垃圾电厂飞灰改性水泥土三轴试验研究

陈建建， 王俊伟， 琚利平， 赵常胜， 沈 旭

(1.浙江省交通集团检测科技有限公司， 杭州 310006； 2.浙江省交通规划设计研究院有限公司， 杭州 310006； 3.浙江省交通投资集团有限公司， 杭州 310009)

垃圾飞灰是城市垃圾电厂在烟气回收系统中收集到的残余物，其概念有别于火电厂的飞灰。由于垃圾飞灰颗粒粒径小，易吸水且其中含有重金属和二垩英等致癌物质而不能直接填埋处理，所以将其作为一种改性材料加入到水泥土中来研究水泥土的抗剪强度特性。目前，国内对垃圾飞灰的处理主要有2种途径[1-2]：一是固化与稳定化技术，二是湿式化学处理。对此，国内外学者对垃圾飞灰的处理方式展开了一系列的研究。姜永海等[3]在高温实验室熔炉中对垃圾飞灰进行了高温固化处理，对试验过后的垃圾飞灰进行了相关的成分分析，研究发现其中CaO和SiO2等成分随着温度的升高而增加，而Cl元素和S元素相应减小。张岩等[4]利用一种固化剂(燃煤流化床飞灰)对垃圾飞灰进行固化处理，研究结果表明燃煤流化床飞灰对重金属Ni、Pb、Cu、Zn的浸出有抑制作用，重金属浸出率有所减少。濮溧等[5]采用水热技术处理垃圾飞灰，向飞灰中加入石英来固化垃圾飞灰，形成一种新型的建筑材料，研究结果表明在100 ℃条件下，水化硅酸钙(CSH)形成得越多，飞灰中的有毒物质则被吸附的也越多。张明远等[6]以垃圾飞灰为造球原料，以快凝水泥固化技术来降解垃圾飞灰中的有毒有害物质。以上研究只是针对于将垃圾飞灰作为一种危险废弃物用另外一种固化剂去降解和吸附，而不是真正地利用垃圾飞灰的特殊材料特性，所以在研究垃圾飞灰特性上有一定的局限性，还未能将垃圾飞灰材料真正用于工程实际。

鉴于垃圾飞灰材料具有粒径较小、在显微状态下观察到粒径表面粗糙且呈多角质状、空隙率较高等特点，笔者将垃圾灰加入到水泥土中，基于室内GDS三轴试验，研究在不同飞灰掺量、不同围压和养护龄期下水泥土抗剪强度的变化规律，系统分析垃圾飞灰、养护龄期对水泥土的特殊影响。

1 试验方案

1.1 试验原材料

本次试验用土取自杭州余杭某正在施工的建筑工地地表以下5 m处。通过室内基本土工试验可测得其基本物理力学性能参数，见表1。水泥采用杭州钱潮牌水泥，水泥标号为P·O 42.5普通硅酸盐水泥，其相关物理力学性能指标见表2。

表1 土的物理性能指标

表2 水泥的安定性指标

试验所采用的垃圾飞灰为杭州某垃圾发电厂产生的垃圾飞灰。从外观上看，垃圾飞灰颗粒较小、质量轻，颜色呈淡黄色的粉末状颗粒物质，与土壤颜色较为接近，如图1所示。

从SEM电镜扫描仪上观察其微观性质，垃圾飞灰由各种各样不规则的球状或粒状颗粒物和许多未知的结晶物质堆叠形成，孔隙较多，比面积大，具有较强的吸附性，如图2所示。

为充分地分析其成分，用XRD衍射仪分析垃圾飞灰中的相关元素组成，可得到有关垃圾飞灰的衍射峰图，如图3所示。对衍射图用Jade分析软件，可得到垃圾飞灰中具体的化学组成，见表3。由衍射分析可知，在这种垃圾飞灰中含有大量的Si、Al、Ca、Cl等元素，其中SiO2、Al2O3和CaO分别占36.5%、15.3%和20.1%，另外还有一些重金属元素如Cu、Pb、Zn等。

