城市垃圾焚燒底渣再生微粉強度特性的實驗研究

董云 張國瀛 李偉華 王瑯 劉暢 鄒易君

摘要：為實現(xiàn)城市垃圾焚燒底渣的高效再生利用，進行了底渣及其再生微粉的物理、化學(xué)性質(zhì)實驗，采用不同比例底渣再生微粉替代水泥進行膠砂強度實驗。結(jié)果表明：垃圾焚燒底渣再生微粉相比水泥材質(zhì)更輕、顆粒更小、更均勻;再生微粉中以氧化物形式存在的Si、Al和Ca約占底渣總質(zhì)量的70%，與水泥的化學(xué)成分組成類似，但SiO2、Al2O3含量較高，而CaO含量較低。再生微粉內(nèi)摻替代水泥的膠砂抗壓、抗折強度均隨替代比例的增加呈下降趨勢;內(nèi)摻30%時，再生微粉的強度活性指數(shù)可達55%以上，說明再生微粉具有一定的凝膠活性。此外，底渣再生微粉的摻加對膠砂早期強度的影響較小，隨再生微粉摻量的增加，膠砂強度前期增長速度變慢，后期強度出現(xiàn)較大幅度的降低。

關(guān)鍵詞：垃圾焚燒底渣;再生微粉;比表面積;強度活性指數(shù);膠砂強度

中圖分類號：TU521.4 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-6717（2019）06-0174-07

隨著中國城鎮(zhèn)化進程的快速發(fā)展，城市生活垃圾的產(chǎn)生量不斷增加，2016年全國城市垃圾清運量突破20000萬t，且每年仍以6%～8%的速度增長。目前，最常用的城市垃圾處理方式為無害化填埋和焚燒，其中，垃圾焚燒發(fā)電處理因具有減量化、無害化、資源化等優(yōu)勢，且伴隨著機械爐排爐和流化床技術(shù)的崛起，已經(jīng)成為城市垃圾處理的主要方式，垃圾焚燒處理接近城市垃圾處理總量的40%。垃圾焚燒底渣是指垃圾焚燒后從爐床尾端排出的殘留物，雖然體積、質(zhì)量只有原先垃圾的20%左右，但由于城市垃圾體量巨大，如何將城市生活垃圾焚燒底渣（以下簡稱“底渣”）進一步無害化處理和資源化利用，解決垃圾包圍城市及其造成的環(huán)境污染問題已經(jīng)成為目前亟待解決的問題。

在歐美、日本等發(fā)達國家，底渣的資源化利用已有幾十年的發(fā)展歷史，日本、瑞士、美國、法國和荷蘭等國家都制定了底渣再生利用的相關(guān)法規(guī)。常見的底渣再生利用方式主要有：與其他骨料混合作為石油瀝青鋪面的混合物、預(yù)制混凝土磚中作為再生骨料部分替代天然骨料、作為填埋場覆蓋材料及路基填料等，這些利用方式均為粗放型的直接破碎作為再生集料或填料使用，沒有考慮垃圾焚燒底渣可能具有的高效再生利用價值。目前，中國城市垃圾焚燒爐渣大多采用填埋方式處理，不但占用大量土地資源，也產(chǎn)生了巨額填埋費用。為最大限度地資源化利用底渣，學(xué)者們進行了相關(guān)研究，已有研究發(fā)現(xiàn)，底渣具有一定的與水泥類似的水化活性，可以將底渣用作水泥混合料等。

為實現(xiàn)底渣的高效再生利用，本文進行了底渣及其再生微粉物理、化學(xué)性質(zhì)測試和將底渣再生微粉按不同比例等量替代水泥的膠砂強度試驗，以探究底渣再生微粉的強度活性及其對膠砂強度的影響。

