陳 楠，許峻寧

（成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059）

0 引言

隨著我國(guó)城市化建設(shè)的快速發(fā)展，每年產(chǎn)生的城市生活垃圾也在急劇增長(zhǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年我國(guó)僅202個(gè)城市，總共產(chǎn)生生活垃圾2.02億t，而且呈逐年上漲趨勢(shì)［1］。目前已證明，焚燒是一種效率較高成本低的城市垃圾處理方法，同時(shí)還能利用焚燒過程中產(chǎn)生的大量的熱能用以發(fā)電［2］，達(dá)到節(jié)約土地資源、有效利用再生資源的目的。城市垃圾中約有85%為有機(jī)物［3］，焚燒后的灰渣主要是飛灰和底灰，其中底灰約占85%［4］，飛灰只占15%。陸近濤［5］分別用XRF技術(shù)測(cè)出垃圾焚燒底灰主要由CaO，SiO2，SO3，Al2O3，F(xiàn)e2O3和Na2O等組成，而且不同地區(qū)的垃圾焚燒底灰的化學(xué)含量有所差異，但是這些成分與普通硅酸鹽水泥成分相接近，可以部分或者全部代替膠凝材料。相關(guān)研究表明將垃圾焚燒灰作為水泥直接摻入材料中，試件出現(xiàn)膨脹、開裂、力學(xué)強(qiáng)度低等現(xiàn)象，是由于焚燒灰中含有金屬鋁與水泥發(fā)生水化反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，導(dǎo)致了試件發(fā)生膨脹，孔隙增大［6］。

本研究用不同的堿處理方案對(duì)城市垃圾焚燒底灰進(jìn)行預(yù)處理，將城市生活垃圾底灰在砂漿中作為部分水泥代替料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并對(duì)其物理力學(xué)性能進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原材料

1.1.1 城市垃圾焚燒底灰

底灰樣品取自西南地區(qū)某垃圾焚燒廠焚燒爐排渣口，樣品中不包含焚燒飛灰。主要包括熔渣、陶瓷、玻璃碎片、金屬制品和一些不可燃物質(zhì)等。用電子秤稱取約1.1 kg的焚燒底灰放在105℃的烘箱中，將底灰烘至恒重后取出，參照規(guī)范《建設(shè)用砂》（GB/T 14684—2011）對(duì)底灰進(jìn)行粒徑分析，圖1為垃圾焚燒底灰的篩分粒徑分布曲線。由圖1可知，底灰的粒徑分布較寬，其中，0.08～1.00 mm，2.00～5.00 mm和5.00～9.50 mm所占比例分別為32.0%，26.4%和32.1%。從顆粒粒徑方面來看，焚燒底灰可以代替水泥或砂漿的骨料，本次試驗(yàn)選取粒徑小于5 mm的灰渣進(jìn)行研究。

1.1.2 水泥

圖1 生活垃圾焚燒底灰粒篩分徑分布曲線

在成都市建材市場(chǎng)中購(gòu)買的42.5級(jí)基準(zhǔn)水泥，屬于P.I型硅酸鹽水泥，符合GB 8076—2008附錄A的規(guī)定。

1.1.3 骨料

采用的砂漿骨料為中國(guó)ISO標(biāo)準(zhǔn)砂，在成都建材市場(chǎng)購(gòu)得，標(biāo)準(zhǔn)砂的含濕量和顆粒粒徑分布均符合GB/T 17671—1999的相關(guān)規(guī)定。

1.1.4 水

取自于成都理工大學(xué)基礎(chǔ)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的普通自來水。

1.1.5 化學(xué)試劑

NaOH，Na2CO3，Ca（OH）2。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

1.2.1 預(yù)處理城市垃圾焚燒底灰

表1詳述了3種預(yù)處理方案，提前去除底灰中的活性金屬，減少其對(duì)砂漿產(chǎn)生不利影響。分別采用如表1中所示的化學(xué)試劑配制對(duì)應(yīng)濃度的溶液，控制液固比不小于5。在處理結(jié)束時(shí)將底灰和處理液用濾紙過濾，將濾渣放在烘箱中于105℃條件下烘干24h，然后收集烘干后的生活垃圾焚燒底灰。最后用行星式球磨機(jī)將預(yù)處理后的焚燒底灰進(jìn)行研磨。收集小于80μm的底灰微粉密封保存?zhèn)溆?。預(yù)處理過程及處理前后的底灰如圖2所示。

表1 生活垃圾焚燒底灰預(yù)處理方案

圖2 預(yù)處理主要過程

1.2.2 城市垃圾焚燒底灰水泥砂漿配合比設(shè)計(jì)

表2是城市垃圾焚燒底灰水泥砂漿配合比設(shè)計(jì)。根據(jù)國(guó)家推行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17671—1999和建筑工業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JG/T 315—2011附錄A中的相關(guān)規(guī)定，本試驗(yàn)采用40 mm×40 mm×160 mm的標(biāo)準(zhǔn)模具，水灰比均為0.5。其中S0為對(duì)照組，不摻入生活垃圾焚燒底灰微粉，S1，S2，S3，S4為試驗(yàn)組，均用生活垃圾焚燒底灰微粉替代30%的膠凝材料等［7］，其余材料用量與對(duì)照組相同，不同的是S1的底灰按照方案1預(yù)處理，S2的底灰按照方案2預(yù)處理，S3的底灰按照方案3用飽和Ca（OH）2溶液預(yù)處理，S4使用未經(jīng)化學(xué)溶液處理的磨細(xì)垃圾焚燒底灰替代水泥。

