生活垃圾焚燒爐渣在道路工程中資源化利用技術(shù)探討

摘 要：生活垃圾焚燒后仍會殘留相當(dāng)數(shù)量的爐渣，爐渣的主要化學(xué)成分和礦物組成與道路工程中常用的天然礦質(zhì)集料極為相似，且具有潛在水硬性與火山灰活性，具備資源化用于道路工程的基本條件。本文綜述了爐渣的理化性質(zhì)、細(xì)觀結(jié)構(gòu)與微觀形貌特征、工程特性和浸出毒性，探討了爐渣用作道路各結(jié)構(gòu)層材料的技術(shù)與環(huán)境可行性。

關(guān)鍵詞：生活垃圾焚燒爐渣; 爐渣集料; 道路工程; 資源化利用

中圖分類號：X706? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1006-3315（2021）8-062-002

1.爐渣資源化應(yīng)用于道路工程的重要意義

焚燒處理的最顯著優(yōu)勢是減量效果好，可使焚燒廢物的體積和重量減少80%～90%以上，且焚燒產(chǎn)生的熱量可用于發(fā)電和供暖。當(dāng)前，垃圾焚燒已在我國生活垃圾處理方式中占據(jù)半壁江山，但生活垃圾經(jīng)高溫焚燒后仍會殘留相當(dāng)數(shù)量的殘?jiān)Ｆ渲兄饕囊活惣词菭t渣，其質(zhì)量約占原垃圾的20%～30%[1]。按照我國《生活垃圾填埋場污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB16889），爐渣屬一般固體廢棄物，可直接填埋處理。據(jù)《中國統(tǒng)計(jì)年鑒（2020）》，我國爐渣產(chǎn)量在2019年已突破2900萬噸，江蘇省爐渣年產(chǎn)量已達(dá)330萬噸。這意味著在爐渣年產(chǎn)量持續(xù)增長、土地資源日趨緊張的形勢下，這種相對落后且低效的爐渣處置技術(shù)勢必會成為城鎮(zhèn)可持續(xù)發(fā)展的新瓶頸。而針對爐渣基本特性及其環(huán)境風(fēng)險提出合理的資源化利用方案，為解決此瓶頸問題提供了有效途徑。爐渣的主要化學(xué)成分和礦物組成與道路工程中常用的天然礦質(zhì)集料極為相似，且具有潛在火山灰活性，兼具集料特性和膠凝特性。道路工程建設(shè)中使用爐渣，不僅能有效利用大量廢棄爐渣，減少天然石料開采，節(jié)約土地資源，而且可減少環(huán)境污染，對促進(jìn)道路工程領(lǐng)域的“碳達(dá)峰”和“碳中和”具有重要現(xiàn)實(shí)意義，符合交通強(qiáng)國建設(shè)綠色發(fā)展節(jié)約集約、低碳環(huán)保的重大需求。

2.爐渣基本性質(zhì)

2.1理化性質(zhì)

原狀爐渣自然風(fēng)干后，呈灰色到黑褐色，由熔渣、金屬、陶瓷和磚石碎片、玻璃渣、不可燃鹽分以及其他未燃盡物質(zhì)（其中含5%左右的有機(jī)質(zhì)）組成，除去其中的大宗物質(zhì)后，外觀與天然集料相似[1，2]。爐渣的主要化學(xué)成分為SiO2、CaO、Al2O3和Fe2O3，約占爐渣總質(zhì)量的70%以上;組成礦物主要為方解石（CaCO3）、石英（SiO2）、硫酸鈣（CaSO4）和Friedel鹽（Ca4Al2O6Cl2·10H2O）等;含一定量重金屬，Zn、Cr、Cu、Pb、Cd含量相對較高?？傮w而言，爐渣理化性質(zhì)較穩(wěn)定，但因含F(xiàn)e及其他有色金屬（主要為Al），使用前需進(jìn)行適當(dāng)預(yù)處理。此外，新鮮爐渣中含有少量硅酸鈣和活性成分（SiO2、Al2O3、Fe2O3和Ca（OH）2），使得爐渣具有潛在水硬性和火山灰活性，因此爐渣使用前須經(jīng)一定時間的熟化，使其獲得更穩(wěn)定的理化性質(zhì)。

