李康建 趙曜

摘 要：爐渣作為生活垃圾焚燒過程中的主要副產物之一，既具有可與天然石料媲美的工程特性，又具有膠凝材料的水化特性，已逐漸發(fā)展成為一種新興的土木工程建筑材料。本文通過對爐渣及爐渣集料的基本性質、爐渣預處理方式、爐渣集料綜合利用方式及資源化利用現(xiàn)狀進行綜述，結合爐渣集料推廣中遇到的問題加以探討，為拓展爐渣集料替代天然集料的應用范圍提供參考。

關鍵詞：生活垃圾焚燒爐渣; 爐渣集料; 預處理; 資源化利用; 建筑材料

中圖分類號：X799.3? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：1006-3315（2021）9-121-002

1.爐渣資源化利用的背景

全球經濟和社會快速發(fā)展的大背景下，很多城市面臨著“垃圾圍城”的窘境。焚燒法被認為是無害化處理生活垃圾的最有效方式之一。生活垃圾經焚燒后，不僅體積和質量可以分別減少90%和70%，而且焚燒產生的熱量還可用于發(fā)電[1]。“十二五”以來，全國上下大力推動生活垃圾焚燒發(fā)電廠（站）的建設與運營。截至2020年底，全國城鎮(zhèn)生活垃圾焚燒處理率已達50%。然而，生活垃圾經焚燒后產生的一定數量副產品的處置問題又成為制約城市發(fā)展的新瓶頸。生活垃圾焚燒爐渣（以下簡稱爐渣）就是其中主要的一類，其質量約占原垃圾總量的20%～30%[2]。爐渣采用衛(wèi)生填埋的傳統(tǒng)方式處理，顯然與城鎮(zhèn)可持續(xù)發(fā)展目標不相適應。實現(xiàn)爐渣的精準高效資源化利用迫在眉睫。

2.爐渣集料制備工藝

爐渣是指生活垃圾焚燒爐爐排上殘留的焚燒殘渣、從爐排間掉落的細灰及余熱鍋爐灰的混合物。爐渣的主要成分為碎石、陶瓷、廢舊金屬、玻璃、熔渣和未燃盡有機物。爐渣在資源化利用前需通過試驗檢測以確定最適合的利用方式。研究發(fā)現(xiàn)，爐渣的宏觀物理組成與粒徑關系密切。爐渣中含有的廢舊金屬可通過一定技術提取出來，用作冶金或者制作其他金屬制品的原材料，經濟效益很好。

為提高爐渣的資源化利用率，常對爐渣進行一定的預處理，以去除其中不適宜再利用的物質和有害物質（如Cr、Zn等重金屬），同時根據實際利用方式，通過破碎、篩分等工藝調整爐渣粒徑，以制成滿足不同領域技術要求的集料，即爐渣集料。

從垃圾焚燒廠運出的新鮮爐渣，經初次分揀，剔除其中的大塊廢料以及未燃盡物質后，即可進行預處理。最常用的預處理工藝分為干法和濕法兩種。

干法工藝采用“渦流分選+篩選”組合式技術[3]。首先通過磁石轉筒內產生的磁場“回收”爐渣中具有導電性的金屬，起到分離爐渣與金屬材料的作用;然后通過機械或手工破碎工藝，將爐渣破碎至一定尺寸規(guī)格;再由篩分機篩分得到不同粒徑的爐渣集料，分類存放。濕法工藝采用“跳汰機+搖床”組合式技術，其特點是以水為浸取液，將爐渣與材料金屬和其他雜質分離開來，同時高效回收Fe、Zn、Cu等有用金屬。

對比干法和濕法兩種工藝，濕法預處理可以實現(xiàn)對大多數金屬的回收，從而顯著降低爐渣集料中的金屬及重金屬含量，但需要消耗大量的水，水的后續(xù)處理也是問題;而干法預處理，因受技術所限，難以實現(xiàn)對較小粒徑有色金屬的回收。因此，從綜合利用和環(huán)境保護的角度，濕法預處理工藝更符合循環(huán)利用和可持續(xù)發(fā)展的理念。目前國內采用廠拌法制備爐渣集料也多是采用此類工藝。

3.爐渣集料基本性質

爐渣經干法或濕法預處理后制備得到爐渣集料，盡管主要成分仍是熔渣（約占總量的80%），但有機物含量大幅降低。爐渣集料的主要礦物成分為石英砂（SiO2）和方解石（CaCO3）[4]，與天然砂石集料極為相似;同時含少量的硅酸二鈣C2S和硅酸三鈣C3S等水泥熟料礦物，以及二氧化硅SiO2和氫氧化鈣Ca（OH）2，遇水后可發(fā)生水化反應和火山灰反應。

