垃圾焚燒爐渣再生微粉穩(wěn)定碎石強(qiáng)度特性研究

時(shí)正凱，董云，刁家康，張國瀛，劉暢

(1.淮安市交通運(yùn)輸局, 江蘇 淮安 223021；2.淮陰工學(xué)院; 3.南京工業(yè)大學(xué))

1 引言

隨著中國城市化高速發(fā)展，城鎮(zhèn)人口數(shù)量急劇增長，截至2018年城鎮(zhèn)人口總量已超過8.3億人。生活垃圾無害化處理主要是填埋和焚燒，但由于填埋需占用大量的土地，且極易因滲漏等造成污染，而生活垃圾焚燒減量化效果顯著，可節(jié)省填埋用地，還可消滅各種病原體，將有毒有害物質(zhì)轉(zhuǎn)化為無害物，且隨著機(jī)械爐排爐、流化床焚燒爐、回轉(zhuǎn)窯焚燒爐技術(shù)以及垃圾氣化熱解焚燒技術(shù)的發(fā)展，垃圾焚燒處理效率逐步提高，垃圾焚燒法已成為城市垃圾處理的主要方法之一。

垃圾焚燒后，其體積大大縮減，產(chǎn)生的飛灰和爐渣約為原體積的20%。飛灰中的二噁英及重金屬浸出可能會帶來環(huán)境問題，因此，研究其應(yīng)用較多，主要作為煅燒水泥及瀝青膠漿摻合料等再生利用。爐渣主要是由質(zhì)地較堅(jiān)硬的熔渣、玻璃、陶瓷和磚頭、石塊等組成的非均質(zhì)混合物，另外還有少量金屬制品和塑料、紙類等未完全燃燒有機(jī)物。目前，爐渣經(jīng)分選后，主要作為填料和再生骨料用于瀝青混凝土、水泥混凝土及制作燒結(jié)磚骨料等。但部分學(xué)者及該項(xiàng)目的前期研究表明：垃圾焚燒爐渣經(jīng)破碎、研磨后，具有與水泥類似的凝膠活性，而把爐渣作為填料或再生骨料用于路堤填筑或混凝土中時(shí)，并沒有充分發(fā)揮其潛在的凝膠活性。該文以垃圾焚燒爐渣再生微粉(以下簡稱“再生微粉”)部分替代水泥，配置水泥穩(wěn)定碎石混合料，探究再生微粉+水泥穩(wěn)定碎石的力學(xué)性能，以進(jìn)一步提高垃圾焚燒爐渣的再生利用價(jià)值。

2 主要材料及配合比設(shè)計(jì)

2.1 膠凝材料

前期研究表明，垃圾焚燒爐渣易于研磨，強(qiáng)度活性指數(shù)可達(dá)85以上，此次研究采用強(qiáng)度活性較高的比表面積為700～800 m2/kg的再生微粉，其顆粒級配組成如圖1所示，其中10 μm以下活性較高的微粉顆粒含量約占總量的65%。

圖1 爐渣再生微粉粒徑分布曲線

水泥采用普通P.O.32.5級硅酸鹽水泥。

2.2 級配碎石

碎石級配按照最大密度曲線理論，采用n法確定。

碎石的理論級配組成，如表1所示。

表1 級配碎石理論級配組成

結(jié)合工程具體情況，利用不同粒徑組成的粗集料(A料、B料)和石屑(4.75 mm篩余，以下簡稱“C料”)，按上述理論級配進(jìn)行摻配，最終A料∶B料∶C料的質(zhì)量比為：28∶40∶32，結(jié)果如表2所示。

表2 級配碎石實(shí)際級配組成

由合成級配、理論級配與JTG D50—2006《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定基層級配范圍的級配曲線對比(圖2)可見：理論級配接近規(guī)范規(guī)定的級配上限，合成級配總體與理論級配吻合較好。相比于理論級配，合成級配中9.5～19 mm顆粒含量略高，2.36～4.75 mm顆粒含量略低，2.36 mm以下顆粒含量基本一致，且接近規(guī)范的上限，更有利于形成骨架。理論級配中0.075 mm以下顆粒含量高于級配上限，而合成級配則完全位于規(guī)范規(guī)定的級配范圍內(nèi)。

圖2 碎石級配曲線對比

2.3 水泥穩(wěn)定碎石配合比設(shè)計(jì)