1底渣的物理性質(zhì)和化學(xué)成分分析

所用底渣來源于江蘇圣元環(huán)保電力有限公司盱眙生活垃圾焚燒發(fā)電廠。底渣運輸?shù)筋A(yù)處理廠后，首先進行篩選，剔除塊狀顆粒、未充分燃燒的有機物以及可直接分揀的鐵絲等金屬材料;然后進行水洗和磁選，進一步回收類似螺釘、螺帽大小的金屬;主要研究的對象即為經(jīng)篩選、分離后的底渣?，F(xiàn)場從料場隨機取樣的樣品總體呈灰黑色，烘干后呈淺褐色（如圖1所示），有輕微異味。

在室內(nèi)進行進一步的篩分、密度和吸水率試驗（網(wǎng)籃法），結(jié)果表明：底渣的主要物相組成物包括熔渣、黑色金屬、陶瓷碎片及其他不燃物質(zhì);底渣的其他物理特性表明，底渣相較于天然集料材質(zhì)較輕，密度僅約1.2～1.3g/cm3，吸水能力較強，吸水率約為6%～89/6;底渣顆粒粒徑分布曲線如圖2所示，其中Cu=7.5，Cc=1.3，說明底渣顆粒粒徑分布連續(xù)、級配均勻。

底渣晶相種類較復(fù)雜，主要有硅酸鹽、氧化物、碳酸鹽和其他鹽類。采用XRD熒光分析檢測底渣的化學(xué)成分，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，底渣中的主要化學(xué)元素為Si、Ca、Al等，此外，還含有少量的Fe、Na、P、K、Mg等元素，這些元素大多以氧化物的形式存在。其中，SiO2、A12O3和CaO含量約占底渣總質(zhì)量的70%，屬于典型的CaO-SiO2-Al2O3化學(xué)體系，具有與水泥、粉煤灰等類似的水化活性。

2底渣再生微粉的基本物理性質(zhì)

實驗室采用長沙天創(chuàng)粉末技術(shù)有限公司生產(chǎn)的SK-2型球磨儀對烘干的底渣試樣進行球磨工藝研究。以轉(zhuǎn)速、研磨時間以及80目篩通過率為主要控制指標(biāo)進行了粉磨工藝對比，獲得合理研磨工藝（80目通過率≥85%、轉(zhuǎn)速350r/min、研磨時間30min）對應(yīng)的生活垃圾焚燒底渣再生微粉，如圖3所示。

底渣再生微粉呈深灰色，與水泥顏色接近。采用bettersize 2000激光粒度儀進行顆粒分析，顆粒分析結(jié)果如表2、圖4所示。

結(jié)合表2和圖4的顆粒分析測試結(jié)果和水泥顆粒特征比對可見：普通硅酸鹽水泥要求比表面積應(yīng)大于300m²/kg，且80um的篩余不高于10%或45um的篩余不大于30%。在一般條件下，水泥顆粒在0～10um時，水化最快;在3～30um時，水泥的活性最大;大于60um時，活性較小，水化緩慢。采用的再生微粉顆粒中10um以下顆粒約占總量的65%，30um以下顆粒約占總質(zhì)量的92%，60um以上顆粒較少，僅占總量的約1.5%;同時，3um以下顆粒較多，約占總量的36%;再生微粉的比表面積約為700～800m²/kg;相較于水泥顆粒及其活性特征，再生微粉顆粒粒徑總體較為均勻，60um以上活性較低的顆粒含量和30um以下活性較高的顆粒含量控制較好，但3um以下顆粒含量明顯偏高。因此，再生微粉的比表面積遠(yuǎn)大于水泥，也有可能會造成需水量的顯著增加和澆筑性能的顯著降低，進而可能影響再生微粉的膠砂強度。

3底渣再生微粉的膠砂強度實驗

3.1實驗原材料

實驗采用的水泥為淮安海螺水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)的P.O 42.5硅酸鹽水泥，砂為標(biāo)準(zhǔn)砂;水泥的物理性質(zhì)和力學(xué)性能測試結(jié)果如表3、表4所示。

