰摻量對垃圾飛灰水泥土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響

與傳統(tǒng)水泥土相比，摻入垃圾飛灰的水泥土是一個多相的復(fù)雜體，由經(jīng)典土力學(xué)可知，土的抗剪強(qiáng)

圖8 不同圍壓下各組試樣的脆性指標(biāo)關(guān)系

度取決于土體的2個基本參數(shù)：內(nèi)聚力c和內(nèi)摩擦角φ。由莫爾-庫倫破壞準(zhǔn)則可知，土體發(fā)生剪切破壞時，土體抗剪強(qiáng)度計算公式為：

τf=c+σ·tanφ

(2)

式中：c為內(nèi)聚力；φ為內(nèi)摩擦角；σ為正應(yīng)力。

不同養(yǎng)護(hù)齡期下的抗剪強(qiáng)度值見表5，飛灰摻量和內(nèi)聚力的關(guān)系如圖9所示，飛灰摻量和內(nèi)摩擦角的關(guān)系如圖10所示。

由圖9可以看出，內(nèi)聚力隨飛灰摻量變化的規(guī)律性和抗剪強(qiáng)度值有相似性。飛灰摻量在0%～10%時，內(nèi)聚力逐步提高，在10%時達(dá)到極大值。在飛灰摻量為10%～15%時，內(nèi)聚力急劇下降，此階段也是整個飛灰摻量增加的過程中內(nèi)聚力降低的唯一階段，在實際應(yīng)用中應(yīng)規(guī)避這一時期的飛灰摻量。

表5 不同養(yǎng)護(hù)齡期下抗剪強(qiáng)度

注：圍壓1、圍壓2和圍壓3分別對應(yīng)100 kPa、200 kPa和300 kPa。

圖9 飛灰摻量與內(nèi)聚力的關(guān)系曲線

由圖10可知，水泥土內(nèi)摩擦角在19°～33°之間。從整體上看，內(nèi)摩擦角隨著飛灰摻量的增加而增大，在飛灰摻量為15%時，各個齡期水泥土的內(nèi)摩擦角達(dá)到極大值。內(nèi)摩擦角與飛灰摻量之間存在一定的非線性關(guān)系，由計算得出的內(nèi)摩擦角值來模擬非線性回歸曲線方程。不同飛灰摻量水泥土的內(nèi)

圖10 飛灰摻量與內(nèi)摩擦角的關(guān)系曲線

摩擦角與飛灰摻量關(guān)系曲線可擬合為一元三次非線性方程：

φ=ax3+bx2+cx+d

(3)

式中：a、b、c、d均為試驗參數(shù)值，其值的大小決定擬合曲線的形狀。

飛灰摻量與內(nèi)摩擦角的擬合曲線如圖11所示。從圖11中按照式(3)的非線性擬合效果來看，選用此種非線性回歸方程較為理想，再由非線性擬合參數(shù)的迭代法反算可得出3個齡期下垃圾飛灰水泥土的一元三次非線性方程的系數(shù)和相關(guān)系數(shù)的值，結(jié)果見表6。由表6可知，在齡期為28 d時，相關(guān)系數(shù)較高。綜上所述，在養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時接近理想非線性模型。

圖11 飛灰摻量與內(nèi)摩擦角的擬合曲線

表6 內(nèi)摩擦角非線性方程的擬合參數(shù)

3 結(jié)論與建議

本文對垃圾飛灰水泥土進(jìn)行了三軸固結(jié)排水試驗研究，并將相關(guān)抗剪強(qiáng)度試驗結(jié)果進(jìn)行了對比分析，得到了如下主要結(jié)論：

1) 在圍壓作用下，隨著飛灰摻量和養(yǎng)護(hù)齡期的增加，垃圾飛灰水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)為應(yīng)變軟化，有較為明顯的塑性變形階段。飛灰摻量在5%～10%時，水泥土的抗剪強(qiáng)度增長最快；在飛灰摻量為10%、養(yǎng)護(hù)齡期為14 d時，水泥土抗剪強(qiáng)度達(dá)到極大值。

2) 根據(jù)各個水泥土試樣的脆性指標(biāo)分析可得，飛灰摻量在20%時水泥土試樣的脆性指標(biāo)較大，表示其在此飛灰摻量下容易產(chǎn)生變形且強(qiáng)度不高。在飛灰摻量為10%時，內(nèi)聚力達(dá)到極大值；在飛灰摻量為15%時，內(nèi)摩擦角達(dá)到極大值。

3) 采用非線性方程(一元三次方程)可以較好地擬合內(nèi)摩擦角和飛灰摻量之間的關(guān)系，且擬合相關(guān)系數(shù)為0.984 3。