工程特性方面，爐渣集料的表觀密度約為2.3g/cm3，較之土木工程領域常用的玄武巖集料和石灰?guī)r集料偏小。同時，熔渣的多孔構造也使得爐渣集料易吸水，吸水率可達6%以上。爐渣集料的壓碎值較之玄武巖和石灰?guī)r等傳統(tǒng)集料要高，且爐渣集料粒徑越大，壓碎值越高，表明爐渣集料粒徑越大，其抵抗荷載壓應力的能力越差，即抗壓強度越低。而爐渣集料的磨耗損失最高可達45%，遠大于傳統(tǒng)集料，且粒徑大于4.75mm的爐渣集料損失更為明顯。此外，爐渣集料在Na2SO4溶液多次浸泡與烘干循環(huán)作用下，其堅固性損失隨著粒徑的增大而呈減小趨勢。但總體上，爐渣集料滿足各類建筑材料的基本技術要求，是一類兼具工程特性與膠凝特性的功能型集料。

爐渣集料的工程特性與粒徑密切相關，究其原因，主要是不同粒徑爐渣集料中的熔渣含量不同所致。爐渣集料粒徑越小，其中熔渣含量越高，爐渣集料的工程特性也就更受制于熔渣自身的性能。而熔渣的多孔構造特性使得爐渣集料之與天然集料相比，表觀密度更小，吸水率更高，壓碎值、磨耗值損失以及堅固性損失較大。因此爐渣集料的工程特性會隨粒徑的變化而發(fā)生變化，且存在一定規(guī)律可循。但是資源化利用前仍需進行性能檢驗。

4.爐渣集料的資源化利用方式

1985年，美國StonyBrook大學海洋科學研究中心廢物管理所發(fā)布了一項關于爐渣資源化利用的研究成果。這也是研究人員首次通過試驗證實，爐渣用作建筑材料替代材料使用的可行性與安全性。在此后三十幾年里，北美和歐洲多國不僅廣泛開展了爐渣資源化利用的系統(tǒng)化研究，并且出臺了多項法案以推動爐渣資源化。我國自2000年前后開始大力推廣垃圾焚燒處理以來，對爐渣資源化的研究也漸成體系。基于爐渣基本性質，目前爐渣資源化利用領域集中在建筑行業(yè)。

4.1爐渣多孔磚

爐渣集料可用作制磚原料生產爐渣多孔磚，但所用爐渣集料的粒徑和摻量對多孔磚的力學性能影響較大[5]。由于爐渣集料本身富含SiO2，在堿性環(huán)境下具有一定化學活性，可發(fā)生火山灰反應。因此用作多孔磚生產原料時，需加入一定量Na2SO3作為活性劑激發(fā)爐渣集料的活性，可使爐渣多孔磚的抗壓強度提升2～3倍。爐渣集料在最佳摻量下有利于提高爐渣多孔磚的抗壓強度，反之則會導致爐渣多孔磚出現(xiàn)抗?jié)B性差、體積變化不均勻而影響外觀等質量問題。因此控制好不同粒徑爐渣集料的摻量是生產爐渣多孔磚的關鍵所在。工程實踐證實[6]，爐渣多孔磚的抗壓強度不僅滿足建筑行業(yè)使用要求，同時滿足國家環(huán)保要求。因此其優(yōu)勢較之普通多孔磚更顯著。

4.2爐渣水泥混凝土

爐渣集料替代天然集料用于水泥混凝土[7、8、9]，會對混凝土的強度和彈性模量產生一定影響。爐渣集料的使用會在一定程度上降低爐渣混凝土的早期強度;但隨著爐渣集料中活性成分發(fā)生火山灰反應、爐渣集料與石英砂混合發(fā)生水化反應，針片狀水化產物與集料顆粒相互交叉、C-S-H絮狀凝膠使集料顆粒緊密地黏結在一起，爐渣混凝土的抗壓強度隨時間不斷增長，與普通混凝土的差距也隨之減小，最終爐渣混凝土的強度與普通混凝土相當、甚至超過普通混凝土。由于水泥混凝土屬于剛性材料，對強度要求嚴格，選用0～2.36mm爐渣集料替代相應粒徑的細骨料，既能滿足強度要求，又可以起到有效防止水泥混凝土產生裂縫的作用。但爐渣集料摻量一般很低（多在10%左右）。

