張攀，徐永福

(上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海200240)

　　摘要：生物質(zhì)垃圾爐渣是一種典型的顆粒狀材料，可以代替骨料作為路基墊層材料。為了研究干密度對(duì)爐渣力學(xué)特性的影響規(guī)律，對(duì)干密度為0.9，1.0，1.1g／cm³。的爐渣試樣進(jìn)行三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：爐渣力學(xué)特性與應(yīng)力狀態(tài)和干密度密切相關(guān)；松散爐渣的應(yīng)力.應(yīng)變曲線呈現(xiàn)硬化特性，緊密爐渣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線軟化特征明顯；爐渣的初始彈性模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角均隨著干密度的提高而增大。

　　隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市垃圾日益增多。其主要處理方式為填埋、焚燒、堆肥等。由于成本、技術(shù)等原因，中國仍然主要采用焚燒方式。該方法需重點(diǎn)考慮對(duì)環(huán)境的影響，盡量實(shí)現(xiàn)廢物再利用。固體垃圾焚燒的主要產(chǎn)物為粉煤灰和爐渣。粉煤灰已被廣泛應(yīng)用于混凝土和煤礦充填，爐渣可作為工業(yè)陶瓷中的催化燒結(jié)劑，在土木工程中可替代骨料作為路基填筑材料。

　　國內(nèi)外對(duì)于爐渣的研究取得了較多的成果。XIE等[1]分析了爐渣的物理化學(xué)特性，評(píng)估了其作為路基材料的可行性。LE等[2]通過三軸固結(jié)排水試驗(yàn)測(cè)定了爐渣的黏聚力、內(nèi)摩擦角、變形模量等基本力學(xué)參數(shù)。馮興波等[3]對(duì)城市垃圾爐渣進(jìn)行了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，分析了不同干密度試樣在不同齡期下的強(qiáng)度特性。徐永福[4]通過三軸試驗(yàn)研究了生活垃圾爐渣在飽和狀態(tài)下的強(qiáng)度特性，并提出可以通過大、小主應(yīng)力之間的關(guān)系確定爐渣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。宋丹青等[5]研究了含水率對(duì)生活垃圾爐渣強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)爐渣在最優(yōu)含水率附近具有最大抗剪強(qiáng)度。張遠(yuǎn)博等[6]采用離散元軟件PFC3D對(duì)垃圾爐渣的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了模擬，分析了其應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系，探討了邊界剛度對(duì)剪切強(qiáng)度參數(shù)和壓縮模量的影響，為爐渣的研究提供了一種新思路。

　　目前針對(duì)爐渣力學(xué)性能方面的研究多側(cè)重于原材料、顆粒級(jí)配、應(yīng)力狀態(tài)等因素對(duì)其強(qiáng)度與變形特性的影響。而實(shí)際上粗粒料的力學(xué)響應(yīng)不僅取決于應(yīng)力狀態(tài)，還與密實(shí)程度有關(guān)，因此本文主要分析干密度對(duì)爐渣強(qiáng)度及變形特性的影響。

　　1試驗(yàn)方案

　　1.1試驗(yàn)材料

　　試驗(yàn)用爐渣取自江蘇省南通市垃圾焚燒廠，原狀爐渣呈灰色顆粒狀，形狀各異，通過篩分試驗(yàn)，得到如圖1所示的顆粒級(jí)配曲線。粒徑大于1mm的粗粒約占60％，不均勻系數(shù)為21，級(jí)配良好。爐渣礦物成分主要為石英、石膏、方解石、微斜長石以及磁鐵礦，其中石英含量46％。爐渣中主要氧化物為CaO，SiO₂，F(xiàn)e₂O₃，SO₃，含量高達(dá)70％，見表1。

　　1.2試驗(yàn)方法

　　將粒徑小于2mm的爐渣加水拌合至含水率為22％，塑料袋密封12h。根據(jù)不同干密度稱取相應(yīng)質(zhì)量的爐渣，在試樣模中分5層擊實(shí)，試樣高度80mm，直徑39.2mm。文獻(xiàn)[2]提出爐渣三軸試驗(yàn)剪切速率最好控制在0.009～0.144mm／min，本試驗(yàn)剪切速率控制在0.055mm／min。本文在3種干密度(0.9，1.0，1.1g／cm³)下開展三軸固結(jié)排水試驗(yàn)，每一種干密度下進(jìn)行3組試驗(yàn)，圍壓分別為50，100，200kPa。