图1 垃圾飞灰图片

图2 垃圾飞灰电镜扫描图

图3 XRD衍射图

表3 垃圾飞灰化学成分

1.2 试样的制作及养护

首先，将烘干后的土过2 mm筛后，依据试验开始前设计的配合比，并参考JGJ T233—2011《水泥土配合比设计规程》[7]，根据已拟定的垃圾飞灰掺入量、水灰比和水泥掺入量，分别计算出在烘干土中所需的用水量、垃圾飞灰掺入量和水泥掺入量；其次将过筛后的土和称量好的水泥、垃圾飞灰放在密闭容器中充分拌匀，为防止扬尘，在拌和均匀后用塑料保鲜膜静置5 min，随后，加入所需用水量充分搅拌，制备试样；再者将充分搅拌均匀的垃圾飞灰水泥土分3～5次依次装入模具中，在每次倒入模具后用击锤击打15次，使其密实并制成高80 mm、直径39.1 mm的圆柱体；最后，在容器中静置5 h后脱模，再用塑料保鲜膜包裹放入标准养护室中养护至龄期，取出后在GDS三轴仪上进行三轴剪切试验。

试样制备好后，用提前准备好的保鲜膜将试样密封包裹，为保证试样的密封性和不透水性，采用橡皮带在保鲜膜外包裹并采用记号笔标记上飞灰掺量、水泥掺量和养护龄期，最后将包裹好的试样放入试验养护室内并记录放入养护室的具体时间，养护室内控制湿度为100%，温度为13 ℃。

1.3 试验过程

试验中试样含水率、养护条件、成型密度都相同(控制所有试样的含水率为30%，成型密度为1.43)，且水泥掺入比在10%时飞灰掺量为0%、5%、10%、15%、20%，养护龄期分别为7 d、14 d和28 d的条件下，探讨水泥土的抗剪强度特性。试验配合比见表4。

表4 试验方案

注：水泥掺入比为水泥质量与干土质量之比；飞灰掺入量为飞灰质量与干土质量之比。

试样按表4配合比制样，并在标准养护室中养护至要求龄期。在试样养护好后，按照JGJ T233—2011《水泥土配合比设计规程》[7],先真空抽气饱和，然后再对三轴室内的试样施加20 kPa的围压，用反压饱和进行饱和，当B值>0.95以上时，再停止饱和。试验中采用固结排水三轴试验。各个龄期下每种配合比的垃圾飞灰水泥土分别在100 kPa、200 kPa和300 kPa三个围压下进行试验。在剪切试验过程中，剪切速率控制为0.6 mm/min。

2 试验结果与分析

2.1 同一养护龄期不同飞灰掺量下的应力-应变曲线

在不同飞灰掺量下，对水泥土进行固结排水试验，并在试验后整理相关数据，得到偏应力与轴向应变的关系曲线、体应变与轴向应变的关系曲线、有效应力与轴向应变的关系曲线，如图4～图6所示。以围压100 kPa为例进行分析，在围压100 kPa下，养护龄期为7 d、14 d和28 d的应力-应变变化关系曲线如图4所示。由图4可知，曲线基本上呈应变软化型，历经明显的4个阶段：线性增长阶段、屈服阶段、峰值应变软化阶段及残余强度阶段。由XRD试验可知，垃圾飞灰中的主要成分为SiO2和CaO，前期由于飞灰活性成分和水泥中的成分产生火山灰反应，生成比较坚硬的水化硅酸钙物质以抵挡外界压力，前期应变硬化阶段是呈线性增长的，随着轴向压力的逐渐增大，水泥土中的孔隙逐渐被压密实，水泥土可恢复的弹性应变逐渐减小，而相对应的塑性变形逐渐增加，最后在围压作用下，维持在一个相对稳定的残余强度阶段。从图4还可以看出，在围压100 kPa作用下，试样在7 d、14 d、28 d的养护龄期下其破坏应变都在2%～4%之间。