2.2細(xì)觀結(jié)構(gòu)與微觀形貌

受原垃圾組成及其相對含量的影響，爐渣顆粒主要呈現(xiàn)兩種結(jié)構(gòu)形式：一是典型的“多孔海綿狀”，由完全中空的球體或內(nèi)部包有數(shù)量眾多小球的子母球體組成;二是層狀多孔近立方體結(jié)構(gòu)。爐渣顆粒表面粗糙，孔隙率高，單位比表面積大，孔隙直徑大小不一、且分布不均;部分位置晶體發(fā)育良好，主要呈棒狀、針狀和粒狀;但因焚燒過程中溫度和空氣分布不均，晶體發(fā)育不均勻[3]。

2.3工程特性

爐渣粒徑分布良好，60%～80%集中在1～19mm，篩分后適合用作路基、路面基層和面層混合料的集料。較之天然集料，爐渣集料的表觀密度較小、壓碎值和磨耗損失較高、吸水性與堅(jiān)固性較好、內(nèi)摩阻角和抗剪強(qiáng)度較高，滲透率與中砂相近[4-6]。由于壓碎值和磨耗損失較天然集料高，因而爐渣集料更適合用于城市廣場、公園、停車場、小區(qū)道路、農(nóng)村公路等輕交通量道路。

2.4浸出毒性

爐渣含一定量的可溶性鹽和重金屬，很難降解。若爐渣作為道路工程建筑材料使用，其中的可溶性鹽和重金屬在一定環(huán)境條件下發(fā)生浸出，滲透到周圍土壤、地表水、地下水或經(jīng)由食物鏈進(jìn)入人體，造成環(huán)境污染、損害人體健康。研究發(fā)現(xiàn)，爐渣浸出液的pH值、可溶性鹽和重金屬濃度與爐渣粒徑和熟化時間顯著相關(guān)[7]：爐渣初始pH值一般在11以上，屬強(qiáng)堿性，且粒徑越小、堿性越強(qiáng)，但隨熟化時間延長、pH值呈緩慢下降趨勢。爐渣中Ca2+、SO42+、K+、Cl-、Na+、Mg2+、Al3+等可溶性鹽的浸出水平較高，爐渣粒徑越小、Cl-浸出量越高;而重金屬中Pb、Zn的浸出水平較高。但總體上爐渣中幾種主要重金屬和可溶性鹽的長、短期浸出水平均低于我國現(xiàn)行有關(guān)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)限值，在道路工程建設(shè)中資源化使用爐渣在環(huán)境上是可行的。

需注意的是，受原垃圾組成、焚燒工藝、預(yù)處理工藝等的影響，不同地區(qū)、不同垃圾焚燒廠、不同批次、不同熟化時間的爐渣，其粒徑分布、主要成分比例、工程性質(zhì)和毒性浸出特性等方面存在顯著差異。資源化利用爐渣前應(yīng)進(jìn)行基本性質(zhì)試驗(yàn)，以制定有針對性的利用方案，提高爐渣實(shí)際利用率，同時確保環(huán)境安全。

3.爐渣在道路工程中資源化利用技術(shù)

爐渣的理化性質(zhì)和工程特性表明爐渣具備用作道路工程集料的基本條件。爐渣具有潛在火山灰活性，能與水發(fā)生水化反應(yīng)、發(fā)揮膠結(jié)作用。同時，爐渣中的可溶性鹽、重金屬等浸出量均低于我國現(xiàn)行有關(guān)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)限值，因此爐渣資源化用于道路工程中對環(huán)境的負(fù)面影響極小。目前，挪威、德國和法國已分別實(shí)現(xiàn)將80%、65%和79%的爐渣集料應(yīng)用于道路工程。

3.1路基填筑材料

道路工程路基位于路面之下，是路面的基礎(chǔ)，其主要作用是支承路面結(jié)構(gòu)，承受路面荷載，同時將荷載傳遞至地基深處。路基填筑需要大量品質(zhì)優(yōu)良的集料和填料。爐渣級配良好，理化性質(zhì)相對穩(wěn)定，且與水發(fā)生水化反應(yīng)后能起到膠結(jié)土顆粒與集料的作用，是良好的路基填料。歐洲多年的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，爐渣作為路基填料的資源化利用方式不僅在技術(shù)上是可行的，且在環(huán)境保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展方面較之天然集料也具有顯著優(yōu)勢[2]。一般爐渣用作路基填筑材料的施工工藝如下：原地面處理、施工放樣、備料（如土、石灰和爐渣以一定比例混合）、攤鋪、調(diào)整含水率、整平、碾壓、質(zhì)量檢驗(yàn)。為確保填筑路基的壓實(shí)度滿足設(shè)計(jì)要求，路基填筑前應(yīng)通過相關(guān)試驗(yàn)確定混合填料的最佳配比、最佳含水率等指標(biāo)。

