張宏洲 李亞楠 喬艷紅 譚永波

【摘 ? 要】 ? 垃圾焚燒發(fā)電是有效的垃圾減量化、資源化的手段，垃圾焚燒灰渣是垃圾焚燒的產(chǎn)物，包括底渣（BA）和飛灰（FA）。綜述分析垃圾焚燒灰渣的具體工程性質(zhì)及其作為建筑材料的性能，主要包括：垃圾焚燒灰渣的基本性質(zhì);灰渣在熱拌瀝青（HMA）混合料中的應(yīng)用;垃圾焚燒灰渣在水泥和混凝土中的應(yīng)用;垃圾焚燒灰渣在巖土工程中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】 ? 垃圾焚燒灰渣;土木工程;建筑材料

Application of Municipal Solid Waste Incineration（MSWI） Ashes in civil engineering---A Review

Zhang Hongzhou1，Li Yanan2， Qiao Yanhong1 ，Tan Yongbo1

（ 1.Langfang Noamal University ， Langfang 065000， China ; 2.Hebei Sanqi Project Management Co. Ltd.，Langfang 065000， China ）

[Abstract] ?Waste incineration power generation is an effective means of waste reduction and resource utilization . Waste incineration ash is the product of waste incineration ， including bottom ash （ BA ） and fly ash （ FA ） . This review analyzes and discusses the specific engineering properties of waste incineration ash and its performance as building materials ， the main contents include ： the basic properties of waste incineration ash ; Application of ash in hot mix asphalt （ HMA ） mixture ; Application of waste incineration ash in cement and concrete ; Application of waste incineration ash in geotechnical engineering .

[Key words] ?municipal solid waste incineration（MSWI） ashes; civil engineering; construction materials

〔中圖分類號(hào)〕 ?TU521 ? ? ? ? ? ?〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕 ?A ? ? ? ? ? ? 〔文章編號(hào)〕 1674 - 3229（2021）03- 0000 - 00

1 ? ? 概述

傳統(tǒng)的垃圾處理方式包括填埋、焚燒、堆肥等。垃圾焚燒具有占地少、效率高、效果顯著、污染小等特點(diǎn)，所以在國(guó)內(nèi)外被廣泛關(guān)注。我國(guó)采用焚燒技術(shù)處理垃圾的比重逐年遞增，處理總量已由2012年總量的21%上升至2016年的41%，目前焚燒法已經(jīng)成為處理垃圾的重要方法。

垃圾焚燒目前通常使用流化床型焚燒爐。生活垃圾經(jīng)過(guò)焚燒處理之后，產(chǎn)生的殘余物統(tǒng)稱為混合灰渣。垃圾焚燒后留在爐床上的殘余物呈顆粒狀稱為底渣（BA），從煙氣凈化系統(tǒng)收集的含有重金屬及有機(jī)污染物的細(xì)顆粒廢棄物稱為飛灰（FA）。

2 ? ? ?垃圾焚燒灰渣的基本性質(zhì)

2.1 ? 垃圾焚燒底渣

垃圾焚燒底渣是垃圾焚燒后的主要產(chǎn)物，占垃圾焚燒后總質(zhì)量的85%-95%。垃圾焚燒底渣是一種多孔、淺灰色、粗糙的砂狀材料，主要含有玻璃、陶瓷、礦物、黑色和有色金屬材料，也含有少量的未燃燒材料和有機(jī)物[1]。主要的化合物是氧化物、氫氧化物和碳酸鹽。光譜分析[2]顯示，底渣的主要化合物（>10 wt.%）是SiO2、CaO、Fe2O3和Al2O3，而Na2O、K2O、MgO和Tio2所占比重較?。?.4-5.0 wt.%），可見(jiàn)在底渣中氧化物占主導(dǎo)地位。其中Sio2是最主要的化合物，占比高達(dá)49%[3]。垃圾焚燒底渣中含量較多的元素為Ca、Si、Fe、Al，此外還含有少量的Zn、Cu、Pb、Cr、Ni、Cd、As等重金屬元素，其pH值在10.5 ～ 12.2之間。因?yàn)榈自写嬖谝欢ǖ匿X，在拌制混凝土中可能會(huì)與混凝土發(fā)生發(fā)應(yīng)，生成氫氣，影響混凝土的密實(shí)度，對(duì)底渣在混凝土中的應(yīng)用造成了一定的影響。

