生活垃圾焚燒底灰在疏浚淤泥固化中的應(yīng)用

林云杰，陳 萍，馬美玲，高炎旭，王天超

（浙江理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310018）

生活垃圾焚燒底灰在疏浚淤泥固化中的應(yīng)用

林云杰，陳 萍，馬美玲，高炎旭，王天超

（浙江理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310018）

針對生活垃圾焚燒底灰和疏浚淤泥處置難的問題，提出將焚燒底灰作為骨架材料與疏浚淤泥混合固化的處理技術(shù)。分別以石灰、石膏、水泥為固化劑開展淤泥—焚燒底灰混合固化試驗，通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及耐水性測試，研究各固化劑的固化效果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：焚燒底灰對淤泥固化具有良好的促進(jìn)作用；水泥的固化效果最好，摻量僅為4%的固化土7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)到400 kPa，且耐水性較好，滿足填土要求。

焚燒底灰；疏浚淤泥；固化；無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

1 問題的提出

我國生活垃圾焚燒量近幾年呈快速增加趨勢，“十二五”期間垃圾焚燒設(shè)施增加262座，日焚燒能力達(dá)21.9萬t以上，且每年以10%的速度增長[1]。生活垃圾焚燒的主要產(chǎn)物是焚燒底灰，約占垃圾總重量的20% ～ 30%，主要由熔渣、金屬、陶瓷、玻璃碎片和其它一些不可燃物質(zhì)組成，除去其中的大宗物質(zhì)后，其顆粒級配與砂類土相近，具有骨料特性[2-3]。生活垃圾焚燒底灰是經(jīng)高溫灼燒后水淬降溫而成，表面疏松多孔，含有一定量的活性SiO2和Al2O3成分[4]，因此具有一定的吸水性和火山灰活性。將焚燒底灰作為骨料的資源化應(yīng)用研究國內(nèi)外均有許多報道，胡艷軍等[5]通過對焚燒底灰進(jìn)行工程特性表征，分析了焚燒底灰再生轉(zhuǎn)化為建筑材料的潛在價值。張濤等[6]將30%質(zhì)量的焚燒底灰代替水泥摻入混凝土，驗證了焚燒底灰具有火山灰性，并且發(fā)現(xiàn)底灰的摻入可以改善混凝土的耐久性。

另外，江河湖泊的疏浚產(chǎn)生了大量的淤泥，疏浚淤泥黏粒含量多，含水率高，滲透性能差，排水固結(jié)緩慢并含有多種有害污染物，無法直接用于實際工程。近些年來，對淤泥進(jìn)行化學(xué)固化的處理方法倍受國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注?；瘜W(xué)固化是指通過向疏浚淤泥中添加膠凝材料（如水泥、石灰、石膏等），或摻入改善疏浚淤泥顆粒級配的骨架材料（如砂土等），使疏浚淤泥、水、固化材料之間發(fā)生一系列的水解水化反應(yīng)，通過膠結(jié)和骨架作用，改善疏浚淤泥的土力學(xué)性能[7]。孟慶山[8]等將水泥作為主要固化材料，石膏、粉煤灰作為輔助固化材料，當(dāng)疏浚淤泥含水率為60%，摻入水泥量為風(fēng)干土和水總重的20%，粉煤灰摻入量為水泥量的3倍，石膏為水泥量的30%時，固化土的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)2.5 MPa左右；桂躍[9]等將磷石膏與疏浚淤泥預(yù)先混合成基質(zhì)土，再添加水泥進(jìn)行固化，當(dāng)磷石膏與疏浚淤泥質(zhì)量比為1∶3.50 ～ 1∶0.83時，摻100 kg/m3的水泥，固化土7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)300 ～ 350 kPa。上述淤泥固化技術(shù)水泥及其他固化劑摻量均較大，不利于推廣應(yīng)用。

針對焚燒底灰及疏浚淤泥存在的處置問題，根據(jù)生活垃圾焚燒底灰的骨料性能、吸水性能及一定的火山灰活性等特點，秉著“以廢治廢”的理念，提出將焚燒底灰加入疏浚淤泥中，分別選用石灰、石膏、水泥等固化劑，對其進(jìn)行固化處理，使其轉(zhuǎn)化為填土材料再次利用的新型處理技術(shù)。通過對固化土的抗壓強(qiáng)度試驗及耐水性試驗，探索不同齡期時固化劑種類、摻量對固化土強(qiáng)度和耐水性能的影響。

2 固化試驗

2.1 試驗原材料

試驗所用的疏浚淤泥取自蘇南運河三級航道疏浚工程，其土力學(xué)性能指標(biāo)見表1。根據(jù)SL 237 — 1999《土工試驗規(guī)程》和GB/T 40145 — 2007《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》，該疏浚淤泥屬于淤泥質(zhì)黏土。

