垃圾焚燒爐渣基綠色墻體材料的制備

笪俊偉，蔣震，曾維，張毅

（中建西部建設(shè)湖南有限公司，湖南 長沙 410000）

0 前言

近年來，隨著城市的日益發(fā)展和人類生活水平的不斷提高，由此產(chǎn)生了越來越多的城市生活垃圾，如何對城市生活垃圾進(jìn)行處理是急需解決的問題之一[1-2]。垃圾焚燒發(fā)電不僅可以對城市生活垃圾進(jìn)行資源化處理，而且焚燒后的垃圾體積大量減少。因此，各大城市主要采用垃圾焚燒技術(shù)對城市生活垃圾進(jìn)行處理，但這不可避免地產(chǎn)生大量垃圾焚燒爐渣，而如何對垃圾焚燒爐渣進(jìn)行資源化利用，需要進(jìn)一步研究。垃圾焚燒爐渣從成分上看，含有大量的硅質(zhì)材料，將其用于建筑材料具有很大的可行性[3-6]。結(jié)合當(dāng)前城市化發(fā)展所需求的保溫隔熱墻體材料日益增多，利用垃圾焚燒爐渣來替代傳統(tǒng)的保溫隔熱墻體材料生產(chǎn)原料，實現(xiàn)成本的降低和廢棄物資源化利用的雙贏[7-10]。將垃圾焚燒爐渣作為加氣混凝土中硅質(zhì)原料的替代材料，系統(tǒng)研究爐渣的替代量、品質(zhì)、蒸壓養(yǎng)護條件等對垃圾焚燒爐渣基加氣混凝土性能的影響，并對制品的重金屬浸出安全性進(jìn)行分析測定。為垃圾焚燒爐渣在無害化、資源化利用提供參考。

1 實驗

1.1 原材料

垃圾焚燒爐渣：長沙某垃圾焚燒發(fā)電廠；生石灰：湖南婁底生產(chǎn)的中速灰；水泥：P·O42.5，新化海螺水泥有限公司；砂：石英砂，湖南婁底。原材料的主要化學(xué)成分如表1 所示。

表1 原材料的主要化學(xué)成分 %

鋁粉：山東產(chǎn)，固體含量80%，其中的活性鋁含量87%，0.075 mm 方孔篩篩余2.78%。調(diào)節(jié)發(fā)氣材料為普通石膏。

1.2 實驗方法

（1）原材料中的爐渣、生石灰、砂的粒度采用激光粒度分析儀測試。

（2）原材料的預(yù)處理采用試驗球磨機對爐渣、生石灰、砂進(jìn)行磨細(xì)處理。

（3）抗壓強度采用抗壓強度檢測機進(jìn)行測試，以（2.0±0.5）kN/s 的速度連續(xù)而均勻地加荷，直至試件破壞，記錄破壞荷載。

（4）原料及樣品中的重金屬浸出安全性根據(jù)HJ/T 299—2007《固體廢物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法》中規(guī)定的方法進(jìn)行測試，浸出樣品和蒸壓用水中的重金屬濃度測定采用全譜直讀等離子體發(fā)射光譜儀測定。

（5）鈣硅比按式（1）計算。

2 結(jié)果與討論

2.1 垃圾焚燒爐渣預(yù)處理

垃圾焚燒爐渣場的爐渣經(jīng)過晾曬后進(jìn)行粉磨預(yù)處理。希望通過不同粉磨時間實現(xiàn)對爐渣磨細(xì)的處理，將不同粉磨時間后的爐渣進(jìn)行粒度、篩余量、比表面積測試，結(jié)果如表2、表3 所示。

表2 不同粉磨時間后爐渣的粒度分布 %

表3 不同粉磨時間后爐渣的細(xì)度與比表面積

從表2、表3 可以看出，當(dāng)粉磨時間從20 min 增加的40 min 時，垃圾焚燒爐渣的0.045 mm 方孔篩篩余量從35.7%減小到7.7%，比表面積從218 m2/kg 增加到386 m2/kg，在0～1、1～10 μm 粒度范圍內(nèi)的爐渣逐漸增多，而10～100、100～1000 μm 范圍內(nèi)的爐渣逐漸較少。說明粉磨處理對爐渣的粒度有作用，隨著粉磨時間的增加，爐渣中的大顆粒被磨細(xì)，逐漸較少，小顆粒逐漸增多。

