生活垃圾焚燒爐底渣對(duì)干硬性混凝土力學(xué)性能及干燥收縮影響研究

章志，陳寧，王娟，董慶廣，曹黎穎

（1.上海市市政規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200031；2.上海市建筑科學(xué)研究院有限公司，上海 200032；3.上海寶鋼新型建材科技有限公司，上海 200199；4.上海城市路域生態(tài)工程技術(shù)研究中心，上海 201418）

0 引言

近年來(lái)，隨著人們生活水平的提高，城市生活垃圾產(chǎn)生量大幅增加。2019年全國(guó)城市生活垃圾產(chǎn)生量為3.43億t，比2018年增長(zhǎng)6.2%。目前國(guó)內(nèi)對(duì)城市生活垃圾主要的處理方式還是填埋，但是此種處理方式占用大量的土地資源；生活垃圾焚燒處理可有效減少垃圾體量（70%～80%）[1]，相比傳統(tǒng)的填埋處理方式有巨大的優(yōu)越性。此外，城市生活垃圾焚燒處理過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生一定的熱能，再加上各級(jí)地方政府陸續(xù)出臺(tái)垃圾焚燒中長(zhǎng)期規(guī)劃[2]，因此全國(guó)范圍內(nèi)出現(xiàn)大量的垃圾焚燒廠或垃圾焚燒發(fā)電廠。城市生活垃圾焚燒發(fā)電過(guò)程中雖然能夠使得其達(dá)到減量化、無(wú)害化的目的，但是其焚燒后仍然會(huì)有20%～30%的質(zhì)量以灰渣（飛灰和底渣）的形式留存[1]。有文獻(xiàn)指出，2019年全國(guó)共焚燒處理生活垃圾5932萬(wàn)t，產(chǎn)生了520萬(wàn)～780萬(wàn)t焚燒爐底渣以及13萬(wàn)t飛灰[3]。飛灰是危險(xiǎn)廢物，必須按照規(guī)定進(jìn)行管理和處置；但是燃燒充分的爐渣產(chǎn)品屬于一般固體廢棄物，其物理、力學(xué)性能等工程性質(zhì)與天然的輕質(zhì)骨料類似，說(shuō)明其資源化利用具有一定的可行性[4-6]。

關(guān)于爐底渣的組成、成分的研究國(guó)內(nèi)外已有很多報(bào)道。由于地理位置的不同，其組成、成分有一定的差異。但是大體上主要是一些熔渣、陶瓷或玻璃碎片、黑色或有色金屬、未燃盡的有機(jī)物以及一些不可燃物等組成[1，5-6]。主要晶體組成為石英（SiO2）、方解石（CaCO3），部分地區(qū)還含有Ca（OH）2和CaSO4[5-6]。城市爐底渣主要應(yīng)用于道路工程中的路基路面[7-8]、水泥混凝土摻合料[8-9]等方面。爐底渣用于墻體材料主要是將其作為天然骨料的替代品，胡艷麗等[10]通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定底渣與水泥用量的比值控制在2.5左右時(shí)，抗壓強(qiáng)度能夠達(dá)到39.81 MPa，但是其比值超過(guò)2.5后強(qiáng)度急劇降低；且由于底渣為蜂窩狀顆粒，隨著底渣與水泥用量比值的增大，其導(dǎo)熱系數(shù)逐漸減小。楊媛等[11]利用硅酸鈉等堿激活劑、水泥、爐底渣等材料，制備出強(qiáng)度可達(dá)到20.56 MPa的免燒磚。爐底渣在預(yù)拌砂漿中也有類似應(yīng)用，賈春林等[12]通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定灰渣摻量控制在25%以內(nèi)時(shí)，隨其摻量的增加，砂漿的流動(dòng)度、泌水度和密度逐漸減小，尺寸變化率逐漸增大，抗折和抗壓強(qiáng)度先提高后降低。以上研究表明，通過(guò)合理的控制爐底渣摻量及性能調(diào)節(jié)，爐底渣在建材領(lǐng)域一定程度上能夠?qū)崿F(xiàn)資源化利用。

干硬性混凝土由于其配合比以及獨(dú)特的成型方式，能以較低的成本使水泥基材料達(dá)到較高的強(qiáng)度。在成型時(shí)干硬性混凝土拌合物具有極低的坍落度且成型過(guò)程中需要強(qiáng)力振搗，而以往的研究主要集中在砂漿或水泥摻合料等具有較大流動(dòng)度的產(chǎn)品上，成型工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)干硬性混凝土參考意義不大。因此，將爐底渣用于干硬性混凝土?xí)r需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本文采用強(qiáng)力擠壓成型方式，研究爐底渣對(duì)干硬性混凝土力學(xué)性能及干燥收縮的影響，并通過(guò)SEM和EDS分析了這種影響的內(nèi)在機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：萬(wàn)安P·O42.5；爐底渣：上海市某環(huán)保材料有限公司提供；石屑：常規(guī)礦山石屑；水：自來(lái)水。水泥的物理力學(xué)性能見(jiàn)表1；石屑和爐底渣的顆粒級(jí)配見(jiàn)圖1，物理性能見(jiàn)表2；水泥、石屑和爐底渣的主要化學(xué)成分見(jiàn)表3。

