董云，張國瀛，2，李偉華，王瑯，劉暢，2，鄒易君，2

(1. 淮陰工學(xué)院 建筑工程學(xué)院， 江蘇 淮安 223001；2. 南京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 南京 211816；3. 淮安市住房與城鄉(xiāng)建設(shè)局， 江蘇 淮安 223001)

隨著中國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的快速發(fā)展，城市生活垃圾的產(chǎn)生量不斷增加，2016年全國城市垃圾清運(yùn)量突破20 000萬t，且每年仍以6%～8%的速度增長。目前，最常用的城市垃圾處理方式為無害化填埋和焚燒，其中，垃圾焚燒發(fā)電處理因具有減量化、無害化、資源化等優(yōu)勢(shì)，且伴隨著機(jī)械爐排爐和流化床技術(shù)的崛起，已經(jīng)成為城市垃圾處理的主要方式，垃圾焚燒處理接近城市垃圾處理總量的40%。垃圾焚燒底渣是指垃圾焚燒后從爐床尾端排出的殘留物，雖然體積、質(zhì)量只有原先垃圾的20%左右，但由于城市垃圾體量巨大，如何將城市生活垃圾焚燒底渣(以下簡(jiǎn)稱“底渣”)進(jìn)一步無害化處理和資源化利用，解決垃圾包圍城市及其造成的環(huán)境污染問題已經(jīng)成為目前亟待解決的問題。

在歐美、日本等發(fā)達(dá)國家，底渣的資源化利用已有幾十年的發(fā)展歷史，日本、瑞士、美國、法國和荷蘭等國家都制定了底渣再生利用的相關(guān)法規(guī)。常見的底渣再生利用方式主要有：與其他骨料混合作為石油瀝青鋪面的混合物、預(yù)制混凝土磚中作為再生骨料部分替代天然骨料、作為填埋場(chǎng)覆蓋材料及路基填料等[1-6]，這些利用方式均為粗放型的直接破碎作為再生集料或填料使用，沒有考慮垃圾焚燒底渣可能具有的高效再生利用價(jià)值。目前，中國城市垃圾焚燒爐渣大多采用填埋方式處理，不但占用大量土地資源，也產(chǎn)生了巨額填埋費(fèi)用。為最大限度地資源化利用底渣，學(xué)者們進(jìn)行了相關(guān)研究，已有研究發(fā)現(xiàn)，底渣具有一定的與水泥類似的水化活性，可以將底渣用作水泥混合料等[7-20]。

為實(shí)現(xiàn)底渣的高效再生利用，本文進(jìn)行了底渣及其再生微粉物理、化學(xué)性質(zhì)測(cè)試和將底渣再生微粉按不同比例等量替代水泥的膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)，以探究底渣再生微粉的強(qiáng)度活性及其對(duì)膠砂強(qiáng)度的影響。

1 底渣的物理性質(zhì)和化學(xué)成分分析

所用底渣來源于江蘇圣元環(huán)保電力有限公司盱眙生活垃圾焚燒發(fā)電廠。底渣運(yùn)輸?shù)筋A(yù)處理廠后，首先進(jìn)行篩選，剔除塊狀顆粒、未充分燃燒的有機(jī)物以及可直接分揀的鐵絲等金屬材料；然后進(jìn)行水洗和磁選，進(jìn)一步回收類似螺釘、螺帽大小的金屬；主要研究的對(duì)象即為經(jīng)篩選、分離后的底渣?，F(xiàn)場(chǎng)從料場(chǎng)隨機(jī)取樣的樣品總體呈灰黑色，烘干后呈淺褐色(如圖1所示)，有輕微異味。

圖1 底渣烘干前后的試樣Fig.1 Bottom ash samples before and after

在室內(nèi)進(jìn)行進(jìn)一步的篩分、密度和吸水率試驗(yàn)(網(wǎng)籃法)，結(jié)果表明：底渣的主要物相組成物包括熔渣、黑色金屬、陶瓷碎片及其他不燃物質(zhì)；底渣的其他物理特性表明，底渣相較于天然集料材質(zhì)較輕，密度僅約1.2～1.3 g/cm3，吸水能力較強(qiáng)，吸水率約為6%～8%；底渣顆粒粒徑分布曲線如圖2所示，其中Cu=7.5，Cc=1.3，說明底渣顆粒粒徑分布連續(xù)、級(jí)配均勻。