垃圾焚燒底渣具有較高的吸水能力，其吸水率在2.4%到15.0%之間，平均值為9.7%[10]。與砂和石子相比，垃圾焚燒底渣是一種相對(duì)輕質(zhì)的材料。垃圾焚燒底渣顆粒級(jí)配情況如圖1所示[4]。

雖然垃圾焚燒底渣中含有含有一定量的重金屬，但由于其相對(duì)較低的浸出性，通常被認(rèn)為是一種良性材料。底渣熟化進(jìn)一步降低了CO2與水反應(yīng)釋放重金屬的活性和潛力，在底渣中形成穩(wěn)定的絡(luò)合物。此外，熟化可以將金屬Al轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的Al2O3，降低生成氫氣的可能性。因此，底渣可以通過(guò)熟化提高其質(zhì)量，使其成為一種適用的的建筑材料。

2.2 ? 垃圾焚燒飛灰

垃圾焚燒飛灰約占垃圾焚燒產(chǎn)物的3%，以細(xì)顆粒物和灰質(zhì)外觀為特征，呈灰色或深灰色。垃圾焚燒飛灰樣SEM圖像如圖2所示。其密度低于用于路堤建設(shè)的其他填筑材料，其密度典型值為1.7 ～ 2.4 kg/m3，砂土的密度典型值為2.65 kg/m3。此外，在975℃下飛灰的燒失量達(dá)到13%[5]。

3 ? ? 灰渣在熱拌瀝青（HMA）混合料中的應(yīng)用

3.1 ? 實(shí)驗(yàn)研究

垃圾焚燒底渣和飛灰都已經(jīng)被研究用于HMA混合物中。2019年的試驗(yàn)研究表明灰渣的加入使?jié)B透系數(shù)、相位角（δ）和蠕變率（m）減小，提高了軟化點(diǎn)、復(fù)數(shù)剪切模量（G *）、車轍因子（G*/sinδ）、瀝青的蠕滑剛度（S），這表明飛灰具有顯著改善瀝青粘結(jié)劑的潛力[6]。工程師對(duì)底渣在路面工程用的應(yīng)用進(jìn)行了研究，將瀝青混合料中80%的天然細(xì)骨料替換成底渣，其仍具有良好的穩(wěn)定性和間接抗拉強(qiáng)度。垃圾焚燒灰渣的現(xiàn)場(chǎng)研究表明，底渣在瀝青路面系統(tǒng)中代替細(xì)集料具有相當(dāng)大的應(yīng)用潛力。底渣作為瀝青混合料的填充材料，能夠可靠地提高瀝青混合料的彈性模量、抗拉強(qiáng)度和抗裂能力。在佛羅里達(dá)的一項(xiàng)研究，評(píng)估了含有底渣的熱拌瀝青混合物的力學(xué)性能，包括穩(wěn)定性、流動(dòng)性和間接抗拉強(qiáng)度。此外，利用馬歇爾配合比研究了底渣的最佳瀝青含量和最佳替代率。研究表明，用底渣替代20%的細(xì)骨料可使熱拌瀝青混合物得性能達(dá)到最佳。當(dāng)替代率超過(guò)20%時(shí)，熱拌瀝青混合料的壓縮性能、車轍、柔度都有所增加，但是需要將瀝青用量提高3%至5%[7]。耐車轍性能的研究表明，底渣的耐車轍性能相對(duì)較低，因此，建議用底渣替代至多10%的面層混合物和至多20%的基礎(chǔ)層混合物。其他研究主要關(guān)注動(dòng)態(tài)蠕變、水敏感性和低溫結(jié)合性能，研究表明，底渣提高了抵抗永久變形的能力，并在替代率高達(dá)30%的骨料的情況下提供了令人滿意的性能。同時(shí)底渣含量顯著影響熱拌瀝青混合物的蠕變和粘結(jié)性性能。

熱拌瀝青混合物的抗拉強(qiáng)度受底渣和瀝青之間界面區(qū)彈性模量的影響，而彈性模量取決于底渣的骨料類型。因此，可以通過(guò)選擇BA的類型和替代比來(lái)調(diào)節(jié)拉伸強(qiáng)度。60%的底渣替代率可以在不引起脆性或斷裂問(wèn)題的情況下獲得了最大的抗拉強(qiáng)度提高。底渣提高了混合物的抗拉強(qiáng)度，同時(shí)使混合料具有足夠的穩(wěn)定性、高流量和低礦集值空隙率。底渣提高了瀝青粘結(jié)劑與骨料之間的粘附力，提高了穩(wěn)定性和間接抗拉強(qiáng)度