轴向应变与体应变的关系曲线如图5所示。从图5可以发现，掺加飞灰的水泥土在剪切过程中试样体积都经历了先减小后增大的过程，体应变由负转正，即历经开始的剪胀到之后的剪缩过程。土中有效应力的变化过程，由太沙基( Terzaghi) 1923年提出的饱和土的有效应力原理公式σ=σ＇+u可知，孔隙水压力u=σ-σ＇。在总应力一定时，图6中孔隙水压力随着轴向应变的增大呈先减小后增大的趋势。垃圾飞灰超固结水泥土在排水剪切中不但不排出水分，反而因剪胀而有吸水的趋势。在同一围压下，随着飞灰含量的增加，剪缩性逐渐增大，在试样排水剪切后期剪胀速率大于剪缩速率，则体应变先压缩后膨胀，应力-应变曲线呈软化型，如图5所示，这与图4中应力-应变曲线相对应。在应变10%左右时，飞灰掺量10%体应变增大速率最快。

2.2 同一围压不同养护龄期下的强度特性

不同围压下飞灰掺量和极限应力差之间的关系曲线如图7所示。从图7可以看出，随着飞灰掺量的增加，偏应力呈逐渐增大趋势。其次，适宜的飞灰掺量有助于提高水泥土的抗剪强度。在3种围压下，当飞灰掺量为10%、养护龄期为14 d时，偏应力差达到一个极大值，且从飞灰掺量增长的各个阶段来看，当飞灰掺量为5%～10%时偏应力的增长速率最快。由此可知，当水泥掺量为10%、飞灰掺量在5%～10%时，最有利于水泥土抗剪强度的提高。付全越[8]曾研究得出，垃圾飞灰掺量在4%～10%是提高垃圾飞灰水泥土无侧限抗压强度的合理范围，此结论与笔者所得合适掺量范围相一致。

(a) 养护龄期7 d

(b) 养护龄期14 d

(c) 养护龄期28 d

图5 体应变与轴向应变的关系曲线(28 d)

图6 轴向应变与有效应力的关系曲线(28 d)

(a) 围压100 kPa

(b) 围压200 kPa

(c) 围压300 kPa

由于垃圾飞灰的比表面积大、颗粒较细，在微颗粒效应的作用下，利用其圆滑性不断扩散到水泥土的孔隙结构中，从而充填孔隙结构，致使水泥土密实度提高以抵抗外界压力。随着养护龄期的增大，水泥土各阶段偏应力差呈逐渐增大的趋势。从龄期 7 d～14 d，偏应力的增加不显著，到28 d时增长较为明显。在水泥与水发生化学反应后，飞灰中的活性成分(SiO2和CaO)发生水化反应，形成水化硅酸钙和水化铝酸钙等物质，从而提高了水泥土的前期抗剪强度。

由粉煤灰作为外掺料应用于水泥土研究可知[9-10]，在养护前期加入粉煤灰可以有效提高抗剪强度。在飞灰掺量为10%～15%时，飞灰水泥土的偏应力呈降低的趋势，但因在垃圾飞灰中存在较多Cl元素，所以在后期内部不断的化学反应过程中，形成了较多的无机氯化物，如NaCl、KCl及MgCl2等，这种金属离子可以吸附在硅酸钙等物质的表面，形成一种不稳定层，降低结构物的强度。史晋荣等[11]曾研究氯化钠溶液和氯化镁溶液对水泥土的侵蚀作用，结果表明钠离子和镁离子等形成的氯化物对水泥土的强度和变形都有不利影响。

Bishop[12]曾定义IB的方程为：

(1)

式中：IB为强度衰减系数;σdp是峰值破坏强度，kPa；σdr为残余强度，kPa。由不同飞灰掺量与极限应力差的关系可得出对应的峰值强度和残余强度，由公式(1)可得出各个飞灰掺量下的脆性指标值。

