預處理垃圾焚燒灰的膠凝性能研究

□□ 孫保金 (蘇州市相城區(qū)建設工程質量檢測站有限公司，江蘇 蘇州 215000)

引言

垃圾焚燒飛灰(以下簡稱“飛灰”)是生活垃圾焚燒煙氣凈化系統(tǒng)收集而得的殘余物，因含有一些重金屬等污染成分，若處理不當，將會造成重金屬遷移，進而污染地下水、土壤及空氣，因此如何安全有效地處置垃圾焚燒飛灰已成為急需解決的環(huán)境問題之一[1-5]。本文以蘇州市城市垃圾焚燒飛灰為主要研究對象，采用水洗、酸洗、鹽洗等方式對其進行預處理，進而部分替代水泥制成飛灰-水泥復合體系，測定其凝結時間、凈漿抗壓強度等物理力學性能，同時采用紅外光譜法對該體系的水化過程進行分析探討，以期為該地區(qū)垃圾焚燒飛灰預處理及其應用提供參考依據。

1 原材料

焚燒飛灰取自蘇州市七子山垃圾焚燒廠，為淡灰色干燥粒狀粉末，運用化學全分析的方法分析原樣飛灰的化學組成，其主要化學組成分見表1。由表1可知，其化學成分中SiO2和CaO的含量較高，兩者之和為51.48%。

表1 原樣飛灰的化學成分 %

試驗中選用小野田P·Ⅱ 52.5水泥，比表面積為374 m2/kg，其他物理性能見表2。

表2 水泥的物理性能

膠砂強度試驗所需的標準砂用市售黃砂代替，其細度模數為2.34，屬于中砂，物理性能檢測結果見表3。

表3 砂子物理性能

另外，預處理飛灰試樣時所用的冰醋酸、磷酸、FeSO4溶液均為市售；成型過程所用的聚羧酸鹽減水劑(固含量為38.4%)來自于蘇州興邦化學建材有限公司。

2 飛灰的預處理

采用自來水、磷酸、冰醋酸、硫酸亞鐵分別對飛灰進行處理，平行制成4份分析樣。各處理過程具體為：

(1)水處理飛灰。將飛灰與水以1∶8的固液比置于容器內，攪拌1 min，洗3次后取下層漿體倒入托盤放進烘箱，設置烘箱溫度為105 ℃。因烘干后飛灰呈大塊狀，故將大塊飛灰置于球磨機內研磨10 min后取出，最后把磨細的飛灰置于自封密封袋中保存。

(2)磷酸處理飛灰。平均1 kg飛灰用30 g磷酸處理。將飛灰與磷酸溶液以1∶6的固液比置于容器內，攪拌1 min，靜止12 h后取下層漿體，在設定溫度為105 ℃的烘箱內烘干。之后的操作同水處理過程。

(3)冰醋酸處理、FeSO4溶液處理過程與磷酸處理過程相同。

3 預處理飛灰對水泥力學性能的影響

將不同方法預處理所得飛灰以30%摻量替代小野田水泥后，制成飛灰水泥的膠砂試樣，攪拌后進行跳桌實驗，記錄其流動度數據見表4，然后置于膠砂試模中成型，標準養(yǎng)護至相應齡期后，測定抗折、抗壓強度結果見表4。其中，試驗采用了非標準砂，根據成型過程中的實際情況，將膠砂比調整為1∶2.5，同時，為了成型需要，各組試樣在成型過程中均外加7‰的聚羧酸鹽減水劑。

其中，膠砂流動度試驗參照標準GB/T 2419—2004《水泥膠砂流動度測定方法》；膠砂強度試驗參照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》。