圖2 底渣顆粒級(jí)配曲線Fig.2 Particle size distribution of bottom

底渣晶相種類較復(fù)雜，主要有硅酸鹽、氧化物、碳酸鹽和其他鹽類。采用XRD熒光分析檢測(cè)底渣的化學(xué)成分，結(jié)果如表1所示。

表1 底渣的主要化學(xué)成分Table1 Main chemical constituents of the bottom ash

由表1可知，底渣中的主要化學(xué)元素為Si、Ca、Al等，此外，還含有少量的Fe、Na、P、K、Mg等元素，這些元素大多以氧化物的形式存在。其中，SiO2、Al2O3和CaO含量約占底渣總質(zhì)量的70%，屬于典型的CaO-SiO2-Al2O3化學(xué)體系，具有與水泥、粉煤灰等類似的水化活性。

2 底渣再生微粉的基本物理性質(zhì)

實(shí)驗(yàn)室采用長沙天創(chuàng)粉末技術(shù)有限公司生產(chǎn)的SK-2型球磨儀對(duì)烘干的底渣試樣進(jìn)行球磨工藝研究。以轉(zhuǎn)速、研磨時(shí)間以及80目篩通過率為主要控制指標(biāo)進(jìn)行了粉磨工藝對(duì)比，獲得合理研磨工藝(80目通過率≥85%、轉(zhuǎn)速350 r/min、研磨時(shí)間30 min)對(duì)應(yīng)的生活垃圾焚燒底渣再生微粉，如圖3所示。

圖3 垃圾焚燒底渣再生微粉Fig.3 Regenerated powder from municipal solid waste incinerator bottom

底渣再生微粉呈深灰色，與水泥顏色接近。采用bettersize 2000激光粒度儀進(jìn)行顆粒分析，顆粒分析結(jié)果如表2、圖4所示。

表2 再生微粉顆粒組成Table 2 Particle distribution of regenerated powder

圖4 底渣微粉粒徑分布曲線Fig.4 Particle size distribution curve of regenerated

結(jié)合表2和圖4的顆粒分析測(cè)試結(jié)果和水泥顆粒特征比對(duì)可見：普通硅酸鹽水泥要求比表面積應(yīng)大于300 m2/kg，且80 μm的篩余不高于10%或45 μm的篩余不大于30%。在一般條件下，水泥顆粒在0～10 μm時(shí)，水化最快；在3～30 μm時(shí)，水泥的活性最大；大于60 μm時(shí)，活性較小，水化緩慢。采用的再生微粉顆粒中10 μm以下顆粒約占總量的65%，30 μm以下顆粒約占總質(zhì)量的92%，60 μm以上顆粒較少，僅占總量的約1.5%；同時(shí)，3 μm以下顆粒較多，約占總量的36%；再生微粉的比表面積約為700～800 m2/kg；相較于水泥顆粒及其活性特征，再生微粉顆粒粒徑總體較為均勻，60 μm以上活性較低的顆粒含量和30 μm以下活性較高的顆粒含量控制較好，但3 μm以下顆粒含量明顯偏高。因此，再生微粉的比表面積遠(yuǎn)大于水泥，也有可能會(huì)造成需水量的顯著增加和澆筑性能的顯著降低，進(jìn)而可能影響再生微粉的膠砂強(qiáng)度。

3 底渣再生微粉的膠砂強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)原材料

實(shí)驗(yàn)采用的水泥為淮安海螺水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)的P.O 42.5硅酸鹽水泥，砂為標(biāo)準(zhǔn)砂；水泥的物理性質(zhì)和力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如表3、表4所示。

表3 實(shí)驗(yàn)用水泥的物理性質(zhì)Table 3 Physical properties of experimental cement

表4 水泥的力學(xué)性能Table 4 Mechanical properties of cement

3.2 試驗(yàn)方案

為探討不同摻量底渣再生微粉砂膠強(qiáng)度的變化特征，根據(jù)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》(GB 17671—1999)，在保持水灰比不變的前提下，采用底渣再生微粉內(nèi)摻加等量替代水泥，進(jìn)行9組不同替代比例的試驗(yàn)，再生微粉替代水泥的質(zhì)量百分比分別為10%、12.5%、15%、17.5%、20%、22.5%、25%、27.5%、30%。