　　2試驗(yàn)結(jié)果與分析

　　2.1應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

　　參考臨界狀態(tài)土力學(xué)，三軸試驗(yàn)中當(dāng)應(yīng)變超過20％時(shí)，試樣的應(yīng)力分布已經(jīng)不均勻，應(yīng)力一應(yīng)變曲線關(guān)系出現(xiàn)失真，因此本文取爐渣應(yīng)變20％段進(jìn)行分析。爐渣的應(yīng)力一應(yīng)變曲線見圖2。圖中縱坐標(biāo)為大、小主應(yīng)力差σ1-σ3，橫坐標(biāo)為豎向應(yīng)變εa。在低圍壓(50，100kPa)下爐渣應(yīng)力一應(yīng)變曲線大多呈應(yīng)變軟化型，有明顯的峰值強(qiáng)度，而在高圍壓下(200kPa)應(yīng)力.應(yīng)變曲線呈硬化型。松散爐渣應(yīng)力.應(yīng)變曲線呈現(xiàn)硬化特性，緊密爐渣應(yīng)力-應(yīng)變曲線軟化特征明顯。爐渣應(yīng)力一應(yīng)變曲線特性由圍壓和干密度共同決定，緊密爐渣在高圍壓下也可能出現(xiàn)應(yīng)變硬化。

　　2.2峰值強(qiáng)度

　　不同圍巖下爐渣的峰值強(qiáng)度(σ1-σ3)max隨干密度ρd變化曲線見圖3。可見：隨著干密度的增加，峰值強(qiáng)度也隨之增大，但其增長幅度明顯減小。在低圍壓下峰值強(qiáng)度相對(duì)較小，且其增長幅度明顯比高圍壓時(shí)低。如圍壓200kPa時(shí)干密度由0.9g／cm³增加到1.0g／cm³，峰值強(qiáng)度增加了176kPa，而圍壓50kPa時(shí)僅增加了76kPa。這主要是因?yàn)橄嗤瑖鷫合赂擅芏仍酱箢w粒之間孔隙越小，排列越緊密，嵌入咬合作用越明顯，在剪切變形過程中能承受較大的應(yīng)力，峰值強(qiáng)度高；初始干密度一定時(shí)，圍壓越大試樣壓縮變形越大，相對(duì)密實(shí)度提高導(dǎo)致強(qiáng)度明顯增大。因此，爐渣的峰值強(qiáng)度不僅與圍壓有關(guān)，還與干密度緊密相關(guān)。

　　2.3初始彈性模量

　　不同圍壓下爐渣的初始彈性模量E1隨干密度ρd變化曲線見圖4。可見：初始彈性模量隨著干密度的增大而增大，如圍壓50kPa、干密度由0.9g／cm³增至1.0g／cm³時(shí)，初始彈性模量從62kPa增至114kPa，增幅84％。同時(shí)，圍壓越大初始彈性模量亦越大，但其影響遠(yuǎn)小于干密度，如干密度為0.9g／cm³，圍壓從50kPa提高到100kPa時(shí)，初始彈性模量從62kPa提高到74kPa，增幅僅19％。這主要是因?yàn)楦擅芏仍酱箢w粒排列越緊密，剪切過程中豎向能承受較大荷載，而圍壓對(duì)于初始彈性模量的作用未充分發(fā)揮出來，干密度起主要作用。在相同荷載作用下初始彈性模量越大變形越小，因此采用爐渣填筑路基時(shí)可以提高干密度，增大初始彈性模量，從而減小路基變形。

　　2.4抗剪強(qiáng)度

　　根據(jù)摩爾-庫侖定律可以得到抗剪強(qiáng)度表達(dá)式。

　　干密度為0.9g／cm³時(shí)爐渣的抗剪強(qiáng)度可由圖5確定。同樣方法可求得其他2種干密度下爐渣的抗剪強(qiáng)度，結(jié)果見表2。可見：隨著干密度的增加，黏聚力和內(nèi)摩擦角均增大。這是因?yàn)闋t渣干密度越大孔隙比越小，固體顆粒之間的膠結(jié)咬合作用越強(qiáng)，致使黏聚力和內(nèi)摩擦角提高。

　　3結(jié)論

　　本文對(duì)不同干密度的爐渣進(jìn)行了三軸固結(jié)排水試驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

　　1)生活垃圾爐渣的力學(xué)特性不僅與其應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，還與干密度密切相關(guān)。

　　2)松散爐渣應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)硬化特性，緊密爐渣應(yīng)力-應(yīng)變曲線軟化特征明顯。

　　3)初始彈性模量隨著干密度的提高而增大，用爐渣路基填筑時(shí)可以適當(dāng)提高干密度以減小變形。

　　4)隨著干密度的增大，爐渣的黏聚力和內(nèi)摩擦角也有所提高，但變化幅度較小。