表1 水泥的物理力學(xué)性能

圖1 石屑和爐底渣的顆粒級(jí)配曲線

表2 石屑和爐底渣的物理性能

表3 石屑、爐底渣和水泥的主要化學(xué)成分 %

由圖1、表2和表3可見(jiàn)，爐底渣與石屑的顆粒級(jí)配曲線比較接近，二者細(xì)度模數(shù)均為3.4。由于爐底渣中含有有機(jī)物的焚燒灰燼以及未燃盡的煤渣等密度較小的顆粒，其密度小于天然石屑。同時(shí)，爐底渣和石屑的主要化學(xué)成分均為SiO2、CaO、Al2O3，均屬于硅質(zhì)材料，化學(xué)成分比較接近。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 試塊制備

原材料均在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境（溫度20℃、相對(duì)濕度60%）中放置1d后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。干硬性混凝土基準(zhǔn)配合比（kg/m3）為：m（水泥）∶m（石屑）∶m（水）=290∶1826∶195，采用爐底渣等質(zhì)量取代石屑。

按配合比稱量好物料，將干物料（爐底渣、石屑和水泥）倒入攪拌鍋慢速攪拌30 s，再加入稱量好的水，先慢速攪拌2 min，再快速攪拌2 min。攪拌完成后，稱量一定質(zhì)量的物料分3次倒入涂過(guò)油的模具中，每次放入后用搗棒搗實(shí)，放入全部物料后蓋上模具的蓋子，加壓至10 MPa（對(duì)應(yīng)荷載為20 kN），待模具上下2塊底板與圓柱形模具平齊后緩慢卸載。最后在脫模機(jī)上脫模。將所有的試塊放入托盤中，蓋上塑料紙（防止養(yǎng)護(hù)期間淋水）放入混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)至加載齡期。實(shí)驗(yàn)用模具如圖2所示，試塊尺寸為Φ50 mm×50mm。

圖2 實(shí)驗(yàn)用模具示意

1.2.2 用水量

按上述過(guò)程拌合，調(diào)節(jié)干硬性混凝土的用水量，使維勃稠度控制在39～31 s，研究不同爐底渣取代率對(duì)干硬性混凝土用水量的影響。維勃稠度參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試。

1.2.3 抗壓強(qiáng)度

抗壓強(qiáng)度參照GB/T 50081—2019《混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試，采用TYE-300型萬(wàn)能壓力機(jī)進(jìn)行加載，加載速度為0.5 kN/min，每組3個(gè)試塊，取平均值。

1.2.4 干燥收縮

干燥收縮實(shí)驗(yàn)參考GB/T 4111—2013《混凝土砌塊和磚試驗(yàn)方法》進(jìn)行，每組3個(gè)試塊，取平均值。

1.2.5 微觀分析

抗壓實(shí)驗(yàn)測(cè)試之后，分別在爐底渣取代率為0、30%的圓柱體試塊上切取小塊試塊，放入無(wú)水乙醇中終止水化3d，然后放入65℃烘箱中烘干，切割成豆粒大小備用，利用SEM觀察其微觀形貌，并利用EDS分析其元素組成。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 爐底渣取代率對(duì)干硬性混凝土用水量的影響

（見(jiàn)表4）

表4 爐底渣取代率對(duì)干硬性混凝土用水量的影響

由表4可知，控制維勃稠度為39～31 s時(shí)，用水量隨著爐底渣取代率的增加而逐漸增多。爐底渣取代率小于30%時(shí)，爐底渣對(duì)干硬性混凝土拌合物的用水量影響較小。不摻爐底渣的空白組用水量為174 kg/m3；爐底渣取代率為20%和30%時(shí)用水量基本與空白組相當(dāng)；當(dāng)爐底渣取代率超過(guò)30%時(shí)，用水量增幅變大，爐底渣取代率為40%和50%時(shí)用水量較空白組分別增大8.0%和17.8%。

