解毒飛灰資源化制備混凝土自保溫砌塊的試驗(yàn)研究

張磊蕾，王武祥，張旭，王愛軍，廖禮平，石然

（1.中國建筑材料科學(xué)研究總院有限公司，北京 100024；2.中投咨詢有限公司，北京 100035）

0 引言

垃圾焚燒飛灰（簡(jiǎn)稱飛灰）是垃圾焚燒煙氣凈化系統(tǒng)中收集所得的殘余物，它不僅富集大量的汞、鎘、鉛、鋅等有毒重金屬，而且也富集了大量的二噁英類物質(zhì)，GB 18485—2014《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》明確列為危險(xiǎn)廢棄物?，F(xiàn)今各國對(duì)飛灰的處置方法主要采用水泥固化后的直接填埋，但是還有大約50%的飛灰沒有得到妥善處置，況且這種固化填埋方式還要占用大量的土地資源，對(duì)土壤和地下水產(chǎn)生污染。

混凝土自保溫砌塊（簡(jiǎn)稱自保溫砌塊）符合建筑業(yè)重點(diǎn)發(fā)展方向，是我國新型墻體砌筑材料的重點(diǎn)發(fā)展方向。若對(duì)飛灰解毒處理再用于制備自保溫砌塊，變廢為寶，既緩解了飛灰對(duì)環(huán)境的壓力，又對(duì)推進(jìn)墻材革新與建筑節(jié)能工作產(chǎn)生積極作用，具有良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益。本文探討了解毒飛灰資源化制備自保溫砌塊的可行性。

1 利用化學(xué)、物理發(fā)泡工藝制備解毒飛灰泡沫混凝土

泡沫混凝土中含有大量均勻分布的孔隙，因而表現(xiàn)出良好的物理力學(xué)性能，即輕質(zhì)、保溫隔熱、耐火、隔聲等?；瘜W(xué)發(fā)泡工藝制備解毒飛灰泡沫混凝土即采用水泥、粉煤灰、解毒飛灰、復(fù)合改性劑、雙氧水、水為原材料體系，其多孔結(jié)構(gòu)通過濃度為27.5%的雙氧水化學(xué)發(fā)泡形成。前期研究表明：摻加解毒飛灰后，由于解毒飛灰中含有過多的氯離子，漿體緩凝明顯，硬化慢，發(fā)泡非常不穩(wěn)定，易下沉甚至塌模，因此，采用化學(xué)發(fā)泡工藝制備泡沫混凝土的技術(shù)路線不可行。

物理發(fā)泡工藝制備解毒飛灰泡沫混凝土即采用水泥、粉煤灰、解毒飛灰、改性劑、水為原材料體系，其多孔結(jié)構(gòu)通過泡沫劑物理發(fā)泡形成。前期研究表明：摻加解毒飛灰后，漿體緩凝明顯，硬化慢，長達(dá)24 h才硬化，有沉降現(xiàn)象。顯然，物理發(fā)泡工藝亦不適用于解毒飛灰泡沫混凝土的制備。

鑒于此，本文改變技術(shù)方案，通過摻加超輕集料?；⒅閬碇苽浣舛撅w灰輕質(zhì)砂漿用作自保溫砌塊基材，?；⒅槠鸸羌苤巫饔?，可顯著提高漿體穩(wěn)定性。

2 摻加超輕集料?；⒅橹苽浣舛撅w灰輕質(zhì)砂漿

以普通硅酸鹽水泥、解毒飛灰、粉煤灰、超輕集料（?；⒅椋?、細(xì)砂、水為主要原料，添加復(fù)合改性劑，通過攪拌、澆筑成型制備的解毒飛灰輕質(zhì)砂漿為水泥基輕質(zhì)保溫材料，其燃燒性能為A級(jí)。具有高耐火性、高保溫隔熱性、比強(qiáng)度高、不易碎裂、無毒無害、壽命長等特點(diǎn)。

2.1 原材料及試驗(yàn)方法

2.1.1 原材料

水泥：P·O42.5R水泥，唐山冀東水泥股份有限公司；?；⒅椋憾逊e密度為50～80 kg/m3；解毒飛灰：低溫?zé)峤怙w灰，浙江錦森再生資源開發(fā)有限公司；粉煤灰：Ⅲ級(jí)干排粉煤灰，北京石景山發(fā)電廠，用于改善材料漿體稠度和穩(wěn)定性，提高后期強(qiáng)度；砂：粉細(xì)砂，細(xì)度為30～60目；專用外加劑：中國建筑材料科學(xué)研究總院有限公司研制，灰色粉末，型號(hào)為WWX-2012，含有增強(qiáng)、防水、引氣、增黏和早強(qiáng)等組分，用于改善漿體黏度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、提高復(fù)合膠凝材料基體與玻化微珠間的粘結(jié)強(qiáng)度、改善材料保溫性能、降低吸水率；減水劑：聚羧酸高效減水劑101A。