3.2試驗方案

為探討不同摻量底渣再生微粉砂膠強度的變化特征，根據(jù)《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》（GB17671-1999），在保持水灰比不變的前提下，采用底渣再生微粉內(nèi)摻加等量替代水泥，進行9組不同替代比例的試驗，再生微粉替代水泥的質(zhì)量百分比分別為10%、12.5%、15%、17.5%、20%、22.5%、25%、27.5%、30%。

為探究底渣再生微粉膠砂強度的增長規(guī)律，進行了3、7、14、28d不同齡期的膠砂強度實驗。

3.3實驗結(jié)果與分析

3.3.1底渣再生微粉膠砂抗壓強度結(jié)果底渣再生微粉不同替代比例的抗壓強度測試結(jié)果如表5、圖5所示。

由表5和圖5可知：1）總體上，隨著底渣再生微粉替代量的增加，各齡期的膠砂抗壓強度均呈下降趨勢。再生微粉替代比例為30%時，對應(yīng)的強度活性指數(shù)略大于55%。2）對比不同齡期的膠砂強度可知，隨再生微粉摻量的增加，3d齡期的強度降低明顯小于7、14、28d，說明再生微粉的摻加對早期強度影響較小，對長期強度影響較大。3）從膠砂強度的增長趨勢可知，隨再生微粉摻量的增加，3～7d強度增長速率明顯減小，而14d后強度增長速率基本都趨于平緩、一致，說明再生微粉的摻加對前期強度增長影響較大，而對后期強度增長速率影響較小。分析認(rèn)為，造成上述結(jié)果的主要原因可能與前述的再生微粉顆粒組成相關(guān)，即30um以下的活性顆粒總體含量較高，因此，其前期強度下降并不明顯，但由于3um以下的細(xì)顆粒過多，反而容易在硬化過程中形成孔隙，影響后期強度的增長。

綜上所述，在未添加其他活性激發(fā)材料的前提下，底渣再生微粉的強度活性指數(shù)仍達55%以上，說明底渣再生微粉具有高效再生利用的潛在活性。底渣再生微粉的摻加雖會影響早期強度及其強度增長速率，但再生微粉摻量較小時，其膠砂早期強度降低較小而強度增長速率較快，因此，可采用適量的生活垃圾焚燒底渣再生微粉替代水泥用于預(yù)拌砂漿和預(yù)拌混凝土。

3.3.2底渣再生微粉膠砂的抗折強度結(jié)果分析不同替代比例的底渣再生微粉28d膠砂抗折強度測試結(jié)果如表6、圖6所示。

由表6和圖6可知，底渣再生微粉膠砂抗折強度與抗壓強度具有相似的變化趨勢，即：1）抗折強度總體上隨再生微粉替代水泥比例的增加而降低。2）底渣再生微粉替代量為30%時，對應(yīng)的強度等級約50%，略低于抗壓強度。3）從再生微粉不同摻量對應(yīng)的抗壓強度和抗折強度對比分析可見，相同再生微粉摻量對應(yīng)的膠砂抗折強度降低均大于抗壓強度，分析認(rèn)為，這是由于微粉的細(xì)度遠(yuǎn)大于水泥細(xì)度，使得膠砂試件收縮增大、內(nèi)部孔隙增加所致。

3.3.3底渣再生微粉膠砂強度的實驗結(jié)果分析在凝膠材料水化反應(yīng)過程中，主要是4種礦物成分與水反應(yīng)，分別是：硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣以及鐵相固溶體，前二者水化速度較慢，生成水化硅酸鈣（C-H-S凝膠）和氫氧化鈣;后兩者水化速度快，先生成介穩(wěn)狀態(tài)的水化鋁酸鈣，最終轉(zhuǎn)化為水石榴石（C3AH6）。對底渣礦物組成分析揭示出底渣微粉中含有與水泥熟料、粉煤灰類似的化學(xué)成分，這使得生活垃圾焚燒底渣有一定水化活性，膠砂強度實驗也證明了底渣微粉強度活性指數(shù)大于55%。