主要?dú)w因于爐底渣中含有未燃盡煤炭等疏松多孔顆粒以及較多的粉末狀顆粒等吸水率較高或比表面積較大顆粒，導(dǎo)致干硬性混凝土達(dá)到一定維勃稠度時(shí)的需水量增加。另外，由于爐底渣的堆積密度小于石屑，因此爐底渣等質(zhì)量替代石屑時(shí)實(shí)際上使用的細(xì)集料體積越來(lái)越大，導(dǎo)致拌合過(guò)程中需要更多的水來(lái)浸潤(rùn)物料表面。將爐底渣取代率控制在0～30%時(shí)，干硬性混凝土用水量的增幅可以控制在一定范圍內(nèi)（2%以下）。

2.2 爐底渣取代率對(duì)干硬性混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

爐底渣取代率對(duì)干硬性混凝土7 d、28 d抗壓強(qiáng)度的影響見(jiàn)表5。

表5 爐底渣取代率對(duì)干硬性混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由表5可見(jiàn)，隨著爐底渣取代率的增加，干硬性混凝土的7 d、28 d抗壓強(qiáng)度均先降低后提高。爐底渣取代率低于30%時(shí)，雖然爐底渣對(duì)干硬性混凝土用水量的影響不大，但是相比于石屑，爐底渣中不僅含有碎玻璃、陶瓷等性質(zhì)良好顆粒，同時(shí)含有未燃盡的有機(jī)物、熔渣等工程性質(zhì)較差的顆粒，所以隨著爐底渣摻量的增加，干硬性混凝土的抗壓強(qiáng)度降低。取代率超過(guò)30%之后，爐底渣使干硬性混凝土的需水量急劇上升，控制用水量不變的情況下，干硬性混凝土中用于水泥水化的水減少（即實(shí)際上水灰比降低），從而導(dǎo)致干硬性混凝土的抗壓強(qiáng)度有小幅度的提高，但仍低于空白組。爐底渣取代率為30%時(shí)，干硬性混凝土的7 d、28 d抗壓強(qiáng)度較空白組分別降低了21.6%和22.1%；當(dāng)取代率為40%時(shí)，7 d、28 d抗壓強(qiáng)度較空白組只分別降低了10.8%、14.1%。由于實(shí)際應(yīng)用時(shí)必須考慮干硬性混凝土的工作性能，所以隨著爐底渣取代率的增加，必然導(dǎo)致用水量增加，從而導(dǎo)致水灰比也相應(yīng)的有較大幅度的增加。干硬性混凝土中水泥的用量有限，水灰比增大對(duì)干硬性混凝土的強(qiáng)度有很大的影響。因此，干硬性混凝土中爐底渣取代石屑的取代率宜控制在30%以下。

為研究爐底渣對(duì)干硬性混凝土長(zhǎng)齡期抗壓強(qiáng)度的影響，選取爐底渣取代率為30%試件進(jìn)行長(zhǎng)齡期抗壓強(qiáng)度測(cè)試，并與空白組進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 爐底渣干硬性混凝土長(zhǎng)齡期抗壓強(qiáng)度

由表6可見(jiàn)，爐底渣取代率為30%的干硬性混凝土抗壓強(qiáng)度隨齡期的發(fā)展趨勢(shì)與空白組相似，只是摻加爐底渣使干硬性混凝土的早期和晚期抗壓強(qiáng)度都變低。爐底渣取代率為30%的干硬性混凝土7、28、56、200 d抗壓強(qiáng)度較空白組分別降低了21.6%、22.1%、24.0%、19.3%。相比于空白組，爐底渣取代率為30%的干硬性混凝土短期強(qiáng)度（28 d之前）發(fā)展較慢，7～28d的強(qiáng)度平均增長(zhǎng)速度為0.25MPa/d，小于空白組的0.30 MPa/d。另一方面，爐底渣取代率為30%的干硬性混凝土56～200d之間的強(qiáng)度增長(zhǎng)（強(qiáng)度平均增長(zhǎng)速度為0.014MPa/d）要快于空白組（強(qiáng)度平均增長(zhǎng)速度為0.006MPa/d）。這主要是因?yàn)闋t底渣具有較高的吸水率，使摻30%爐底渣的干硬性混凝土中參與水泥水化反應(yīng)的水比不摻爐底渣的對(duì)照組少，這限制了爐底渣干硬性混凝土中水泥的水化速度；隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，對(duì)照組中水泥的水化程度比爐底渣干硬性混凝土中的水泥水化程度高，外部水分進(jìn)入水泥顆粒未反應(yīng)的核心時(shí)需要穿越的C-S-H凝膠層更厚，且水泥顆粒未反應(yīng)的核心的表面積更小，使空白組干硬性混凝土后期的強(qiáng)度增長(zhǎng)慢于爐底渣干硬性混凝土。

2.3 爐底渣對(duì)干硬性混凝土干燥收縮的影響（見(jiàn)表7）

表7 爐底渣對(duì)干硬性混凝土干燥收縮的影響

由表7可知，爐底渣取代率為30%的干硬性混凝土的干燥收縮值均比空白組小，7、14、28d齡期時(shí)，爐底渣取代率為30%的干硬性混凝土干燥收縮值較空白組分別減小了2.24%、8.73%、9.04%。隨著齡期的延長(zhǎng)，干燥收縮值減小的幅度越來(lái)越大。