4.3爐渣瀝青混合料

當爐渣集料用于瀝青混合料，其粒徑、摻量以及瀝青混合料類型均會影響爐渣瀝青混合料的路用性能。研究表明[4，10]，瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性會隨所用爐渣集料粒徑和摻量的增加而減小。但使用0～2.36mm粒徑的爐渣集料幾乎不會對混合料的高溫穩(wěn)定性造成影響，這是由于爐渣集料粒徑較小時，其在混合料中并非用來形成骨架，而只是作為填料對瀝青與集料之間的黏附性產生影響。同時，爐渣集料還具有增強瀝青混合料低溫抗裂性的作用;但最終增強效果除與爐渣集料的摻量有關外，還與瀝青混合料的空隙率相關。相對而言，密級配瀝青混合料的低溫抗裂性較之其他類型的瀝青混合料對爐渣集料更為敏感。爐渣集料中金屬氧化物及活性成分會使爐渣瀝青混合料的水穩(wěn)定性有所下降;但瀝青用量的增加又在一定程度上抵銷了這種負面影響而實現(xiàn)了平衡。因此爐渣瀝青混合料的水穩(wěn)定性較之未摻用爐渣集料的普通瀝青混合料差異不大。此外，由于瀝青對爐渣集料表面孔隙具有良好的封堵作用，爐渣瀝青混合料的浸出毒性較之未裹覆的爐渣集料具有較顯著降低。因此工程使用中對環(huán)境的影響非常小。

4.4路基爐渣填料

使用爐渣集料填筑路基時，其實質是作為填土的穩(wěn)定劑使用，有利于提高填土的綜合性能。爐渣集料的膠凝活性和優(yōu)異的抗摩阻性能，可有效降低填土的膨脹性，提高路基的承載力和可壓實性，尤其對軟質黏土處理效果顯著。但對粉質黏土處理效果一般。爐渣集料整體粒徑較大時，在應對路基的凍脹和翻漿等病害方面，也表現(xiàn)出優(yōu)于天然砂的抗凍脹性能。但需要注意的是，路基處于長期潮濕或浸水狀態(tài)會使爐渣集料的水穩(wěn)定性下降、強度降低。因此在多雨地區(qū)應嚴格控制其摻量或者摻入適量的粉煤灰、水泥進行改善。

4.5填埋場爐渣覆蓋材料

爐渣是一種優(yōu)良的填埋場覆蓋材料，可直接使用，而不需要經破碎、篩選等預處理過程。使用爐渣作為垃圾衛(wèi)生填埋的覆蓋材料使用，可顯著減少填埋氣的產生，從而防止細菌、病毒等有毒物質的傳播，確保填埋場周邊環(huán)境安全。除此以外，爐渣具有多孔結構，也可用作吸氣劑，用于吸附一定量的填埋氣。

5.爐渣集料推廣中存在問題

盡管爐渣集料具備用作土木工程建筑材料的替代材料使用的天生條件，但仍存在一些問題亟待解決：

首先，爐渣集料具有與天然集料類似的非均質性，其主要原因在于現(xiàn)階段垃圾分類不到位，城鎮(zhèn)居民垃圾分類意識不足，導致不同地區(qū)、不同時期的爐渣的主要成分及其相對含量波動大，使用前須進行相關技術指標的測定，以制定爐渣資源化利用的最佳實施方案。

其次，爐渣集料含有一定量SiO2、Al2O3等活性成分。這些活性成分在爐渣的熟化階段和預處理過程中如能充分與水發(fā)生火山灰反應，可顯著提高爐渣的強度。已有研究認為爐渣的最佳熟化時間約為180天[11]。如此長的熟化時間導致大量爐渣堆積占用土地資源，工程工期也可能受到影響;如爐渣集料未完全熟化即投入使用，又會導致剛性材料（如水泥混凝土、磚）發(fā)生開裂，影響結構使用壽命，增加后期維護成本，與原本環(huán)境友好和可持續(xù)發(fā)展的理念背道而馳。此外，爐渣集料中的重金屬、可溶性鹽和其他污染物質的溶出可能對環(huán)境造成負面影響，也是限制其應用范圍的主要因素。

因此，選擇合適的爐渣熟化工藝、預處理工藝，是提高爐渣資源化應用范圍和水平的有效途徑;同時提高爐渣資源化利用知識的普及，讓更多的行業(yè)了解爐渣集料，也能為爐渣集料的推廣應用創(chuàng)造條件。

生活垃圾焚燒爐渣在我國屬固體廢棄物，其理化成分、礦物組成與天然建材相似，通過一定預處理工藝可將其可制備成滿足技術要求的爐渣集料。本文對爐渣集料與天然建材的基本性質進行了較為全面的比較分析，認為爐渣集料的一些性能指標雖然稍遜于天然建材，但可以通過控制使用粒徑與摻量而使混合料/混凝土滿足工程要求。從當前爐渣集料的利用現(xiàn)狀來看，其作為天然建材的替代材料在土木工程領域內的適用范圍頗為廣泛，且效果良好。進一步優(yōu)化爐渣的預處理工藝和爐渣集料的制備工藝，將會有利于提高爐渣集料的資源化利用水平，從而帶動建筑行業(yè)轉型與發(fā)展。

基金資助項目：住房和城鄉(xiāng)建設部科技計劃項目（2019-K-140），南京林業(yè)大學青年科技創(chuàng)新項目（CX2019031）

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