2.1.2 試樣制備

先將水泥、活性混合材、解毒飛灰、砂和專用外加劑使用膠砂攪拌機(jī)干拌30 s，加水和減水劑后再攪拌120 s，最后加?；⒅樵贁嚢?0 s，制成輕質(zhì)、粘稠狀漿料，此時(shí)即可澆注成型試塊。除玻化微珠采用體積計(jì)量外，其它材料均采用質(zhì)量計(jì)量。成型24 h后脫模，自然養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行性能測(cè)試。

2.1.3 性能測(cè)試

本研究主要測(cè)試28 d齡期時(shí)解毒飛灰輕質(zhì)砂漿的干表觀密度和抗壓強(qiáng)度，試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，按GB/T 11969—2020《蒸壓加氣混凝土性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 解毒飛灰輕質(zhì)砂漿的抗壓強(qiáng)度目標(biāo)

不同密度等級(jí)解毒飛灰輕質(zhì)砂漿立方體試塊抗壓強(qiáng)度等級(jí)需達(dá)到A3.5（立方體抗壓強(qiáng)度≥3.5 MPa）、A5.0（立方體抗壓強(qiáng)度≥5.0 MPa）和A7.5（立方體抗壓強(qiáng)度≥7.5 MPa）。干表觀密度600級(jí)（≤630 kg/m3）、700級(jí)（≤730 kg/m3）和800級(jí)（≤830 kg/m3）的試塊強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到A3.5級(jí)；干表觀密度800級(jí)（≤830 kg/m3）、900級(jí)（≤930 kg/m3）的試塊強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到A5.0級(jí)；干表觀密度900級(jí)（≤930 kg/m3）、1000級(jí)（≤1030 kg/m3）的試塊強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到A7.5級(jí)。

2.2.2 密度等級(jí)為600～1000級(jí)的解毒飛灰輕質(zhì)砂漿配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)

密度等級(jí)為600～1000級(jí)解毒飛灰配合比及性能測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 不同密度等級(jí)飛灰輕質(zhì)砂漿的配合比及性能測(cè)試結(jié)果

由表1可以發(fā)現(xiàn)，相同密度等級(jí)時(shí)，解毒飛灰輕質(zhì)砂漿抗壓強(qiáng)度隨著水泥用量增加而大幅度提高。干表觀密度600級(jí)的解毒飛灰輕質(zhì)砂漿抗壓強(qiáng)度偏低，低于A3.5級(jí)，不滿足制備免燒砌塊的要求。700～1000級(jí)解毒飛灰輕質(zhì)砂漿可以達(dá)到試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。

3 解毒飛灰輕質(zhì)砂漿制備自保溫砌塊

3.1 解毒飛灰輕質(zhì)砂漿制備自保溫砌塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)解毒飛灰資源化制備以下2種類型的自保溫砌塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能研究：

（1）解毒飛灰實(shí)心自保溫砌塊：采用強(qiáng)度等級(jí)為A3.5級(jí)或A5.0級(jí)的解毒飛灰輕質(zhì)砂漿為基材制成的、其所砌筑墻體具有自保溫功能的實(shí)心砌塊，見圖1。（2）解毒飛灰復(fù)合自保溫砌塊：采用強(qiáng)度等級(jí)為A5.0級(jí)或A7.5級(jí)的解毒飛灰輕質(zhì)砂漿為內(nèi)外葉塊基材、中間復(fù)合絕熱材料，并通過拉結(jié)件將內(nèi)外葉塊和保溫層組合為一體的復(fù)合自保溫砌塊，見圖2。

圖1 解毒飛灰實(shí)心自保溫砌塊

圖2 解毒飛灰復(fù)合自保溫砌塊

3.2 解毒飛灰實(shí)心自保溫砌塊性能計(jì)算

利用700級(jí)、A3.5級(jí)解毒飛灰輕質(zhì)砂漿，800級(jí)、A3.5級(jí)或A5.0級(jí)解毒飛灰輕質(zhì)砂漿制備實(shí)心自保溫砌塊，砌塊基本尺寸390 mm×260 mm×190 mm，根據(jù)文獻(xiàn)[1]，實(shí)心自保溫砌塊強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果見表2。可以發(fā)現(xiàn)，B07級(jí)、B08級(jí)實(shí)心自保溫砌塊強(qiáng)度等級(jí)可以達(dá)到MU3.5和MU5.0。