不同围压下各组试样的脆性指标关系如图8所示。由图8可知，各组飞灰掺量下水泥土的稳定性随围压的增加而逐渐稳定，其中飞灰掺量在20%时对围压最敏感，飞灰掺量在0%和5%时，水泥土的稳定性随围压变化不大。

2.3 不同飞灰掺量对垃圾飞灰水泥土抗剪强度参数的影响

与传统水泥土相比，掺入垃圾飞灰的水泥土是一个多相的复杂体，由经典土力学可知，土的抗剪强

图8 不同围压下各组试样的脆性指标关系

度取决于土体的2个基本参数：内聚力c和内摩擦角φ。由莫尔-库伦破坏准则可知，土体发生剪切破坏时，土体抗剪强度计算公式为：

τf=c+σ·tanφ

(2)

式中：c为内聚力；φ为内摩擦角；σ为正应力。

不同养护龄期下的抗剪强度值见表5，飞灰掺量和内聚力的关系如图9所示，飞灰掺量和内摩擦角的关系如图10所示。

由图9可以看出，内聚力随飞灰掺量变化的规律性和抗剪强度值有相似性。飞灰掺量在0%～10%时，内聚力逐步提高，在10%时达到极大值。在飞灰掺量为10%～15%时，内聚力急剧下降，此阶段也是整个飞灰掺量增加的过程中内聚力降低的唯一阶段，在实际应用中应规避这一时期的飞灰掺量。

表5 不同养护龄期下抗剪强度

注：围压1、围压2和围压3分别对应100 kPa、200 kPa和300 kPa。

图9 飞灰掺量与内聚力的关系曲线

由图10可知，水泥土内摩擦角在19°～33°之间。从整体上看，内摩擦角随着飞灰掺量的增加而增大，在飞灰掺量为15%时，各个龄期水泥土的内摩擦角达到极大值。内摩擦角与飞灰掺量之间存在一定的非线性关系，由计算得出的内摩擦角值来模拟非线性回归曲线方程。不同飞灰掺量水泥土的内

图10 飞灰掺量与内摩擦角的关系曲线

摩擦角与飞灰掺量关系曲线可拟合为一元三次非线性方程：

φ=ax3+bx2+cx+d

(3)

式中：a、b、c、d均为试验参数值，其值的大小决定拟合曲线的形状。

飞灰掺量与内摩擦角的拟合曲线如图11所示。从图11中按照式(3)的非线性拟合效果来看，选用此种非线性回归方程较为理想，再由非线性拟合参数的迭代法反算可得出3个龄期下垃圾飞灰水泥土的一元三次非线性方程的系数和相关系数的值，结果见表6。由表6可知，在龄期为28 d时，相关系数较高。综上所述，在养护龄期为28 d时接近理想非线性模型。

图11 飞灰掺量与内摩擦角的拟合曲线

表6 内摩擦角非线性方程的拟合参数

3 结论与建议

本文对垃圾飞灰水泥土进行了三轴固结排水试验研究，并将相关抗剪强度试验结果进行了对比分析，得到了如下主要结论：

1) 在围压作用下，随着飞灰掺量和养护龄期的增加，垃圾飞灰水泥土的应力-应变曲线表现为应变软化，有较为明显的塑性变形阶段。飞灰掺量在5%～10%时，水泥土的抗剪强度增长最快；在飞灰掺量为10%、养护龄期为14 d时，水泥土抗剪强度达到极大值。

2) 根据各个水泥土试样的脆性指标分析可得，飞灰掺量在20%时水泥土试样的脆性指标较大，表示其在此飞灰掺量下容易产生变形且强度不高。在飞灰掺量为10%时，内聚力达到极大值；在飞灰掺量为15%时，内摩擦角达到极大值。

3) 采用非线性方程(一元三次方程)可以较好地拟合内摩擦角和飞灰掺量之间的关系，且拟合相关系数为0.984 3。