張緒國(guó)，何昌軒，龍俊宇

（上海市市政規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市200031）

0 引 言

焚燒爐渣是生活垃圾焚燒之后的剩余物，包括爐排上的殘?jiān)蛷臓t排間掉落的顆粒物等[1]。隨著焚燒逐漸取代填埋成為生活垃圾的主要處理方式，焚燒爐渣的量也在快速增長(zhǎng)，焚燒爐渣處理逐漸成為城市廢棄物處置新的課題。國(guó)外對(duì)生活垃圾焚燒爐渣的材料特性進(jìn)行了大量研究，試驗(yàn)分析表明，爐渣的重金屬、溶解鹽以及有機(jī)污染物含量少，屬于一般廢棄物，工程性質(zhì)與天然的輕質(zhì)骨料類似，可用于道路、房建等工程。在歐洲、美國(guó)和日本等，爐渣資源化利用研究與應(yīng)用已經(jīng)持續(xù)了幾十年，爐渣資源化利用占比較高，尤其在歐洲，爐渣資源化利用占比超過(guò)了50%，道路工程應(yīng)用是目前爐渣資源化利用的最主要的方式[2]。我國(guó)生活垃圾成分與國(guó)外差異較大，廚余垃圾占比很高，焚燒爐渣性能與國(guó)外存在差異。對(duì)生活垃圾焚燒爐渣的性質(zhì)進(jìn)行專門研究，并研究其替代粉煤灰用于二灰碎石性能，以論證其用于道路工程的可行性，促進(jìn)爐渣在道路工程領(lǐng)域的資源化利用。

1 焚燒爐渣特性分析

以某焚燒廠的焚燒爐渣為研究對(duì)象，焚燒爐為爐排爐，爐渣是濕排爐渣，取樣包括原狀爐渣（未經(jīng)選礦處理的爐渣）和處理過(guò)的再生爐渣集料，本節(jié)研究對(duì)象為原狀爐渣。

1.1 焚燒爐渣物理性質(zhì)

生活垃圾焚燒爐渣原狀爐渣呈黑褐色，風(fēng)干后為灰色。是一種不均勻的固體混合物，主要組分包括陶瓷、磚、石塊、玻璃、熔渣、金屬和少量可燃物等[3]。

爐渣的粒徑分布比較均勻，顆粒主要集中在0.6 ～50 mm 之間，占比達(dá)77.6%～91.1%，小于0.075 mm 的粉塵顆粒含量低于2%[4]。

爐渣的物理組成分布并不均勻，在不同的粒徑范圍內(nèi)分布不同，5mm 以下以熔渣為主；20 mm 以上以陶瓷、磚塊和金屬為主；5～20 mm 之間以熔渣、石塊和玻璃等為主[5]。

爐渣中黑色金屬以鐵為主，總含量為3.5%～7.1%，主要為鐵罐、鐵絲、鐵釘和瓶蓋等[6]。有色金屬主要為鋁和銅，鋁與酸性和堿性液體接觸時(shí)都會(huì)產(chǎn)生H2，在爐渣資源化利用過(guò)程中，會(huì)發(fā)生膨脹，對(duì)結(jié)構(gòu)造成不良影響，在應(yīng)用前需要進(jìn)行預(yù)處理[7]。

5 mm 以上顆粒中的可燃物含量在0.06%～1.34%，平均只有0.84%，這說(shuō)明焚燒爐燃盡率較高，同時(shí)爐渣中的有機(jī)質(zhì)（包括腐殖質(zhì)）的含量較低。

1.2 焚燒爐渣化學(xué)性質(zhì)

（1）化學(xué)元素分析

爐渣的主要化學(xué)元素為Si、Al、Ca、Na、Fe、C、K和Mg，總體與國(guó)外生活垃圾焚燒廠的爐渣是相似的，但Na 則比國(guó)外的爐渣高出20～30 倍，這與我國(guó)居民的飲食特點(diǎn)相關(guān)。