將粉磨后的爐渣利用掃描電子顯微鏡進(jìn)行微觀形貌觀察，結(jié)果如圖1 所示。

從圖1 可以看出，隨著粉磨時間的增加，爐渣中大顆粒逐漸較少。

圖1 不同粉磨時間爐渣的微觀形貌

2.2 垃圾焚燒爐渣替代量對蒸壓加氣混凝土性能的影響

垃圾焚燒爐渣中SiO2的含量達(dá)到了60%，本實驗將其作為砂的替代原料，研究其替代量對蒸壓加氣混凝土性能的影響。

初始砂加氣混凝土配比為：水泥8%、生石灰24%、砂65%、石膏3%、外摻鋁粉0.14%、水料比0.58；在此基礎(chǔ)上爐渣從0、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%的替代量逐步增加替代砂。

經(jīng)過蒸壓養(yǎng)護得到的制品后，放置一段時間至制品含水率在8%～12%時測試抗壓強度，研究不同替代量的垃圾焚燒爐渣對蒸壓加氣混凝土制品強度的影響。測試數(shù)據(jù)如表4 所示。

表4 不同替代量垃圾焚燒爐渣制品的抗壓強度

由表4 可以看出，在爐渣替代量從0 增加到50%時，隨著替代量的增加，制品的抗壓強度逐漸從3.6 MPa 降低到2.8 MPa，爐渣的替代量從60%繼續(xù)增加到100%時，制品的抗壓強度又出現(xiàn)了回升，從2.8 MPa 提高到了3.2 MPa。這是因為蒸壓加氣混凝土的強度主要取決于孔壁材料的強度?？妆诓牧蠟樗疅岱磻?yīng)生成的托貝莫來石等水化產(chǎn)物，當(dāng)爐渣的替代量較小時，隨著爐渣的替代量逐漸增大，體系鈣硅比也逐漸增大，體系中的SiO2在逐漸的減小，生成的對強度有貢獻(xiàn)的水化產(chǎn)物托貝莫來石等逐漸減小，因此當(dāng)爐渣替代量從0 增加到50%時，制品抗壓強度逐漸降低，而隨著爐渣替代量的進(jìn)一步增大，鈣硅比逐漸增大，超過一定量后，水化反應(yīng)生成的托貝莫來石等水化產(chǎn)物不再減小，反而逐漸增大，所以當(dāng)爐渣的替代量從60%增加到100%時，制品的抗壓強度又有所提高。

2.3 垃圾焚燒爐渣的粒度對性能的影響

對爐渣進(jìn)行預(yù)處理以后，不同粉磨時間后的垃圾焚燒爐渣的粒度有明顯的差別，粒度的不同也會對水熱反應(yīng)生成的水化產(chǎn)物有一定的影響，因此通過改變原材料中垃圾焚燒爐渣的粒度研究其對蒸壓加氣混凝土制品性能的影響。配比控制為：水泥8%、生石灰24%、爐渣65%、石膏3%、外摻鋁粉0.14%、水料比0.58；研究爐渣分別粉磨20、25、30、35、40 min對制品性能的影響。

經(jīng)過蒸壓養(yǎng)護得到的制品放置一段時間至含水率在8%～12%時測試抗壓強度。研究不同粒度爐渣對爐渣基蒸壓加氣混凝土強度的影響。測試數(shù)據(jù)如表5 所示。

表5 不同粒度垃圾焚燒爐渣制品的抗壓強度

由表5 可以看出，隨著爐渣粉磨時間從20 min 增加到40 min，即爐渣的粒度逐漸減小，制品的抗壓強度呈現(xiàn)先提高后降低的趨勢，峰值為3.2 MPa。說明一定范圍內(nèi)，粒度的減小有利于水熱反應(yīng)生成對強度有利的水化產(chǎn)物托貝莫來石等，而當(dāng)爐渣粒度過小時，雖然加快水熱反應(yīng)的進(jìn)行，生成更多水化產(chǎn)物，但是生成的托貝莫來石結(jié)晶度較小，導(dǎo)致制品強度的降低。

2.4 蒸壓養(yǎng)護條件對蒸壓加氣混凝土性能的影響

配比控制為：水泥8%、生石灰24%、爐渣65%、石膏3%、外摻鋁粉0.14%、水料比0.58；經(jīng)過蒸壓養(yǎng)護得到的制品后，放置一段時間至制品含水率在8%～12%時測定制品的抗壓強度，來研究不同蒸壓養(yǎng)護條件對爐渣基蒸壓加氣混凝土制品強度的影響。測試數(shù)據(jù)如表6 所示。