限制垃圾焚燒灰渣使用的關(guān)鍵原因之一是其重金屬含量。然而，多項(xiàng)研究表明，瀝青粘結(jié)劑在不同的混合料設(shè)計(jì)中對(duì)垃圾焚燒灰渣中的重金屬組分具有固化穩(wěn)定作用。因此對(duì)于垃圾焚燒灰渣，可以根據(jù)灰渣的化學(xué)成分并經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理，部分取代熱拌瀝青混合物中的細(xì)骨料在瀝青路面系統(tǒng)中使用。

3.2 ? 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

垃圾焚燒灰渣的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用主要應(yīng)用于瀝青路面系統(tǒng)，此外，也可用于停車場(chǎng)、河道和跑道。在2017年的一篇論文中，Sormunen和Kolisoja建議使用底渣作為瀝青路面的底層結(jié)構(gòu)層，而不是磨耗層，以提高道路系統(tǒng)的耐久性[8]。

在一些現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，使用底渣作為熱拌瀝青混合物的替代集料，從短期（2 - 3年）到長(zhǎng)期（20年）的監(jiān)測(cè)期內(nèi)都取得了可靠的性能。在這些情況下，瀝青對(duì)底灰和飛灰都進(jìn)行了有效的包裹。多個(gè)案例研究了灰渣對(duì)粗骨料的替代，當(dāng)替代率在50%-100%時(shí)，混合料具有良好的性能。當(dāng)細(xì)骨料替換率達(dá)到10%后，其性能與標(biāo)準(zhǔn)混合料相同，當(dāng)替代率超過(guò)10%，混合物的現(xiàn)場(chǎng)性能會(huì)有所降低。雖然在熱拌瀝青混合料中使用底渣作為粗骨料和細(xì)骨料的替代品，總體上取得了可接受的性能，但在少數(shù)情況下，其性能較差，需重新設(shè)計(jì)。

此外，底渣用于瀝青路面系統(tǒng)的磨耗層，可產(chǎn)生較大的摩擦力。通常，當(dāng)?shù)自奶娲蔬_(dá)到20%時(shí)，混合物不僅具有良好的骨料結(jié)構(gòu)，能夠抵抗壓縮、車轍和柔軟性，而且還能增強(qiáng)力學(xué)性能。

4 ? ? 垃圾焚燒灰渣在水泥和混凝土中的應(yīng)用

4.1 ? 水泥生產(chǎn)（水泥熟料）

灰渣已被研究作為水泥熟料的原料的代品，在燒結(jié)前可替代高達(dá)100%的原料，從而生成灰渣熟料。在水泥熟料生產(chǎn)過(guò)程中使用灰渣的主要原因是其化學(xué)成分與水泥熟料原料類似，包括石灰（CaO）、二氧化硅（SiO2）、氧化鋁（Al2O3）、氧化鐵/赤鐵礦（Fe2O3）和硫酸鈣（CaSO4）[9]。根據(jù)既有的研究，以下幾種方法可以利用灰渣生產(chǎn)水泥熟料。一是用灰渣直接替換水泥熟料的原材料。雖然灰渣可能會(huì)經(jīng)過(guò)篩分和干燥，但其化學(xué)成分不會(huì)改變?；以奈锢砗突瘜W(xué)性質(zhì)因焚燒工藝的不同而不同。二是在水泥熟料生產(chǎn)中使用垃圾焚燒灰渣作為某些原材料的替代品之前，對(duì)其進(jìn)行清洗，可降低有害成分如氯鹽、堿、硫酸鹽和重金屬的含量。三是對(duì)垃圾焚燒灰渣進(jìn)行化學(xué)或熱處理以去除潛在的有害元素。四是將添加劑與灰渣和水泥熟料原料結(jié)合，作為SiO2、Al2O3、CaO等的緩沖劑。

由于不同來(lái)源的灰渣的化學(xué)成分不同，目前在水泥生產(chǎn)中使用灰渣作為添加劑的質(zhì)量控制具有較大難度。但上述對(duì)灰渣化學(xué)成分的研究表明，灰渣在生產(chǎn)水泥中作為添加劑具有相當(dāng)大的潛力，因此，通過(guò)對(duì)灰渣進(jìn)行深入的成分分析，建立質(zhì)量控制準(zhǔn)則，其可在建筑業(yè)中廣泛應(yīng)用。

