生活垃圾焚燒爐渣在道路工程中的資源化利用

何文政

(中路交科(江蘇)檢測科技有公司，南京 211899)

我國城市生活垃圾產(chǎn)量劇增，垃圾焚燒已經(jīng)成為處理生活垃圾的主要方式，這直接導(dǎo)致爐渣數(shù)量急遽增加，給爐渣的處置帶來了巨大壓力。垃圾焚燒爐渣是含有燒結(jié)熔渣、玻璃、陶瓷、金屬及未燃燒物的混合物[1]，其物理、化學(xué)及工程性能與其他工業(yè)廢渣(如煤渣、鋼渣等)存在巨大差異。根據(jù)《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18485—2014)[2]規(guī)定，我國生活垃圾焚燒廠應(yīng)對爐渣、飛灰采用強(qiáng)制分離收集、貯存、運(yùn)輸?shù)募夹g(shù)處理措施，這為爐渣的收集和資源化利用提供了技術(shù)保障。

從生活垃圾焚燒爐渣資源化利用途徑看，目前生活垃圾焚燒爐渣主要應(yīng)用于生產(chǎn)水泥和制磚，此外還在工業(yè)生產(chǎn)中用作吸附劑，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中用作肥料等[3]。相關(guān)研究[4-6]表明，爐渣作為一種輕質(zhì)、多孔的材料，與道路工程用的天然集料有著類似的特征，其用于道路建設(shè)中，不僅能夠緩解日益嚴(yán)峻的道路建設(shè)材料短缺問題，而且還能充分利用廢棄資源，減少爐渣廢棄產(chǎn)生的土地占用，減少處置費(fèi)用，緩解爐渣處置壓力。本文通過分析爐渣的理化性質(zhì)、環(huán)保性質(zhì)，研究爐渣在道路路基、基層、面層中資源化利用的室內(nèi)性能情況和工程應(yīng)用情況，為爐渣在道路工程的推廣應(yīng)用提供參考。

1 爐渣基本性質(zhì)

1.1 理化性質(zhì)

爐渣的礦相組成主要為CaCO3和SiO2，其具有與天然集料類似的礦相組成，化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定，耐久性較好。

選取南京某生活垃圾焚燒爐渣處理廠所生產(chǎn)的粒徑為0～4.75 mm的爐渣對其進(jìn)行密度、吸水率、堅固性和亞甲藍(lán)試驗(yàn)，以測試爐渣的基本性質(zhì)和生產(chǎn)穩(wěn)定性。相較于天然石灰?guī)r和玄武巖細(xì)集料，爐渣的密度相對較小、吸水率較大、堅固性好，同時滿足瀝青混合料用細(xì)集料的亞甲藍(lán)值(不大于25 g/kg)的要求。爐渣基本物理性能如表1所示。

表1 爐渣基本物理性能

1.2 微觀形態(tài)

為了解爐渣的微觀結(jié)構(gòu)，對爐渣進(jìn)行制樣前取樣，采用掃描電鏡進(jìn)行分析，爐渣電鏡掃描圖如圖1所示。爐渣類似于海綿狀，表面粗糙，呈不規(guī)則角狀，有大量孔隙，孔隙直徑較大，印證了爐渣吸水率大的特點(diǎn)。由圖1(b)可知，爐渣部分位置晶體生長良好，主要為針狀、棒狀和粒狀晶體。

(a) 放大500倍形態(tài)

1.3 環(huán)保性質(zhì)

根據(jù)《固體廢物22種金屬元素的測定電感耦合等離子體發(fā)射光譜法》(HJ 781—2016)[7]對爐渣浸出液進(jìn)行重金屬含量測定，爐渣重金屬浸出含量分析如表2所示。測定的6種重金屬浸出值均小于國家標(biāo)準(zhǔn)控制要求，說明爐渣對環(huán)境造成影響較小，滿足國家環(huán)保的要求，可以用作道路材料。

表2 爐渣重金屬浸出含量分析 (mg/L)

2 爐渣在道路工程中的資源化利用

爐渣的成分、工程特性與天然集料具有較大相似性，結(jié)合環(huán)保指標(biāo)的檢測結(jié)果表明，爐渣的資源化利用是可行的。在道路工程中，集料用料巨大，爐渣作為一種輕質(zhì)、抗壓強(qiáng)度好、性能穩(wěn)定的材料，若能夠用于道路工程，不僅可以消耗大量的爐渣集料，緩解爐渣日漸增加的壓力，還可以緩解資源緊缺的狀態(tài)。

2.1 爐渣在路基中的資源化利用

道路路基工程中，由于路基挖填方量較大、層位較多，所需路基填料量巨大，通過對不同爐渣摻量穩(wěn)定土進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)和路用性能檢測試驗(yàn)，可以研究爐渣穩(wěn)定土路基的路用性能。