表1 試驗用疏浚淤泥土力學(xué)性能指標(biāo)表

試驗所用焚燒底灰取自杭州市某生活垃圾焚燒發(fā)電廠，除去大宗物質(zhì)后其物理成分見表2。通過X射線能譜分析，焚燒底灰的化學(xué)成分見表3。

表2 焚燒底灰物理成分表

表3 焚燒底灰化學(xué)成分表

通過X衍射分析，底灰的礦物組成主要有石英、方解石、羥磷灰石、鈣鋁黃長石和透長石等。試驗前將焚燒底灰過10 mm圓孔篩，其中粒徑大于4.75 mm的占21%，小于4.75 mm的約占79%。對小于4.75 mm的細(xì)顆粒按GB/T 14684 — 2001《建筑用砂》進(jìn)行粗細(xì)程度和顆粒級配評定，細(xì)度模數(shù)為3.44，級配良好；對照GB/T 14685 —2011《建筑用卵石、碎石》，粒徑4.75 mm以上的顆粒符合對5 ～ 10 mm顆粒連續(xù)級配的要求，可以起到良好的骨架作用。焚燒底灰氣干狀態(tài)下的含水率為11.7%，吸水率（飽和含水率）為45.5%，具有良好的吸水性。

試驗所用固化劑分別為：水泥PO42.5（上海奉賢海螺水泥廠生產(chǎn)）、生石灰、建筑石膏。

2.2 試驗方案

根據(jù)陳萍等[7]的研究，確定焚燒底灰與疏浚淤泥的比例為3∶7，分別采用水泥、生石灰和建筑石膏為固化劑進(jìn)行固化試驗，探討各固化劑的固化效果。材料用量見表4。

表4 試驗材料用量表

材料拌合采用立式砂漿攪拌機(jī)進(jìn)行，先將固化劑和焚燒底灰攪拌均勻，再加入疏浚淤泥拌勻，最后加水?dāng)嚢?，攪拌時間共計5 min。試件采用三瓣模成型，直徑為39.1 mm，高80.0 mm。試件成型后用塑料膜包裹密封后置于室內(nèi)進(jìn)行自然養(yǎng)護(hù)，3 d后脫模在相同條件下密封于室內(nèi)養(yǎng)護(hù)，到規(guī)定齡期（7 d、14 d、21 d、28 d）時采用DW -1型電動應(yīng)變式無側(cè)限壓力儀進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試，試驗方法按照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)束后，取各組試樣中較為完整的部分立即進(jìn)行耐水性試驗。

3 試驗結(jié)果

3.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

研究7 d、14 d、21 d、28 d不同摻量的固化劑對焚燒底灰—淤泥固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，水泥、石膏、石灰在不同摻量下的固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系分別見圖 1（a）、（b）、（c）。

圖1 固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期關(guān)系圖

可見，固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨著固化劑摻量的增大而增大。水泥固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最高，摻量為4%的7 d強(qiáng)度即可達(dá)400 kPa，石灰、石膏的固化強(qiáng)度較低，摻量為16%的28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為400，900 kPa。在固化劑摻量不同的情況下，固化土的強(qiáng)度隨齡期也有不同程度的增長，但石膏固化土21 d內(nèi)增長幅度較小，隨后強(qiáng)度急劇增長，這可能與該齡期內(nèi)鈣釩石的形成有關(guān)，該現(xiàn)象在馮彬[11]關(guān)于污泥固化的研究中也有同樣的發(fā)現(xiàn)。

研究不同摻量下，各固化土的含水率隨齡期的變化規(guī)律。圖 2（a）、（b）、（c）分別表示固化劑為水泥、石膏、石灰的固化土含水率與齡期的關(guān)系?？芍?，隨著固化劑摻入量的增大，固化土含水率逐漸降低。這是由于將固化劑摻入到淤泥中后,隨即發(fā)生一系列水解水化反應(yīng)，大量的自由水轉(zhuǎn)變?yōu)槲剿徒Y(jié)合水。固化劑摻量越大，消耗自由水越多，含水率越低。其中石灰固化土的含水率最低，水泥固化土次之，石膏固化土含水率最高。隨著齡期的增長，淤泥固化土含水率有不同程度的降低。這說明試驗齡期內(nèi)，固化反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行。0 ～ 7 d內(nèi)，含水率降低的幅度較大，說明該時間段內(nèi)水化反應(yīng)相對劇烈。石膏固化土21 ～ 28 d含水率降低顯著，這與該時期鈣釩石（3CaO · Al2O3· 3CaSO4· 31H2O）的形成，大量自由水轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)合水有關(guān)。