4.2 ? 替代水泥

由水泥和輔助膠凝材料（SCMs）組成的混合水泥漿在建筑業(yè)被廣泛采用。用SCMs替代全部或部分水泥，可以減少能源消耗，降低成本，減少二氧化碳的排放。經(jīng)過(guò)科學(xué)設(shè)計(jì)的水泥漿有較好的強(qiáng)度特性和良好的和易性。因此，許多研究人員試圖將灰渣作為SCMs混入水泥中?；以话愫休^高的氧化鈣和二氧化硅，這是硅酸鹽水泥的主要化學(xué)成分。An等人（2017）比較了SCMs、底渣和飛灰的微觀結(jié)構(gòu)[10]。圖3給出了SCMs、底渣（磨削后）和飛灰的比較。底渣具有高孔隙度，以及結(jié)晶度和棱角，有小泡連接到顆粒的外部。飛灰呈現(xiàn)出平面、拉長(zhǎng)、角形以及燒結(jié)粒子團(tuán)簇。

目前有如下幾種常見(jiàn)的制備灰渣拌水泥的方法，一是將水泥與原狀灰渣混合;二是在灰渣與水泥混合之前對(duì)其進(jìn)行預(yù)洗或磁選，這種方法可以去除降低水泥性能的氯化物、堿和金屬成分;三是在灰渣與水泥混合之前，通過(guò)機(jī)械、化學(xué)或熱處理的方式來(lái)改善灰渣的性能。

4.3 ? 混凝土拌合料

灰渣作為水泥或骨料的替代品已用于混凝土生產(chǎn)中。目前混凝土行業(yè)已廣泛采用輔助膠凝材料和再生骨料作為水泥和天然骨料的替代品。粉煤灰、硅灰、磨細(xì)高爐礦渣和偏高嶺土是常用的輔助膠凝材料，其中粉煤灰的使用最為普遍。根據(jù)美國(guó)粉煤灰協(xié)會(huì)的報(bào)告，美國(guó)每年大約生產(chǎn)3820萬(wàn)噸粉煤灰，其中一半（約1920萬(wàn)噸）在水泥/混凝土中使用。同樣，垃圾焚燒灰渣作為輔助膠凝材料和混凝土中骨料的替代品具有應(yīng)用潛力。

在混凝土中使用灰渣作為水泥或骨料的替代品方面已經(jīng)有了大量嘗試。由于細(xì)骨料和粗骨料占混凝土總體積的70-80%，用灰渣替代部分骨料是可行的的?；以哂休^高的吸水率，因此，為了保證和易性，混凝土的水灰比必須相應(yīng)提高。但是，與普通混凝土相比，大多數(shù)灰渣拌制的混凝土坍落度較小，在采用灰渣拌制的混凝土配合比設(shè)計(jì)中，水泥的替代率相對(duì)較低，達(dá)到50%，骨料的替代率達(dá)到100%。大多數(shù)灰渣拌制的混凝土的抗壓強(qiáng)度低于普通混凝土。

關(guān)于垃圾焚燒灰渣在水硬性膠凝復(fù)合材料中的應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的研究，結(jié)果表明，灰渣應(yīng)用于民用基礎(chǔ)設(shè)施，如道路基礎(chǔ)中具有相當(dāng)大的應(yīng)用潛力。然而，目前鮮見(jiàn)涉及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用短期和長(zhǎng)期性能監(jiān)測(cè)的研究報(bào)告。

一些金屬元素的存在，特別是金屬鋁，在混凝土中的垃圾焚燒灰渣產(chǎn)生氫氣。在高PH值條件下，金屬元素會(huì)被部分腐蝕。因此，一些堿金屬（如鋁）能在混凝土中釋放出氫氣。在混凝土中產(chǎn)生的氣體會(huì)引起混凝土的體積膨脹，增加混凝土的孔隙率。氣體的存在最終使混凝土強(qiáng)度降低。因此，研究人員提出用酸或堿水預(yù)洗灰渣。通過(guò)預(yù)洗滌過(guò)程，可以穩(wěn)定或部分消除灰渣中的金屬元素，然后再將其用于混凝土中[11]。