表2 解毒飛灰實(shí)心自保溫砌塊結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

3.3 解毒飛灰復(fù)合自保溫砌塊性能計(jì)算

為進(jìn)一步提高實(shí)心自保溫砌塊的熱工性能，組合復(fù)合高效保溫材料技術(shù)措施，即在其中充填干密度為30 kg/m3、導(dǎo)熱系數(shù)為0.040 W/（m2·K）的高效保溫層EPS/XPS板，可使復(fù)合自保溫砌塊的熱工性能滿足建筑節(jié)能75%的指標(biāo)。復(fù)合自保溫砌塊基本尺寸為390mm×260 mm×190 mm，根據(jù)文獻(xiàn)[1]，復(fù)合自保溫砌塊結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 解毒飛灰復(fù)合自保溫砌塊結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

由表3可以發(fā)現(xiàn)，利用800級(jí)、A5.0級(jí)解毒飛灰輕質(zhì)砂漿制備復(fù)合自保溫砌塊時(shí)，保溫層厚度設(shè)置32.5、65.0 mm，砌塊密度等級(jí)為700級(jí)和600級(jí)，強(qiáng)度等級(jí)為MU3.5；利用900級(jí)、A5.0級(jí)、A7.5級(jí)解毒飛灰輕質(zhì)砂漿制備復(fù)合自保溫砌塊時(shí)，保溫層厚度設(shè)置28.9、57.8、86.7 mm，砌塊密度等級(jí)為800級(jí)、700級(jí)和600級(jí)，強(qiáng)度等級(jí)為MU3.5、MU5.0；利用1000級(jí)、A7.5級(jí)解毒飛灰輕質(zhì)砂漿制備復(fù)合自保溫砌塊時(shí)，保溫層厚度設(shè)置52.0、78.0、104.0 mm，砌塊密度等級(jí)為800級(jí)、700級(jí)和600級(jí)，強(qiáng)度等級(jí)為MU3.5、MU5.0。

3.4 自保溫砌塊測(cè)試結(jié)果

表4為密度等級(jí)800級(jí)、強(qiáng)度等級(jí)MU3.5的實(shí)心自保溫砌塊和密度等級(jí)700級(jí)、強(qiáng)度等級(jí)MU3.5的復(fù)合自保溫砌塊的性能測(cè)試結(jié)果。

表4 自保溫砌塊的性能測(cè)試結(jié)果

由表4可知：（1）實(shí)心自保溫砌塊符合T/CUA 05—2021《中型混凝土自保溫砌塊》中密度等級(jí)800級(jí)、強(qiáng)度MU3.5級(jí)的要求。（2）復(fù)合自保溫砌塊符合T/CUA 05—2021中密度等級(jí)700級(jí)、強(qiáng)度MU3.5級(jí)的要求。

4 結(jié)論

（1）由于解毒飛灰中的氯離子導(dǎo)致漿體明顯緩凝，漿體易沉降，無論采取化學(xué)發(fā)泡或是物理發(fā)泡工藝制備泡沫混凝土用作自保溫砌塊基材，技術(shù)路線均不可行。

（2）采用普通硅酸鹽水泥、解毒飛灰、粉煤灰、超輕集料（玻化微珠）、粉細(xì)砂、水為主要原料，添加復(fù)合改性劑，通過攪拌、澆筑成型制備的解毒飛灰輕質(zhì)砂漿可顯著提高漿體穩(wěn)定性，解毒飛灰輕質(zhì)砂漿抗壓強(qiáng)度隨著水泥用量增加而大幅度提高。干表觀密度700～1000級(jí)解毒飛灰輕質(zhì)砂漿可以達(dá)到A3.5級(jí)、A5.0級(jí)和A7.5級(jí)的試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。

（3）解毒飛灰輕質(zhì)砂漿可以用于制備自保溫砌塊的基材。利用700～800級(jí)、A3.5級(jí)或A5.0級(jí)解毒飛灰輕質(zhì)砂漿可以制備強(qiáng)度等級(jí)MU3.5和MU5.0的實(shí)心自保溫砌塊。利用800～1000級(jí)、A5.0級(jí)或A7.5級(jí)解毒飛灰輕質(zhì)砂漿可以制備800級(jí)、700級(jí)和600級(jí)，強(qiáng)度等級(jí)為MU3.5、MU5.0的復(fù)合自保溫砌塊。