與普通硅酸鹽水泥成分對比，底渣微粉中的SiO2、A12O3含量遠(yuǎn)高于普通水泥，但CaO的含量則遠(yuǎn)低于普通水泥，因此，即使再生微粉的顆粒更細(xì)、有效顆粒成分的水化反應(yīng)更快、活性更大，但水化反應(yīng)產(chǎn)生的硅酸二鈣、硅酸三鈣、鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣等有效晶體相比于水泥要少，使得底渣再生微粉的膠砂強度較水泥低;當(dāng)再生微粉摻量適中時，底渣微粉中的鋁酸根離子、硅酸根離子仍有可能與水泥中的游離CaO再次結(jié)合，促進后期強度的增長。但再生微粉摻量超過一定比例后，再生微粉中的鋁酸根離子、硅酸根離子已無法水化形成有效的晶體，導(dǎo)致后期強度出現(xiàn)較大的降低。

實驗采用的底渣再生微粉細(xì)度遠(yuǎn)大于水泥，當(dāng)再生微粉摻量小于15%時，對膠砂工作性能和膠砂強度的影響較小，而隨著再生微粉替代量的增加，再生微粉細(xì)度大引起的需水量變化、膠砂試件體積收縮增大及其引起的內(nèi)部孔隙增加等，也可能導(dǎo)致水化反應(yīng)變緩、膠砂強度降低。

另外，底渣來源及成分的復(fù)雜性、多變性也會導(dǎo)致再生微粉本身的燒失量較高，用于部分替代水泥可能對水泥膠砂強度產(chǎn)生一定的影響。

4結(jié)論與討論

進行了城市生活垃圾焚燒發(fā)電底渣及再生微粉的基本物理、化學(xué)性質(zhì)測試，并按照不同比例內(nèi)摻替代水泥進行膠砂強度實驗，可得到如下結(jié)論：

1）城市垃圾焚燒底渣相比普通集料材質(zhì)較輕，吸水率較高，底渣再生微粉具有與水泥類似的化學(xué)成分，但SiO2、Al2O3含量較高，而CaO含量較低;在未摻加其他添加材料的前提下，按照30%的比例內(nèi)摻等量替代水泥時，其強度活性指數(shù)略大于55%。

2）隨著底渣再生微粉摻量的增加，膠砂抗壓強度和抗折強度均呈下降趨勢，對應(yīng)的抗折強度降低大于抗壓強度。底渣再生微粉的摻加對早期強度的影響較小，但對早期強度增長速率影響較大，隨著再生微粉摻量的增加，前期強度增長變緩，后期強度增長基本一致，隨著再生微粉摻量增加，后期強度出現(xiàn)較大的降低。

3）分析認(rèn)為，造成上述特征的主要原因是再生微粉中CaO含量較低、再生微粉細(xì)度較大以及由此造成的需水量變化等。

研究成果證明了垃圾焚燒底渣再生微粉具有火山灰活性，部分替代水泥用于混凝土中在技術(shù)、經(jīng)濟上是可行的，也有利于減小城市生活垃圾焚燒尾渣帶來的環(huán)境問題，符合綠色、可持續(xù)發(fā)展的理念。

實驗結(jié)果僅囿于一個垃圾焚燒發(fā)電廠的不同樣本，為進一步推動生活垃圾焚燒底渣的高效再生利用，以下幾方面需進一步深入研究：一是不同地區(qū)、不同焚燒廠的底渣成分及活性的對比分析;二是進行粉磨過程中加入不同劑量、不同添加材料（圍繞CaO、氫氧化鈣）和不同細(xì)度再生微粉的對比分析;三是結(jié)合底渣再生微粉標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量進行膠砂強度試驗，探究用水量對再生微粉活性及膠砂強度的影響。