張 攀，徐永福

(上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240)

隨著經濟的發(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、技術等原因，中國仍然主要采用焚燒方式。該方法需重點考慮對環(huán)境的影響，盡量實現(xiàn)廢物再利用。固體垃圾焚燒的主要產物為粉煤灰和爐渣。粉煤灰已被廣泛應用于混凝土和煤礦充填，爐渣可作為工業(yè)陶瓷中的催化燒結劑，在土木工程中可替代骨料作為路基填筑材料。

國內外對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特性，評估了其作為路基材料的可行性。LE等[2]通過三軸固結排水試驗測定了爐渣的黏聚力、內摩擦角、變形模量等基本力學參數(shù)。馮興波等[3]對城市垃圾爐渣進行了無側限抗壓強度試驗,分析了不同干密度試樣在不同齡期下的強度特性。徐永福[4]通過三軸試驗研究了生活垃圾爐渣在飽和狀態(tài)下的強度特性，并提出可以通過大、小主應力之間的關系確定爐渣的抗剪強度參數(shù)。宋丹青等[5]研究了含水率對生活垃圾爐渣強度的影響，發(fā)現(xiàn)爐渣在最優(yōu)含水率附近具有最大抗剪強度。張遠博等[6]采用離散元軟件PFC 3D對垃圾爐渣的力學性質進行了模擬，分析了其應力-應變關系，探討了邊界剛度對剪切強度參數(shù)和壓縮模量的影響，為爐渣的研究提供了一種新思路。

目前針對爐渣力學性能方面的研究多側重于原材料、顆粒級配、應力狀態(tài)等因素對其強度與變形特性的影響。而實際上粗粒料的力學響應不僅取決于應力狀態(tài)，還與密實程度有關，因此本文主要分析干密度對爐渣強度及變形特性的影響。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

試驗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，得到如圖1所示的顆粒級配曲線。粒徑大于1 mm的粗粒約占60%，不均勻系數(shù)為21，級配良好。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，總含量高達70%，見表1。

圖1 爐渣顆粒級配曲線

表1 爐渣中氧化物

1.2 試驗方法

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

2 試驗結果與分析

2.1 應力-應變關系

參考臨界狀態(tài)土力學，三軸試驗中當應變超過20%時，試樣的應力分布已經不均勻，應力-應變曲線關系出現(xiàn)失真，因此本文取爐渣應變20%段進行分析[7]。爐渣的應力-應變曲線見圖2。圖中縱坐標為大、小主應力差σ1-σ3，橫坐標為豎向應變εa。在低圍壓(50，100 kPa)下爐渣應力-應變曲線大多呈應變軟化型，有明顯的峰值強度，而在高圍壓下(200 kPa)應力-應變曲線呈硬化型。松散爐渣應力-應變曲線呈現(xiàn)硬化特性，緊密爐渣應力-應變曲線軟化特征明顯。爐渣應力-應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)應變硬化。

圖2 爐渣的應力-應變曲線

2.2 峰值強度

不同圍巖下爐渣的峰值強度(σ1-σ3)max隨干密度ρd變化曲線見圖3?？梢姡弘S著干密度的增加，峰值強度也隨之增大，但其增長幅度明顯減小。在低圍壓下峰值強度相對較小，且其增長幅度明顯比高圍壓時低。如圍壓200 kPa時干密度由0.9 g/cm3增加到1.0 g/cm3，峰值強度增加了176 kPa，而圍壓50 kPa時僅增加了76 kPa。這主要是因為相同圍壓下干密度越大顆粒之間孔隙越小，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力，峰值強度高；初始干密度一定時，圍壓越大試樣壓縮變形越大，相對密實度提高導致強度明顯增大。因此，爐渣的峰值強度不僅與圍壓有關，還與干密度緊密相關。

圖3 不同圍巖下爐渣的峰值強度隨干密度變化曲線

2.3 初始彈性模量

不同圍壓下爐渣的初始彈性模量Ei隨干密度ρd變化曲線見圖4?？梢姡撼跏紡椥阅Ａ侩S著干密度的增大而增大，如圍壓50 kPa、干密度由0.9 g/cm3增至1.0 g/cm3時，初始彈性模量從62 kPa增至114 kPa，增幅84%。同時，圍壓越大初始彈性模量亦越大，但其影響遠小于干密度，如干密度為0.9 g/cm3，圍壓從50 kPa提高到100 kPa時，初始彈性模量從62 kPa 提高到74 kPa，增幅僅19%。這主要是因為干密度越大顆粒排列越緊密，剪切過程中豎向能承受較大荷載，而圍壓對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可以提高干密度，增大初始彈性模量，從而減小路基變形。

圖4 不同圍壓下爐渣的初始彈性模量隨干密度變化曲線

2.4 抗剪強度

根據(jù)摩爾-庫侖定律可以得到抗剪強度表達式。

式中：c為黏聚力;φ為內摩擦角。

若縱坐標t=(σ1-σ3)/2，橫坐標s=(σ1+σ3)/2，對不同圍壓下求得的σ1，σ3進行擬合，則擬合直線的斜率為sinφ，與縱坐標的截距為c·cosφ。

干密度為0.9 g/cm3時爐渣的抗剪強度可由圖5確定。同樣方法可求得其他2種干密度下爐渣的抗剪強度，結果見表2。可見：隨著干密度的增加，黏聚力和內摩擦角均增大。這是因為爐渣干密度越大孔隙比越小，固體顆粒之間的膠結咬合作用越強，致使黏聚力和內摩擦角提高。

圖5 干密度0.9 g/cm3時爐渣的抗剪強度確定

表2 不同干密度下爐渣的抗剪強度

3 結論

本文對不同干密度的爐渣進行了三軸固結排水試驗，得到如下結論：

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

2)松散爐渣應力-應變曲線呈現(xiàn)硬化特性，緊密爐渣應力-應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，用爐渣路基填筑時可以適當提高干密度以減小變形。

4)隨著干密度的增大，爐渣的黏聚力和內摩擦角也有所提高，但變化幅度較小。