3.2路面基層材料

路面基層位于路基（或墊層）之上、面層之下，是路面結(jié)構(gòu)的承重層，主要起到承受面層傳來的車輛荷載、并將其分布到墊層或路基的作用。爐渣經(jīng)粉碎、篩選、分級后制成滿足規(guī)格要求的爐渣集料和爐渣粉料，可替代部分細(xì)集料、水泥或粉煤灰材料用于各類結(jié)合料穩(wěn)定類基層材料和粒料類基層材料，且可在一定程度上提高基層的抗裂性能。上世紀(jì)70年代，美國首次使用爐渣集料替代天然集料用于瀝青混合料基層，取得良好的工程應(yīng)用效果[2]。

3.3瀝青混合料的替代集料

瀝青混合料是有適當(dāng)比例的粗集料（粒徑≥2.36mm）、細(xì)集料（0.075～2.36mm）及填料（<0.075mm）組成的符合規(guī)定級配的礦質(zhì)集料與瀝青拌制而成的混合料的總稱，是現(xiàn)代瀝青路面中使用最廣泛的路面材料，可用于路面各結(jié)構(gòu)層。大量試驗(yàn)與工程實(shí)踐證明，不同產(chǎn)地、不同粒徑（范圍）和不同替代率下，爐渣集料對瀝青混合料的最佳瀝青用量和路用性能的影響存在一定差異。但總體上，混合料的最佳瀝青用量與爐渣集料替代率呈顯著線性正相關(guān)，即爐渣替代率越高、最佳瀝青用量越大;且替代率相同時，所用爐渣集料的粒徑越小、混合料最佳瀝青用量越高，這主要是與爐渣集料的多孔構(gòu)造特性有關(guān)。較之同等粒徑的天然集料，多孔構(gòu)造的爐渣集料可以吸附更多瀝青，且吸附于爐渣集料表面的瀝青可繼續(xù)沿著孔隙下滲，并最終形成“瀝青錨桿”，增強(qiáng)爐渣集料與瀝青之間的黏附性，從而提高混合料的整體性。因此盡管各國研究推薦的爐渣替代率不盡相同，且爐渣替代率不高（多在10%～20%左右），但一致認(rèn)為由于爐渣集料的多孔特性與粗糙的表面特性，可以使混合料的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性得到顯著提升[4，6，8]。

3.4水泥混凝土的替代集料

水泥混凝土是指由水泥、砂、集料等用水拌制而成的一類混合材料的總稱，具有強(qiáng)度高、水穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用作各等級道路的面層和基層材料。水泥作為此類混合材料中的粘結(jié)劑，是一種水硬性無機(jī)膠凝材料，與水拌和后發(fā)生水化反應(yīng)，生成水化產(chǎn)物，并將砂、集料等散粒材料膠結(jié)成具有一定強(qiáng)度的整體。由于爐渣中含有一定量的活性SiO2、Al2O3和Fe2O3，具備潛在水硬性和火山灰活性，故將其用于水泥混凝土，不但有利于提高混凝土的整體性和路用性能，而且可在一定程度上減少水泥使用量，降低施工成本，同時在一定程度上緩解因水泥生產(chǎn)造成的環(huán)境污染。

4.結(jié)語

當(dāng)前及未來，我國城鎮(zhèn)化仍處于提質(zhì)推進(jìn)階段，城市生活垃圾產(chǎn)量將保持快速增長態(tài)勢，垃圾焚燒技術(shù)是無害化處理生活垃圾的主要方式。與此同時，城鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與升級改造面臨著集料和填料短缺、環(huán)境污染等諸多問題。本文從生活垃圾焚燒爐渣的基本性質(zhì)出發(fā)，探討了其在道路工程的路基、基層和面層中的資源化利用技術(shù)，以期為同行提供參考。爐渣資源化用于道路工程對于實(shí)現(xiàn)道路工程領(lǐng)域的“碳達(dá)峰”和“碳中和”具有重要現(xiàn)實(shí)意義，但仍存在很多問題亟待解決：一是，因不同批次、不同粒徑的爐渣基本性質(zhì)波動造成混合料性能不穩(wěn)定的問題;二是爐渣混合料的設(shè)計(jì)理論與設(shè)計(jì)方法尚未形成體系;三是爐渣混合料的耐久性問題。

基金資助項(xiàng)目：住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技計(jì)劃項(xiàng)目（2019-K-140），南京林業(yè)大學(xué)青年科技創(chuàng)新項(xiàng)目（CX2019031）

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