為探究垃圾焚燒爐渣再生微粉部分替代水泥對水泥穩(wěn)定碎石路用性能的影響，結(jié)合水泥穩(wěn)定碎石中膠凝材料的常規(guī)摻量以及某工程的實(shí)際生產(chǎn)配合比，以膠凝材料用量為4%和5%作為標(biāo)準(zhǔn)對照組，記為DZ4、DZ5；采用再生微粉按10%、20%、30%的質(zhì)量比例內(nèi)摻等量替代DZ5中的水泥作為替代組，記為TD51、TD52和TD53。各試驗(yàn)方案如表3所示。

表3 試驗(yàn)配合比

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

參照J(rèn)TG E51—2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》，室內(nèi)進(jìn)行了各配合比的擊實(shí)試驗(yàn)，依據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果制作試件，進(jìn)行了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和間接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)(劈裂試驗(yàn))。

3.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果及分析

各配合比不同齡期(7、28 d)的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4結(jié)果對比JTG D50—2006《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》對水泥穩(wěn)定類材料的強(qiáng)度要求可見：

表4 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

(1)對比DZ4和TD52可見，在水泥用量同為4%時(shí)，摻入1%再生微粉，其7 d和28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值分別提高了9.9%、13.1%，強(qiáng)度代表值分別提高了9.8%、11.1%，說明垃圾焚燒爐渣再生微粉具有膠凝活性，摻入再生微粉可以提高水泥穩(wěn)定碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

(2)對比DZ5和TD51、TD52、TD53可見，在同樣膠凝材料用量的前提下，水泥穩(wěn)定碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨再生微粉替代量的增加逐步降低，說明再生微粉替代水泥對穩(wěn)定碎石的長期強(qiáng)度影響明顯大于對早期強(qiáng)度的影響；當(dāng)替代量較小時(shí)，水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度降低也較小，當(dāng)再生微粉替代水泥超過一定比例后，會造成水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度較大幅度的降低。

3.2 劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果及分析

不同配合比、齡期的劈裂試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由表5可見：不同配合比及齡期的劈裂強(qiáng)度變化規(guī)律與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律基本一致：在水泥用量同為4%時(shí)，摻入1%再生微粉，7、28 d劈裂強(qiáng)度均有提高；在膠凝材料用量同為5%時(shí)，隨再生微粉替代水泥比例的增加，劈裂強(qiáng)度降低明顯；說明再生微粉的摻加對劈裂強(qiáng)度的影響遠(yuǎn)大于對抗壓強(qiáng)度的影響。

分析認(rèn)為，由于再生微粉具有一定的膠凝活性，且細(xì)度小于水泥顆粒，摻入后具有活性的顆?？梢园l(fā)揮膠凝作用，超細(xì)的惰性顆粒也可起到一定的充填作用。因此，替代量小時(shí)，強(qiáng)度降低不明顯，而替代超過一定比例后，雖然超細(xì)惰性顆粒的充填作用發(fā)揮完全，但可能造成細(xì)顆粒越多需要的膠凝材料也越多以及再生微粉膠凝活性低，從而導(dǎo)致水泥穩(wěn)定碎石無側(cè)限抗壓強(qiáng)度較大幅度降低。另外，由于再生微粉中小于10 μm的活性顆粒相對較多，早期水化反應(yīng)速度快，因此，對早期強(qiáng)度的影響較小。

4 結(jié)論

通過垃圾焚燒爐渣再生微粉部分替代水泥穩(wěn)定碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

(1)在同樣水泥用量時(shí)，摻入少量再生微粉，可顯著提高水泥穩(wěn)定碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度，證明再生微粉具有與水泥類似的膠凝活性。

(2)在同樣膠凝材料用量時(shí)，采用再生微粉部分替代水泥會造成無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度隨替代比例的增加而降低，當(dāng)替代水泥比例小于20%時(shí)，強(qiáng)度降低較小，大于20%時(shí)，強(qiáng)度降低顯著增加。再生微粉部分替代水泥對水泥穩(wěn)定碎石早期強(qiáng)度影響較小，對長期強(qiáng)度影響相對較大，對劈裂強(qiáng)度的影響遠(yuǎn)大于對抗壓強(qiáng)度的影響。

(3)鑒于上述再生微粉部分替代水泥對穩(wěn)定碎石強(qiáng)度的影響，利用垃圾焚燒爐渣再生微粉替代水泥穩(wěn)定碎石是可行的，但替代比例應(yīng)控制在合理的范圍。