圖2 含水率與齡期關(guān)系圖

研究各固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與含水率的關(guān)系見圖3。圖3（a）、（b）、（c）分別表示固化劑為水泥、石膏、石灰的固化土含水率與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系。石灰及石膏固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與含水率有較好的相關(guān)性，隨著含水率的降低，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度升高。而水泥固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與含水率之間相關(guān)性不大。其原因可能是石灰固化效果主要體現(xiàn)在減水作用中；石膏21 d前的強(qiáng)度增長也主要體現(xiàn)在減水作用方面，而21 d后的強(qiáng)度增長是鈣釩石的形成與減水作用共同影響的結(jié)果；水泥的固化效果與減水作用的相關(guān)性不大，而是膠凝作用對固化土的強(qiáng)度貢獻(xiàn)較大。

3.2 耐水性能

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)束后，取破碎試樣中較完整部分立即進(jìn)行泡水試驗，每隔10 min觀察試件形貌變化。得出水泥固化土的耐水性能最好，這是因為水泥固化過程中生成了較多的水硬性膠凝物質(zhì)，即水化硅酸鈣凝膠。石灰、石膏的耐水性能均較差。同種固化劑，相同齡期的固化土，固化劑摻量越小，崩解速度越快；同種固化劑，相同齡期的固化土，固化劑摻量越小，崩解速度越快；泡水試驗試樣體積越大，其崩解越緩慢。圖4(a) ～ (c)分別表示了不同固化劑的固化土的泡水結(jié)果。圖4(a)顯示了生石灰摻量為16%的28 d齡期固化土試樣，放入水中后即刻產(chǎn)生大量氣泡，10 ～ 30 min有少量碎裂，40 ～ 60 min有大量碎裂，80 min后趨于穩(wěn)定；4(b)顯示了石膏摻量為16%，齡期為28 d的固化土泡水后即刻產(chǎn)生少量氣泡并很快產(chǎn)生崩解現(xiàn)象，15 min時輕振容器，試樣粉碎散開；4(c)顯示了水泥摻量僅為4%，齡期僅為7 d的試樣，泡水30 min后，只出現(xiàn)細(xì)小裂紋，振蕩容器后試樣無破壞，完整性很好。

圖3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與含水率關(guān)系圖

圖4 不同固化土耐水試驗現(xiàn)象圖

4 結(jié) 語

生活垃圾焚燒底灰因其骨架作用、吸水性和火山灰活性在疏浚淤泥的固化中，起到一定的促進(jìn)作用，摻入少量的固化劑即可達(dá)到良好的固化效果；在焚燒底灰—淤泥的混合固化技術(shù)中，水泥的固化效果最好，摻量僅為4%(約80 kg/m3)時，固化土7 d強(qiáng)度達(dá)到400 kPa，滿足填土材料50 kPa的強(qiáng)度要求，且較桂躍[9]的固化方法固化材料更省，固化效果更好，具有推廣價值；石膏固化土和石灰固化土的耐水性能較差，不適用于近水填土工程中；石膏固化土的早期強(qiáng)度低，21 ～ 28 d強(qiáng)度增長迅速，這可能與鈣釩石的形成有關(guān)，其強(qiáng)度增長機(jī)理有待于進(jìn)一步研究。

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（責(zé)任編輯 黃 超）

Experimental Research on Solidification of Dredged Sludge Mixed with Bottom Ash of MSWI

LIN Yun - jie，CHEN Ping，MA Mei - ling，GAO Yan - xu，WANG Tian - chao
(Zhejiang Sci - Tech University，a.School of Civil Engineering and Architecture，Hangzhou 310018，Zhejiang，China)

In consideration of the disposal dif fi culties of bottom ash of municipal solid waste incinerator (MSWI) as well as dredged sludge，a new solidi fi cation method of dredged sludge mixed with bottom ash as skeleton material is proposed. The consolidation test of dredged sludge mixed with MSWI bottom ash were carried out by adding three kinds of cementitious materials in different dosage respectively，and then uncon fi ned compressive strength (UCS) and water resistance of solidi fi ed sludge were tested to analyze the solidi fi cation effect. The experimental result shows that the bottom ash contributes to the sludge solidi fi cation and the most effective binding material is cement. The strength of solidi fi ed sludge mixed with 30% bottom ash and 4% cement can reach 400kpa with good water resistance ability at the age of 7 - days，which can meet the the requirement of fi lling material，and this solidi fi cation method is worth putting into practice.

MSWI bottom ash；dredged sludge；solidi fi cation；uncon fi ned compressive strength

X705

：A

：1008 - 701X(2017)01 - 0089 - 04

10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2017.01.028

2016-08-06

國家自然科學(xué)基金面上項目(51578508)；國家自然科學(xué)基金青年基金項目(51208470)；浙江省科技廳項目(2013C33012)。

林云杰(1995 - )，男，本科在讀，主要從事污泥固化處理的研究。

陳 萍(1972 - )，女，副教授，博士，主要從事固體廢棄物的資源化利用工作。E - mail：chenp@zstu.edu.cn