爐渣穩(wěn)定土擊實(shí)特性如圖2所示。室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)表明，當(dāng)爐渣摻量不大于30%時，隨著爐渣摻量的增加，爐渣穩(wěn)定土的最大干密度逐漸增加，最佳含水率也逐漸增加，但當(dāng)爐渣穩(wěn)定土超過最佳含水率后，最大干密度急劇下降，由此可見爐渣穩(wěn)定土若含水率過大，對其性能存在較大影響，施工應(yīng)嚴(yán)格控制爐渣穩(wěn)定土的含水率。

根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果制備爐渣穩(wěn)定土試件，參照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3430—2020)[8]進(jìn)行路用性能試驗(yàn)，爐渣穩(wěn)定土路用性能試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

爐渣穩(wěn)定土相關(guān)指標(biāo)如表3所示，爐渣綜合穩(wěn)定土路基承載比指標(biāo)如表4所示。

表4 爐渣綜合穩(wěn)定土路基承載比指標(biāo)

(a) 含水率與干密度關(guān)系

(a) 承載比

表3 爐渣穩(wěn)定土相關(guān)指標(biāo)

由圖3可知，隨著爐渣摻量的增加，爐渣穩(wěn)定土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度整體呈增大趨勢；當(dāng)爐渣摻量為25%時，爐渣穩(wěn)定土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度較大，承載比、回彈模量均滿足公路施工技術(shù)規(guī)范要求，因此，當(dāng)爐渣摻量為25%時，爐渣穩(wěn)定土在路基具備較高的抗壓強(qiáng)度和承載能力。

2.2 爐渣在基層中的資源化利用

采用爐渣摻量為0%、15%、20%、25%、30%、35%、40%的7種混合料級配，制備爐渣水泥穩(wěn)定碎石。爐渣水泥穩(wěn)定碎石級配設(shè)計如圖4所示。

圖4 爐渣水泥穩(wěn)定碎石級配設(shè)計注：圖中比例為各檔料的質(zhì)量比，即水泥穩(wěn)定碎石1號料∶2號料∶爐渣∶4號料。

不同爐渣摻量的爐渣水泥穩(wěn)定碎石，摻加爐渣的爐渣水泥穩(wěn)定碎石水穩(wěn)定性均劣于未摻加爐渣的爐渣水泥穩(wěn)定碎石，但爐渣摻量為20%左右可保持良好的水穩(wěn)定效果；隨著爐渣摻量的增加，養(yǎng)生7 d、90 d的爐渣水泥穩(wěn)定碎石劈裂強(qiáng)度降低，仍滿足規(guī)范要求；隨著爐渣摻量的增加，爐渣水泥穩(wěn)定碎石的溫縮系數(shù)、干縮系數(shù)整體呈上升趨勢，在爐渣摻量為25%時達(dá)到最優(yōu)的抗溫縮效果。

通過室內(nèi)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、劈裂試驗(yàn)、干縮試驗(yàn)和溫縮試驗(yàn)等相關(guān)試驗(yàn)對爐渣水泥穩(wěn)定碎石基層進(jìn)行了相關(guān)室內(nèi)試驗(yàn)研究，爐渣水泥穩(wěn)定碎石路用性能如圖5所示。

綜合不同爐渣摻量爐渣水泥穩(wěn)定碎石無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度和抗收縮性能試驗(yàn)結(jié)果，爐渣摻量為20%～30%時爐渣水泥穩(wěn)定碎石各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足技術(shù)要求，能夠達(dá)到良好的效果。

2.3 爐渣在瀝青面層中的資源化利用

以爐渣細(xì)集料AC-20瀝青混合料為例，將爐渣細(xì)集料按0%、10%、15%、20%的質(zhì)量比例替代石灰?guī)r細(xì)集料制備爐渣瀝青混合料，對不同爐渣摻量瀝青混合料的體積指標(biāo)、抗水損害性能、抗高溫變形性能、抗低溫開裂性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，爐渣瀝青混合料級配曲線如圖6所示。爐渣瀝青混合料體積指標(biāo)如表5所示。

(a) 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖6 爐渣瀝青混合料級配曲線

表5 爐渣瀝青混合料體積指標(biāo) (%)

由表5可知，爐渣瀝青混合料與不摻加爐渣的AC-20瀝青混合料相比，爐渣瀝青混合料的油石比略增大，增幅約0.2%；隨著爐渣摻量的增加，爐渣瀝青混合料試件的空隙率逐漸增大，說明隨著爐渣摻量的增加，爐渣瀝青混合料越來越難壓實(shí)，為了獲得相同的目標(biāo)空隙率，爐渣摻量越大的爐渣瀝青混合料所需要的最佳油石比越大或所需要的壓實(shí)功越大。