爐底渣中含有玻璃等非晶質(zhì)SiO2，具有較高的吸水率，使得爐底渣取代率為30%的試塊平衡含水率高于空白組。此外，由于其具有較高的濕度，使得試塊中具有發(fā)生類似于堿-集料反應(yīng)的化學(xué)環(huán)境。因此，失水較慢和類似于堿-集料反應(yīng)的膨脹性反應(yīng)使得爐底渣取代率為30%的試塊干燥收縮值小于空白組。

2.4 微觀機(jī)理分析

空白組及爐底渣取代率為30%的干硬性混凝土的SEM照片見(jiàn)圖3。

由于石屑的主要成分為天然巖石，水泥摻量較低時(shí)即使骨料存在一定的堿活性，也難以發(fā)生危害性的堿-骨料反應(yīng)。所以不摻爐底渣的試塊中水泥能夠在正常的堿性環(huán)境中水化，由圖3可見(jiàn)，空白組中含有較多的鈣礬石和水化硅酸鈣等水泥水化產(chǎn)物；而爐底渣取代率為30%的干硬性混凝土中含有類似于堿-硅酸反應(yīng)產(chǎn)物的花瓣?duì)顗A-硅凝膠，其具有一定的吸水膨脹性，而且其反應(yīng)過(guò)程可能使得集料表面產(chǎn)生一些微裂縫。進(jìn)一步解釋了摻30%爐底渣使干硬性混凝土抗壓強(qiáng)度和干燥收縮值減小的現(xiàn)象。

圖3 干硬性混凝土的SEM照片

利用EDS能譜分析花瓣?duì)钅z元素組成，如表8所示。

表8 花瓣?duì)顗A-硅凝膠元素含量 %

由表8可見(jiàn)，花瓣?duì)钅z化學(xué)成分組成比較復(fù)雜，由O、Si、Ca、C、Na、及Al組成。雖然它與一般的堿-集料反應(yīng)產(chǎn)物形貌相似，但是其化學(xué)組成有所差別。這可能是因?yàn)闋t底渣化學(xué)成分相對(duì)復(fù)雜，其產(chǎn)生花瓣?duì)钅z時(shí)反應(yīng)產(chǎn)物中同時(shí)夾雜爐底渣中本身含有的物質(zhì)，如晶相的碳酸鈣或焚燒渣中參與的碳元素。根據(jù)表8中各元素比例，其主要成分可能是水泥熟料C2S、C3S水化反應(yīng)產(chǎn)生的C-S-H凝膠、堿-硅酸反應(yīng)生成的堿-硅凝膠（Si—ONa）及爐底渣中殘留的煤炭；其中的鋁元素可能來(lái)自于水泥熟料C3A的水化產(chǎn)物，但是凝膠中并未觀察到C3A典型的六方板狀晶體，可能是因?yàn)榛ò隊(duì)钅z對(duì)C3A水化產(chǎn)物的吸附作用比較強(qiáng)，導(dǎo)致其無(wú)法結(jié)晶生成六方板狀晶體。

3 結(jié)論

（1）爐底渣的部分工程性質(zhì)以及化學(xué)組成與天然石屑類似，作為干硬性混凝土細(xì)集料具有一定可行性。

（2）隨著爐底渣取代率的增加，干硬性混凝土達(dá)到一定的工作狀態(tài)時(shí)的需水量逐漸增加。爐底渣取代率超過(guò)30%時(shí)，干硬性混凝土的需水量急劇上升。

（3）在水固比保持不變時(shí)，干硬性混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著爐底渣取代率的增加先降低后提高，爐底渣取代率為30%的干硬性混凝土28 d抗壓強(qiáng)度最低?？紤]到爐底渣取代率超過(guò)30%時(shí)用水量顯著增加，所以取代率控制在30%以內(nèi)。

（4）7、14、28 d齡期時(shí)，爐底渣取代率為30%的干硬性混凝土干燥收縮值較空白組分別減小了2.24%、8.73%、9.04%。隨著齡期的延長(zhǎng)，干燥收縮值減小的幅度越來(lái)越大。

（5）摻爐底渣的試塊中含有類似于堿-集料反應(yīng)的膨脹性反應(yīng)，導(dǎo)致干硬性混凝土抗壓強(qiáng)度和干燥收縮值比空白組小。試塊中生成了類似于堿-骨料反應(yīng)的花瓣?duì)顗A-硅凝膠，而空白組中更多的是水泥水化的鈣礬石和水化硅酸鈣。