（2）溶解鹽含量

某焚燒廠爐渣中的溶解鹽含量見(jiàn)表1。

表1 某垃圾焚燒電廠爐渣中溶解鹽含量

爐渣中含有的溶解鹽占比較低，質(zhì)量百分比不到1%，爐渣處理處置時(shí)，溶解性鹽對(duì)地下水造成污染的可能性較小。其中硫酸鹽的含量約0.08%～0.12%（以SO42- 計(jì)），能夠滿足道路中各種穩(wěn)定土中對(duì)硫酸鹽含量的要求。

（3）礦物組成

某垃圾焚燒廠爐渣礦物分析見(jiàn)表2。

表2 垃圾焚燒后灰燼的化學(xué)基本組成

由表2 可知，爐渣的礦物組成主要由SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO 等組成的混合物。

2 焚燒爐渣集料性質(zhì)

焚燒爐渣集料是經(jīng)過(guò)選礦技術(shù)剔除金屬之后的剩余爐渣，經(jīng)粉碎、篩選、分級(jí)制成細(xì)粒徑、具有一定級(jí)配的爐渣集料。爐渣集料秉承了爐渣材料的性能特性，化學(xué)成分基本相近。通過(guò)處理，爐渣中含有的部分不利于應(yīng)用的材料，如金屬、有機(jī)質(zhì)等，含量得到明顯降低，爐渣集料顆粒性狀見(jiàn)圖1。

圖1 集料顆粒性狀

對(duì)爐渣集料進(jìn)行篩分試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3 和圖2。

表3 再生爐渣級(jí)配

圖2 再生爐渣級(jí)配

結(jié)果表明，再生爐渣集料具有較穩(wěn)定的級(jí)配，為該集料的應(yīng)用提供了良好的材料特性。

3 焚燒爐渣集料替代粉煤灰用于道路基層室內(nèi)試驗(yàn)研究

生活垃圾焚燒爐渣集料是一種與粉煤灰材料在化學(xué)組成上相近的材料，如能將此材料應(yīng)用到二灰碎石基層中，替代部分粉煤灰材料，對(duì)緩解爐渣廢料處理壓力，降低工程建設(shè)費(fèi)用極具現(xiàn)實(shí)意義。

3.1 擊實(shí)試驗(yàn)

（1）試驗(yàn)方案

用生活垃圾焚燒爐渣再生集料替代粉煤灰，替代方案見(jiàn)表4。

表4 生活垃圾焚燒爐渣再生集料替代粉煤灰抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方案

分別進(jìn)行快速法、7 d、28 d 結(jié)合料抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究，考察不同爐渣集料、粉煤灰材料摻配比例對(duì)結(jié)合料強(qiáng)度的影響。

本研究主要采用了焚燒爐渣集料、消石灰、粉煤灰等三種材料，消石灰為III 級(jí)灰，滿足相關(guān)規(guī)范要求。粉煤灰SiO2與Al2O3的總量為80.8%，燒失量為12.3%，滿足規(guī)范要求。

（2）擊實(shí)試驗(yàn)

按照表5 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方案，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分別選擇6 個(gè)含水量，采用直徑為10 cm 的擊實(shí)筒進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)，分別測(cè)得材料實(shí)際含水量，根據(jù)不同含水量對(duì)應(yīng)的干密度繪制干密度、含水量關(guān)系圖，分析得出最大干密度及對(duì)應(yīng)的最佳含水量，課題共進(jìn)行了5 方案，30 次標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5 和圖3。

表5 重型標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

圖3 最佳含水量、最大干密度與焚燒爐渣摻量關(guān)系圖

由試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著焚燒爐渣集料摻量的增加，最佳含水量逐漸降低，最大干密度逐漸增大，表明摻焚燒爐渣材料摻加后，對(duì)混合料性能壓實(shí)性能有一定影響。

3.2 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，靜壓成型抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)試件，分別進(jìn)行快速養(yǎng)生、7 d、28 d 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，快速抗壓強(qiáng)度是將試件放在65℃±1℃的恒溫箱內(nèi)保溫24 h 后，取出冷卻至室溫，再將其置入水浴中常溫24 h?？焖俜?、7 d、28 d 各齡期試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 快速法強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，隨著粉煤灰材料摻配比例的增加，快速法強(qiáng)度有增長(zhǎng)趨勢(shì)，進(jìn)一步表明在采用焚燒爐渣替代粉煤灰用于二灰碎石基層時(shí)宜適當(dāng)控制摻量，以確保滿足快速法抗壓強(qiáng)度要求。