根據(jù)配合比設(shè)計結(jié)果，制備爐渣瀝青混合料試件進(jìn)行路用性能試驗(yàn)，包括凍融劈裂試驗(yàn)、動穩(wěn)定度試驗(yàn)、低溫性能試驗(yàn)。爐渣瀝青混合料路用性能如圖7所示。爐渣摻量不同，爐渣瀝青混合料的抗水損害性能、抗高溫變形性能和抗低溫開裂性能均不同。爐渣摻量為20%時，爐渣瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度和最大彎拉應(yīng)變達(dá)到最大值；當(dāng)爐渣摻量為10%時，爐渣瀝青混合料的動穩(wěn)定度達(dá)到最大值，綜上，推薦爐渣瀝青混合料中爐渣的最佳摻量為20%。

(a) 凍融劈裂強(qiáng)度

結(jié)合爐渣在道路工程各結(jié)構(gòu)層的室內(nèi)試驗(yàn)研究結(jié)果，生活垃圾焚燒爐渣應(yīng)用于道路工程，可以提高路基承載力，減少石灰用量；其應(yīng)用于水穩(wěn)基層，爐渣水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度和抗裂性能良好；其在瀝青面層中替代細(xì)集料使用，爐渣瀝青混合料水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性能良好。

3 工程應(yīng)用評價

3.1 應(yīng)用性能評價

為進(jìn)一步了解爐渣在道路工程中的應(yīng)用性能及效果，對爐渣在路基、基層、路面的應(yīng)用分別進(jìn)行試驗(yàn)段鋪筑。爐渣土試驗(yàn)段依托南京市浦口區(qū)雨發(fā)生態(tài)園園區(qū)道路。考慮道路等級和使用層位，在K0+000～K0+150摻加20%爐渣和2%石灰(石灰爐渣土)，在K0+150～K0+300摻加20%爐渣和2%水泥(水泥爐渣土)。施工后對路基彎沉和壓實(shí)度進(jìn)行檢測。爐渣土的單點(diǎn)彎沉值如圖8所示。爐渣土應(yīng)用后，路基土的壓實(shí)度約94%，表明爐渣與土結(jié)合良好，具有較好的壓實(shí)性；爐渣土路基單點(diǎn)彎沉值均在100(0.01 mm)以內(nèi)，表明承載能力良好。

圖8 爐渣土的單點(diǎn)彎沉值

爐渣水泥穩(wěn)定碎石試驗(yàn)段依托南京市浦口區(qū)農(nóng)村公路提檔升級工程，以爐渣摻量25%應(yīng)用于孟家圩防洪通道、曉汊線和江農(nóng)線3條農(nóng)村公路試驗(yàn)段，水穩(wěn)試驗(yàn)段現(xiàn)場所取芯樣完整性均較好，芯樣表面較為光滑，成型情況良好。

爐渣瀝青混合料試驗(yàn)段依托工程南京市浦口區(qū)雨發(fā)生態(tài)園園區(qū)道路，以爐渣摻量20%應(yīng)用于試驗(yàn)段瀝青路面下面層，爐渣瀝青混合料面層壓實(shí)度與滲水系數(shù)如圖9所示。

(a) 壓實(shí)度

爐渣瀝青混合料鋪筑效果良好，檢測指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益評價

現(xiàn)階段，生活垃圾焚燒爐渣在道路工程中主要應(yīng)用在道路路基中替代黏土、基層中替代石屑、面層中替代細(xì)集料。爐渣在道路路基中應(yīng)用可以減少路基中石灰的摻量，且原設(shè)計石灰摻量越高，節(jié)約比例越高；爐渣在道路基層中可以全部替代石屑，同時可以減少水泥用量；爐渣在瀝青面層中，摻加10%爐渣的瀝青混合料與常規(guī)瀝青混合料的經(jīng)濟(jì)性相比，經(jīng)濟(jì)效果與之相當(dāng)，但隨著山體開采逐漸嚴(yán)格，石料價格越來越高，爐渣在瀝青面層中應(yīng)用經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢越來越明顯。同時，生活垃圾焚燒爐渣的應(yīng)用也可以減少爐渣的堆置費(fèi)用等，具有間接經(jīng)濟(jì)效益。綜上所述，爐渣在道路路基、基層、面層中應(yīng)用經(jīng)濟(jì)效益具有顯著優(yōu)勢。

4 結(jié)論

爐渣的材料性質(zhì)與天然集料相當(dāng)，爐渣重金屬含量均小于國標(biāo)控制要求，對環(huán)境造成污染較小。生活垃圾焚燒爐渣可應(yīng)用于道路工程中，爐渣應(yīng)用于路基中可以提高路基承載力，減少石灰用量；爐渣應(yīng)用于水穩(wěn)基層中，基層強(qiáng)度和抗裂性能良好；爐渣在瀝青面層中替代細(xì)集料使用，瀝青面層水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性能良好。爐渣在道路工程中使用可以減少對自然資源的開采，保護(hù)自然環(huán)境，同時，充分利用廢棄資源，實(shí)現(xiàn)了廢棄資源的循環(huán)利用，具有顯著的環(huán)境效益和社會效益，實(shí)現(xiàn)了公路建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展。