為探究底渣再生微粉膠砂強(qiáng)度的增長規(guī)律，進(jìn)行了3、7、14、28 d不同齡期的膠砂強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。

農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究進(jìn)展………………………………………… 甄 熙，宋海清 ，鄭鳳杰，王 麗 ，張 峰，劉朋濤（101）

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.3.1 底渣再生微粉膠砂抗壓強(qiáng)度結(jié)果 底渣再生微粉不同替代比例的抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如表5、圖5所示。

表5 再生微粉膠砂抗壓強(qiáng)度Table 5 Mortar compressive strength of regenerated powder

續(xù)表5

圖5 再生微粉膠砂抗壓強(qiáng)度曲線Fig.5 Curve of mortar compressive strength

由表5和圖5可知：1)總體上，隨著底渣再生微粉替代量的增加，各齡期的膠砂抗壓強(qiáng)度均呈下降趨勢(shì)。再生微粉替代比例為30%時(shí)，對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度活性指數(shù)略大于55%。2)對(duì)比不同齡期的膠砂強(qiáng)度可知，隨再生微粉摻量的增加，3 d齡期的強(qiáng)度降低明顯小于7、14、28 d，說明再生微粉的摻加對(duì)早期強(qiáng)度影響較小，對(duì)長期強(qiáng)度影響較大。3)從膠砂強(qiáng)度的增長趨勢(shì)可知，隨再生微粉摻量的增加，3～7 d強(qiáng)度增長速率明顯減小，而14 d后強(qiáng)度增長速率基本都趨于平緩、一致，說明再生微粉的摻加對(duì)前期強(qiáng)度增長影響較大，而對(duì)后期強(qiáng)度增長速率影響較小。分析認(rèn)為，造成上述結(jié)果的主要原因可能與前述的再生微粉顆粒組成相關(guān)，即30 μm以下的活性顆?？傮w含量較高，因此，其前期強(qiáng)度下降并不明顯，但由于3 μm以下的細(xì)顆粒過多，反而容易在硬化過程中形成孔隙，影響后期強(qiáng)度的增長。

綜上所述，在未添加其他活性激發(fā)材料的前提下，底渣再生微粉的強(qiáng)度活性指數(shù)仍達(dá)55%以上，說明底渣再生微粉具有高效再生利用的潛在活性。底渣再生微粉的摻加雖會(huì)影響早期強(qiáng)度及其強(qiáng)度增長速率，但再生微粉摻量較小時(shí)，其膠砂早期強(qiáng)度降低較小而強(qiáng)度增長速率較快，因此，可采用適量的生活垃圾焚燒底渣再生微粉替代水泥用于預(yù)拌砂漿和預(yù)拌混凝土。

3.3.2 底渣再生微粉膠砂的抗折強(qiáng)度結(jié)果分析 不同替代比例的底渣再生微粉28 d膠砂抗折強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如表6、圖6所示。

表6 再生微粉膠砂抗折強(qiáng)度Table 6 Mortar flexural strength of regenerated powder

由表6和圖6可知，底渣再生微粉膠砂抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度具有相似的變化趨勢(shì)，即：1)抗折強(qiáng)度總體上隨再生微粉替代水泥比例的增加而降低。2)底渣再生微粉替代量為30%時(shí)，對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度等級(jí)約50%，略低于抗壓強(qiáng)度。3)從再生微粉不同摻量對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度對(duì)比分析可見，相同再生微粉摻量對(duì)應(yīng)的膠砂抗折強(qiáng)度降低均大于抗壓強(qiáng)度，分析認(rèn)為，這是由于微粉的細(xì)度遠(yuǎn)大于水泥細(xì)度，使得膠砂試件收縮增大、內(nèi)部孔隙增加所致。

3.3.3 底渣再生微粉膠砂強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 在凝膠材料水化反應(yīng)過程中，主要是4種礦物成分與水反應(yīng)，分別是：硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣以及鐵相固溶體，前二者水化速度較慢，生成水化硅酸鈣(C—H—S凝膠)和氫氧化鈣；后兩者水化速度快，先生成介穩(wěn)狀態(tài)的水化鋁酸鈣，最終轉(zhuǎn)化為水石榴石(C3AH6)。對(duì)底渣礦物組成分析揭示出底渣微粉中含有與水泥熟料、粉煤灰類似的化學(xué)成分，這使得生活垃圾焚燒底渣有一定水化活性，膠砂強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)也證明了底渣微粉強(qiáng)度活性指數(shù)大于55%。