表6 不同蒸壓養(yǎng)護條件對制品抗壓強度的影響

由表6 可以看出，蒸壓時間為6 h 時，蒸壓壓力的增加有利于制品強度的提高，而當(dāng)繼續(xù)增加蒸壓時間時，蒸壓壓力的增加并沒有一直提高制品的抗壓強度，反而在1.4 MPa 壓力下強度出現(xiàn)了下降。當(dāng)固定蒸壓養(yǎng)護的壓力為1.0 MPa 時，蒸壓時間的增加有利于制品強度的提高，當(dāng)壓力為1.2、1.4 MPa時，蒸壓時間的增加并沒有和制品抗壓強度出現(xiàn)正相關(guān)。說明蒸壓養(yǎng)護的條件需要在一個合適的范圍內(nèi)，這時蒸壓養(yǎng)護時間的增加和壓力的提高，都會加快水熱反應(yīng)的進(jìn)行，生成更多對強度有利的水化產(chǎn)物。而當(dāng)蒸壓養(yǎng)護的壓力和時間都較小時，水熱反應(yīng)不充分，生成的水化產(chǎn)物較少，制品強度較低。蒸壓養(yǎng)護的壓力和時間超過一定范圍后，會導(dǎo)致水化產(chǎn)物的破壞，降低了制品的抗壓強度。

2.5 重金屬浸出安全性分析

生活垃圾經(jīng)過焚燒處理后，其中大部分的重金屬都匯聚在爐渣中，而本試驗是將垃圾焚燒爐渣進(jìn)行資源化利用，重金屬在利用的過程中是否安全，是否會對環(huán)境造成二次污染，這都需要進(jìn)行相應(yīng)的評估。針對垃圾焚燒爐渣的重金屬安全性問題，本試驗對所用爐渣重金屬含量進(jìn)行測定，結(jié)果如表7 所示。

表7 垃圾焚燒爐渣的重金屬含量

由表7 可以看出，爐渣中還有大量的Pb、Cr、Zn、As 等重金屬，如果不加以處理會對生態(tài)環(huán)境造成危害。而本試驗將爐渣作為加氣混凝土中硅質(zhì)原材的替代材料，在制成加氣混凝土后的重金屬含量提高，同時在生產(chǎn)制備過程中，重金屬會不會浸出到蒸壓用水中造成二次污染，這些都會影響垃圾焚燒爐渣基加氣混凝土的制備和使用。因此，需要對本試驗制備的垃圾焚燒爐渣基制品的重金屬浸出和蒸壓用水的重金屬進(jìn)行相應(yīng)的測定。

本試驗根據(jù)HJ/T 299—2007 中規(guī)定的硫酸-硝酸浸出法對制品中重金屬Cd、Pb、Cr、Zn、As 的浸出濃度進(jìn)行檢測與分析，檢測指標(biāo)如表8 所示。

表8 原料、制品對重金屬浸出濃度及蒸壓用水重金屬濃度與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求 mg/L

從表8 可以看出，制品浸出和蒸壓養(yǎng)護用水中的Cd、Pb、Cr、Zn、As 重金屬離子濃度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于GB 5085.3—2007《危險廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)浸出毒性鑒別》的限值，說明垃圾焚燒爐渣基加氣混凝土制品及生產(chǎn)環(huán)節(jié)在重金屬安全性方面都是達(dá)標(biāo)的。

3 結(jié)論

（1）爐渣替代量從0 增加到50%時，制品的抗壓強度逐漸從3.6 MPa 降低到2.8 MPa，爐渣的替代量從60%繼續(xù)增加到100%時，制品的抗壓強度又出現(xiàn)了回升，從2.8 MPa 提高到了3.2 MPa。

（2）隨著爐渣粉磨時間從20 min 增加到40 min 時，即爐渣的粒度逐漸變小時，制品的抗壓強度出現(xiàn)了先提高后降低的趨勢，峰值為3.2 MPa。

（3）蒸壓養(yǎng)護的條件需要在一個合適的范圍內(nèi)，這時蒸壓養(yǎng)護時間的增加和壓力的提高，都會加快水熱反應(yīng)的進(jìn)行，生成更多對強度有利的水化產(chǎn)物。而當(dāng)蒸壓養(yǎng)護的壓力和時間都較小時，水熱反應(yīng)不充分，生成的水化產(chǎn)物較少，制品強度較低。蒸壓養(yǎng)護的壓力和時間超過一定范圍后，會導(dǎo)致水化產(chǎn)物的破壞，降低了制品的抗壓強度。

（4）根據(jù)試驗的研究結(jié)果，確定垃圾焚燒爐渣基加氣混凝土的配比為：水泥8%、生石灰24%、爐渣65%（粉磨35 min）、石膏3%、鋁粉0.14%、水料比0.58，蒸壓養(yǎng)護條件為185 ℃、1.2 MPa，升溫2 h、保溫8 h、自然降溫到室溫，制品性能符合B05 級加氣混凝土性能要求。重金屬浸出試各項指標(biāo)符合國家標(biāo)準(zhǔn)。