表4 飛灰水泥的物理力學性能

由表4可以看出，基準水泥的流動度為180 mm，當摻有飛灰時，由于飛灰吸水性較大，水泥砂漿的流動度降低，但其中水處理和冰醋酸處理的飛灰卻不同程度地增大水泥砂漿的流動度，這是因為經過水處理和冰醋酸處理的飛灰需水性減小?；鶞仕嗯c非標準砂制成的水泥試塊28 d抗壓強度只有47.1 MPa，比基準水泥與標準砂制成的水泥試塊28 d強度52.7 MPa低了5.6 MPa。摻入未處理飛灰后的水泥試塊3個齡期的強度均有所降低，且降幅較大。由表4還可看出，經過不同方法預處理后，飛灰的性能發(fā)生了較大改變，其中水處理的效果較好，主要表現在水泥強度方面，水處理的飛灰摻入水泥后，水泥強度得到了很大提高。各組試樣的抗折強度隨著齡期的增長而增大，但摻入原樣飛灰的水泥7 d抗折強度增幅最小，僅從1.8 MPa增長到1.9 MPa，這可能是由于未處理飛灰所含的非活性物質較多，故而強度增長較小[6-7]。經FeSO4溶液處理后的飛灰制成的試塊抗壓強度比酸處理的飛灰試塊抗壓強度略高。磷酸和冰醋酸兩種酸洗方法對比，發(fā)現此兩種酸處理對試件強度的改善效果相似，冰醋酸處理后的飛灰所制試樣的流動度較大，利于成型，且從經濟方面考慮，選冰醋酸成本較低。

4 水化過程機理分析

對水化過程機理進行分析前需要制備水化樣。水化樣的制備過程為：將所制的膠凝材料凈漿試樣放入標準養(yǎng)護室內，分別養(yǎng)護至所需齡期后，將其立即破碎，取其核心部分浸泡于無水乙醇中以終止水化，之后用行星磨磨細，抽濾、烘干，密封保存待用。

選用不同預處理方式的飛灰，進而制備飛灰-水泥復合體系，固定水灰比為0.38，在標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護至7 d、28 d，制備水化樣進行IR分析，其中不同預處理后的飛灰紅外光譜如圖1所示，飛灰-水泥復合體系7 d和28 d水化樣的紅外光譜分別如圖2和圖3所示。

圖1 各預處理飛灰紅外光譜圖

圖2 7 d水化樣紅外光譜圖

圖3 28 d水化樣紅外光譜

圖1中3 550～3 720 cm-1收縮頻率范圍符合無水堿性氫氧化物(OH-)的伸縮頻率范圍，由此可以確定四種飛灰中OH-的存在，推測可能是Ca(OH)2中的OH-；硅酸根的紅外光譜中，出現了兩個范圍的吸收譜帶，均位于860～1 175 cm-1范圍；SO42-的吸收譜帶范圍分別位于1 210～1 040 cm-1、1 036～960 cm-1、680～580 cm-1，從而推測飛灰中可能含有CaSO4[8]。

由圖2和圖3可以看出，隨著水化齡期的增長，相同波數處的峰值發(fā)生變化。波數為998 cm-1處的峰是由于C3S隨齡期的增長不斷水化生成水化硅酸鈣；波數為1 440 cm-1處的峰是由于C3A不斷水化生成大量的水化鋁酸鈣，很顯然摻入飛灰后的飛灰-水泥體系中C3A含量較少，隨著水化齡期的延長，在1 120 cm-1處均有吸收峰，且并沒有發(fā)生峰值的變化。其他相同波數處峰的峰值大小則出現小幅度偏移。其中，隨著水化齡期的延長，波數為970 cm-1處的峰因C3S不斷水化移至水化硅酸鈣出現(波數為998 cm-1)，這是由于飛灰里面的活性物質與水泥水化產物Ca(OH)2發(fā)生反應，影響了飛灰-水泥體系的膠砂強度[9-10]。

5 結論

5.1 飛灰-水泥體系中，水泥自身水化提供一部分強度，水泥水化產物中含有大量的Ca(OH)2等堿性物質，這些堿性物質可以激發(fā)飛灰活性，使未水化的飛灰水化，即二次水化提高強度。

5.2 經過預處理后，飛灰中的堿性物質和氯鹽會減少，這對飛灰-水泥體系的前期水化過程有影響，水化中期C3S水化產生的Ca(OH)2可以激發(fā)飛灰的潛在活性，最終使飛灰-水泥體系的膠砂強度得以提高。