表2 城市垃圾焚燒底灰水泥砂漿配合比設(shè)計(jì)

在制備砂漿樣品時(shí)，按照GB/T 17671—1999中規(guī)定，進(jìn)行攪拌。依據(jù)GB/T 2419—2005中要求的試驗(yàn)方法，采用NLD-3膠砂流動(dòng)度測(cè)定儀分別測(cè)定各組膠砂流動(dòng)度。將樣品在飽和石灰水中固化，直到試驗(yàn)期齡7天和28天測(cè)抗壓強(qiáng)度。

1.2.3 測(cè)試方法

依據(jù)GB/T 17671—1999中規(guī)定的試驗(yàn)方法，對(duì)砂漿試塊依次進(jìn)行抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。測(cè)試試塊抗折強(qiáng)度時(shí)試驗(yàn)機(jī)以（50±10）N/s的速率均勻加壓，測(cè)試抗壓強(qiáng)度時(shí)，以（2 400± 200）N/s的速率均勻加壓，直到試塊被完全破壞。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與討論

2.1 砂漿流動(dòng)度及流動(dòng)度比

圖3砂漿流動(dòng)度

圖3 展示了含垃圾焚燒灰的水泥砂漿和對(duì)照組砂漿的流動(dòng)度及流動(dòng)度比，從圖中數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照組相比，用不同預(yù)處理垃圾焚燒灰微粉替代30%的水泥的砂漿流動(dòng)有不同程度的降低，這可能是因?yàn)榈谆业奈勘绕胀ㄋ嗌愿?，吸收了部分拌和水，?dǎo)致?lián)饺氲谆椅⒎鄣纳皾{流動(dòng)度降低。但是其中S1相對(duì)于S2，S3流動(dòng)度明顯降低很多，這可能是由于底灰的含水量不同導(dǎo)致S1的流動(dòng)度降低。

從試驗(yàn)的結(jié)果來看，影響砂漿流動(dòng)度與焚燒灰的預(yù)處理方案關(guān)系不大。在實(shí)際應(yīng)用中可適當(dāng)增加用水量或加入減水劑來改善。

2.2 砂漿抗折強(qiáng)度

圖4為各組砂漿7d，28d抗折強(qiáng)度對(duì)比圖，從圖4中可以知道，用30%的底灰微粉替代水泥的砂漿試塊7d和28d抗折強(qiáng)度均低于對(duì)照砂漿，其中，S2其7d抗折強(qiáng)度是3.8 MPa是所有底灰砂漿的最高值，與對(duì)照砂漿的強(qiáng)度4.1 MPa接近；雖然S2的后期強(qiáng)度發(fā)展速度明顯降低，但其28d抗折強(qiáng)度仍然達(dá)到對(duì)照砂漿的74%?？梢缘贸觯肗a2CO3溶液處理可以加快水泥的水化速度。S3的前7d和28d抗折強(qiáng)度均達(dá)到對(duì)照砂漿的70%以上，整體的抗折強(qiáng)度發(fā)展趨勢(shì)與對(duì)照組相似。

圖4 各組砂漿7d，28d抗折強(qiáng)度對(duì)比

從砂漿抗折試驗(yàn)結(jié)果可以得出，采用方案2和方案3處理焚燒底灰，28d的抗折效果與未作化學(xué)處理的底灰砂將相比，砂漿的抗折強(qiáng)度提升了37%，效果較好。

2.3 砂漿抗壓強(qiáng)度

圖5為各組砂漿7d，28d抗壓強(qiáng)度對(duì)比圖，從圖中我們可以看到，用30%預(yù)處理焚燒底灰微粉替代水泥的砂漿試塊7d和28d抗壓強(qiáng)度均低于對(duì)照組的砂漿抗壓強(qiáng)度。其中，S2的7d抗壓強(qiáng)度達(dá)到23.2 MPa，與對(duì)照組S0砂漿7d抗壓強(qiáng)度26.2 MPa接近；但其28d抗壓強(qiáng)度僅為26.5 MPa，這進(jìn)一步說明用Na2CO3溶液處理焚燒底灰加快水泥的水化。S3的7d抗壓強(qiáng)度為S0對(duì)照砂漿的74%，28d抗壓強(qiáng)度為S0對(duì)照砂漿的70%，也是所有底灰砂漿強(qiáng)度的最高值，說明采用Ca（OH）2溶液處理后的焚燒底灰有較好的火山灰活性。

圖5 各組砂漿7d，28d抗壓強(qiáng)度對(duì)比

3 結(jié)語(yǔ)

本研究通過試驗(yàn)結(jié)果，可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

垃圾焚燒底灰經(jīng)飽和Ca（OH）2溶液的處理，使底灰28d活性指數(shù)達(dá)到70%。滿足規(guī)范JG/T 315—2011規(guī)定28d活性指數(shù)大于65%的要求。表明底灰的活性是可以通過預(yù)處理繼續(xù)提高的。

當(dāng)采用Na2CO3溶液對(duì)垃圾焚燒底灰進(jìn)行預(yù)處理，會(huì)加快水泥的水化速度。

當(dāng)?shù)谆伊讲淮笥? mm時(shí)，用液固比不小于5的飽和Ca（OH）2溶液在常溫條件下浸泡15 d，為適合我國(guó)西南地區(qū)生活垃圾焚燒底灰的較優(yōu)預(yù)處理方案，但是處理時(shí)間較長(zhǎng)，需進(jìn)一步研究適合我國(guó)西南地區(qū)城市生活垃圾焚燒底灰特性且經(jīng)濟(jì)有效的預(yù)處理方案。