7 d、28 d 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著齡期的增加，各方案抗壓強(qiáng)度均隨齡期的延長(zhǎng)均有增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)情況不盡相同。

混合料28 d 抗壓強(qiáng)度在7 d 抗壓強(qiáng)度基礎(chǔ)上增長(zhǎng)的情況見(jiàn)圖4。

圖4 7～28 d 強(qiáng)度增長(zhǎng)率隨爐渣集料摻配比變化情況

隨著爐渣集料摻配比的增加，混合料強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度逐漸降低，表明摻焚燒爐渣集料后二灰碎石材料表現(xiàn)出一定的早強(qiáng)趨勢(shì)。據(jù)此，本研究分析認(rèn)為對(duì)于早強(qiáng)類材料不宜按快速法抗壓強(qiáng)度，確定焚燒爐渣材料摻量。而應(yīng)在確保二灰碎石基層材料強(qiáng)度的前提下，控制爐渣集料摻量，以期獲得良好的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期強(qiáng)度。

3.3 干縮濕脹性能試驗(yàn)

本文主要針對(duì)石灰+ 粉煤灰、石灰+ 粉煤灰+焚燒爐渣集料等結(jié)合料進(jìn)行試驗(yàn)研究。

（1）試驗(yàn)方案

本研究選擇爐渣集料對(duì)粉煤灰不同的替代比：0%、40%、60%三種配比進(jìn)行濕脹干縮性能對(duì)比試驗(yàn)，具體方案見(jiàn)表7。

表7 結(jié)合料抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)方案最佳含水量按表5 最佳含水量試驗(yàn)結(jié)果，采用內(nèi)插法確定，三方案最佳含水量依次為26.4%、23.6%、20.6%，最大干密度依次為1.350、1.447、1.473 g/cm3。采用重型擊實(shí)成型法，分別成型CBR 試件，浸水1 個(gè)月，空氣中常溫?cái)R置2 個(gè)月，測(cè)定材料變形，以了解材料濕脹干縮性能。

（2）試驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)各方案進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)3 個(gè)月齡期條件下的浸水膨脹、干燥收縮試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 3 個(gè)月齡期干縮試驗(yàn)

試件變形量統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖5。

圖5 3 個(gè)月齡期干縮試驗(yàn)

由以上試驗(yàn)結(jié)果得出結(jié)論：

（1）各方案無(wú)論是浸水還是干燥條件下，膨脹量或收縮量均隨著齡期的增長(zhǎng)而趨于穩(wěn)定；

（2） 浸水3 d 后各方案膨脹量自小到大依次為方案1、方案2、方案3，表明隨著爐渣集料摻量的增大膨脹量增大，但浸水28 d 后各方案膨脹量自小到大依次為方案3、方案2、方案1，表明隨著爐渣集料摻量的增大總膨脹量逐漸變小，可見(jiàn)焚燒爐渣集料替代粉煤灰材料后，可較大程度上減少膨脹變形量，對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度形成有利；

（3）干燥60 d 后各方案變形量由大到小依次為方案1、方案2、方案3，表明焚燒爐渣集料部分替代粉煤灰材料后，材料收縮變形明顯降低。試驗(yàn)結(jié)果表明，焚燒爐渣集料二灰碎石材料干縮性能明顯低于普通二灰碎石。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）生活垃圾焚燒爐渣的物理、化學(xué)及力學(xué)特性與天然集料類似，爐渣再生集料級(jí)配均勻，可用于道路基層。

（2）根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，隨著爐渣摻量的增加，最佳含水率隨之下降，最大干密度隨之增加。

（3）根據(jù)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，隨著爐渣集料摻量的增加，二灰碎石的抗壓強(qiáng)度逐步下降，且后期強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度隨之下降，為了保證二灰碎石的路用性能，需要對(duì)爐渣集料的用量進(jìn)行控制。

（4）根據(jù)干縮濕脹性能試驗(yàn)，爐渣集料替代粉煤灰二灰碎石的干縮及濕漲隨著爐渣摻量的增加而降低。