5 ? ? 垃圾焚燒灰渣在巖土工程中的應(yīng)用

為了研究灰渣作為鋪填路基、底基層巖土材料的性能，分別對(duì)底渣和飛灰行了試驗(yàn)，以確定其物理性能（含水量、表觀密度和體積密度、結(jié)晶度等）和工程性能（粒徑分布情況、耐磨和抗沖擊性能等）。研究結(jié)果顯示，與飛灰相比底渣更適合興建道路。Huang等（2020）將MSWI BA作為HMA路面路基材料的替代品，結(jié)果表明HMA層底部的拉應(yīng)變減小，路基層頂部的壓應(yīng)變減小。在法國(guó)，底渣被用作無(wú)機(jī)結(jié)合料基層，路面已經(jīng)良好使用了20年，根據(jù)彎沉儀測(cè)定，其CBR值為大于120%。在美國(guó)新罕布什爾州，底渣也被用作瀝青穩(wěn)定基層的骨料替代品，一項(xiàng)為期兩年的研究表明，相對(duì)恒定的熱拌配方滿足了規(guī)范要求，瀝青有效地封裝了底渣。在德克薩斯州的休斯頓，底渣被用作瀝青穩(wěn)定的基礎(chǔ)層，面層采用熱拌瀝青混合料，根據(jù)三年的監(jiān)測(cè)，該試驗(yàn)段性能優(yōu)異，表面層只有少量裂縫。此外，底渣是可用作路堤和垃圾填埋場(chǎng)填土。Patil等人（2016）報(bào)告稱，用15%垃圾焚燒灰渣替換原土可提高道路路基的強(qiáng)度。

在黏土中添加25%的垃圾焚燒底渣能夠有效地改善其性質(zhì)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和CBR都有明顯增加。作為垃圾填埋場(chǎng)的填充料，底渣通常與水泥混合使用。Singh和Kumar（2017）研究了垃圾焚燒灰渣穩(wěn)定水泥作為輕質(zhì)充填材料在不同基礎(chǔ)設(shè)施（如路堤和道路路基）中的適用性。大量研究表明：垃圾焚燒灰渣可應(yīng)用于各種民用建筑領(lǐng)域，如道路、路堤、混凝土和巖土工程等。盡管其使用潛力巨大，但垃圾焚燒灰渣的使用量很少，缺乏有效的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。2020年的一項(xiàng)研究提出了一種選擇最佳垃圾焚燒灰渣以獲得理想路堤材料的多準(zhǔn)則決策方法[12]，但由于來(lái)自不同焚燒爐的的垃圾焚燒灰渣的成分不同，分別確定其性質(zhì)有著很大的難度。

6 ? ? 結(jié)語(yǔ)

垃圾焚燒灰渣在土工材料中的應(yīng)用，如道路底基層/路基和回填材料，具有良好的工程性能;不過(guò)，需考慮由于直接接觸水而釋放出來(lái)滲濾液引起的環(huán)境問(wèn)題。垃圾焚燒灰渣可用于熱拌瀝青混合料，能夠替代小于20%的天然骨料。盡管近年來(lái)實(shí)際應(yīng)用的報(bào)道很少，但美國(guó)過(guò)去一個(gè)世紀(jì)的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和短期/長(zhǎng)期性能表明其具有一定的耐久性。但是，由于灰渣的高吸收特性，這種熱拌瀝青混合料需要添加更多瀝青，使成本有所增加。因?yàn)槔贌以幸欢ǖ乃残?，所以在水?混凝土中加入垃圾焚燒灰渣有很好的開(kāi)發(fā)前，其制品不僅能顯著減少有毒元素的釋放，而且還能保證結(jié)構(gòu)的完整性。從工程性能的觀點(diǎn)來(lái)看，垃圾焚燒灰渣也可以作為水泥熟料、輔助膠凝材料和骨料替代的原材料。

為推進(jìn)垃圾焚燒灰渣在實(shí)際的應(yīng)用，建議制定標(biāo)準(zhǔn)化的質(zhì)量控制規(guī)程，以及對(duì)來(lái)自不同來(lái)源的垃圾焚燒灰渣分進(jìn)行深入的性質(zhì)研究。

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[收稿日期] ? 2020-12-26

[作者簡(jiǎn)介] ? 張宏洲（1981-），男，講師，廊坊師范學(xué)院建筑工程學(xué)院，研究方向：環(huán)境巖土工程。