與普通硅酸鹽水泥成分對(duì)比，底渣微粉中的SiO2、Al2O3含量遠(yuǎn)高于普通水泥，但CaO的含量則遠(yuǎn)低于普通水泥，因此，即使再生微粉的顆粒更細(xì)、有效顆粒成分的水化反應(yīng)更快、活性更大，但水化反應(yīng)產(chǎn)生的硅酸二鈣、硅酸三鈣、鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣等有效晶體相比于水泥要少，使得底渣再生微粉的膠砂強(qiáng)度較水泥低；當(dāng)再生微粉摻量適中時(shí)，底渣微粉中的鋁酸根離子、硅酸根離子仍有可能與水泥中的游離CaO再次結(jié)合，促進(jìn)后期強(qiáng)度的增長。但再生微粉摻量超過一定比例后，再生微粉中的鋁酸根離子、硅酸根離子已無法水化形成有效的晶體，導(dǎo)致后期強(qiáng)度出現(xiàn)較大的降低。

實(shí)驗(yàn)采用的底渣再生微粉細(xì)度遠(yuǎn)大于水泥，當(dāng)再生微粉摻量小于15%時(shí)，對(duì)膠砂工作性能和膠砂強(qiáng)度的影響較小，而隨著再生微粉替代量的增加，再生微粉細(xì)度大引起的需水量變化、膠砂試件體積收縮增大及其引起的內(nèi)部孔隙增加等，也可能導(dǎo)致水化反應(yīng)變緩、膠砂強(qiáng)度降低。

另外，底渣來源及成分的復(fù)雜性、多變性也會(huì)導(dǎo)致再生微粉本身的燒失量較高，用于部分替代水泥可能對(duì)水泥膠砂強(qiáng)度產(chǎn)生一定的影響。

4 結(jié)論與討論

進(jìn)行了城市生活垃圾焚燒發(fā)電底渣及再生微粉的基本物理、化學(xué)性質(zhì)測(cè)試，并按照不同比例內(nèi)摻替代水泥進(jìn)行膠砂強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，可得到如下結(jié)論：

1) 城市垃圾焚燒底渣相比普通集料材質(zhì)較輕，吸水率較高，底渣再生微粉具有與水泥類似的化學(xué)成分，但SiO2、Al2O3含量較高，而CaO含量較低；在未摻加其他添加材料的前提下，按照30%的比例內(nèi)摻等量替代水泥時(shí)，其強(qiáng)度活性指數(shù)略大于55%。

2) 隨著底渣再生微粉摻量的增加，膠砂抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均呈下降趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)的抗折強(qiáng)度降低大于抗壓強(qiáng)度。底渣再生微粉的摻加對(duì)早期強(qiáng)度的影響較小，但對(duì)早期強(qiáng)度增長速率影響較大，隨著再生微粉摻量的增加，前期強(qiáng)度增長變緩，后期強(qiáng)度增長基本一致，隨著再生微粉摻量增加，后期強(qiáng)度出現(xiàn)較大的降低。

3) 分析認(rèn)為，造成上述特征的主要原因是再生微粉中CaO含量較低、再生微粉細(xì)度較大以及由此造成的需水量變化等。

研究成果證明了垃圾焚燒底渣再生微粉具有火山灰活性，部分替代水泥用于混凝土中在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)上是可行的，也有利于減小城市生活垃圾焚燒尾渣帶來的環(huán)境問題，符合綠色、可持續(xù)發(fā)展的理念。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果僅囿于一個(gè)垃圾焚燒發(fā)電廠的不同樣本，為進(jìn)一步推動(dòng)生活垃圾焚燒底渣的高效再生利用，以下幾方面需進(jìn)一步深入研究：一是不同地區(qū)、不同焚燒廠的底渣成分及活性的對(duì)比分析；二是進(jìn)行粉磨過程中加入不同劑量、不同添加材料(圍繞CaO、氫氧化鈣)和不同細(xì)度再生微粉的對(duì)比分析；三是結(jié)合底渣再生微粉標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量進(jìn)行膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)，探究用水量對(duì)再生微粉活性及膠砂強(qiáng)度的影響。