基于生活垃圾焚燒爐渣的復合路基填料研究與應用

摘 要：【目的】為了解決道路建設填料緊張的問題，以生活垃圾焚燒爐渣為研究對象，將爐渣與土配制成復合路基填料，用于各等級公路路基填筑?！痉椒ā扛鶕?jù)施工情況，設計復合填料配合比，通過研究復合填料及其水泥改良后的擊實特性與CBR值等路用性能，檢測爐渣的浸出重金屬含量及復合填料的環(huán)保性質(zhì)，并開展工程試驗段應用?！窘Y(jié)果】結(jié)果表明，相較于其單一組分，復合路基填料的CBR值提高了2～5倍，確定二者的復合比例為1∶1（體積比）；爐渣浸出重金屬含量符合國家相關規(guī)范要求，且爐渣有益于植物生長；復合路基具有較好的壓實性，各項指標均滿足設計及驗收要求?！窘Y(jié)論】生活垃圾焚燒爐渣作為復合路基填料成分，環(huán)保安全，無污染，具有推廣應用價值。

關鍵詞：生活垃圾焚燒爐渣；復合路基填料；路用性能；資源化利用

中圖分類號：U414" " "文獻標志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2024）23-0051-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.23.011

Research and Application of Composite Roadbed Filling Material

Based on Incineration Slag of Municipal Solid Waste

MA Yihu1 ZHANG Xiaoguo2 REN Yabo1 YANG Ziyang1 XIE Haiyang1

（1.Henan Pingyuan Expressway Co.， Ltd.， Zhengzhou 450000， China;

2.Henan Zhonggong Design amp; Research Group Co.， Ltd.， Zhengzhou 450000， China）

Abstract： [Purposes] In order to alleviate the problem of insufficient filling materials in road construction， this article took incineration slag of municipal solid waste as the research object， and prepared composite roadbed filling materials with slag and soil for the filling of various grades of highway roadbeds.[Methods] Based on the construction situation， a composite filler mix ratio was designed. By studying the compaction characteristics and road performance such as CBR value of the composite filler and its cement improvement， the leaching heavy metal content of slag and the environmental protection properties of the composite filler were detected， and an engineering test section was carried out for application.[Findings] The results showed that compared to its single component， the CBR value of the composite roadbed filler increased by 2～5 times， and the composite ratio of the two was determined to be 1∶1 （volume ratio）; the leaching of heavy metals from slag meets the requirements of relevant national regulations， and the slag was beneficial for plant growth; the composite subgrade had good compaction performance， and all indicators met the design and acceptance requirements. [Conclusions] The use of the slag as a composite roadbed filling component was environmentally friendly， safe， pollution-free， and had promotion and application value.

Keywords：incineration slag of municipal solid waste; composite roadbed filling material; road performance; resource utilization

0 引言

生活垃圾焚燒發(fā)電既可以使生活垃圾處理便捷化，又能充分利用其熱能用于發(fā)電，屬于國家大力倡導的清潔技術，已得到大規(guī)模推廣應用。經(jīng)過焚燒的生活垃圾，其體積減小90%，重量減少70%［1］，并且高溫還能夠起到殺菌作用，降低疾病傳播概率，這對于處理城市日產(chǎn)浩繁的生活垃圾來說，是比較理想的處理措施［2］。

經(jīng)過焚燒后的生活垃圾產(chǎn)物主要有兩種，即爐渣和飛灰。根據(jù)《國家危險廢物名錄》規(guī)定，飛灰中含有重金屬、二噁英等有毒物質(zhì)，屬于危險廢物［3］，需要特殊專業(yè)處理。而大量殘余的爐渣，屬于一般固體廢物，主要由熔渣、陶瓷、玻璃等一些不可燃物質(zhì)碎片及未燃有機物組成，但具體成分與地區(qū)、季節(jié)等因素有較大關系。爐渣資源化利用的途徑多種多樣，但以填埋處理為主，其資源化利用程度較低，主要原因是其成分復雜且波動大，并且爐渣中含有銅、鉛、鎘等重金屬及其可溶性鹽，對環(huán)境存在潛在污染風險［4-6］。

目前，國內(nèi)新建高速公路體量大，土地資源寶貴，特別在平原地區(qū)，土地資源非常稀缺，路基填筑取土異常困難。若能將爐渣作為道路工程路基填料，以道路工程作為消納場，不僅可實現(xiàn)廢棄物的再利用，而且用量大、利用成本低，能緩解部分取土壓力，助力道路建設。本研究以爐渣-土二元復合路基填料為基礎，研究其路用性能、環(huán)保性能及工程應用情況，為爐渣在道路工程中資源化和規(guī)?；瘧锰峁﹨⒖肌?/p>

1 試驗概況

1.1 爐渣

河南某城鄉(xiāng)再生能源有限公司發(fā)電的燃燒物為50%～60%的秸稈等生物質(zhì)燃料，10%～20%的煤炭，其余為城鎮(zhèn)生活垃圾。所產(chǎn)的廢棄爐渣由草木灰、熔渣、未燃盡組分及玻璃、陶瓷、泥土、石渣等組成。該廠正常運行期間，每天產(chǎn)生爐渣約600 t，暫無成熟的資源化利用渠道。

試驗樣品為排出的新鮮爐渣，含水率為28.2%，堆積密度為1 250 kg/m3。原狀爐渣呈黑褐色，烘干后為灰白色。爐渣烘干前后對比如圖1所示。

由于爐渣不同粒徑范圍組分物理和化學成分差異大，作為路基填料時，為了對爐渣進行零殘余資源化利用，并未將其組分進行分類研究。直接將原始爐渣烘干篩分，其粒徑分布見表1，其土工性能見表2。

1.2 素土

本研究土樣來源于河南某高速路基土，其為黏性土質(zhì)，有弱膨脹性，參數(shù)見表3。試驗前先將土樣烘干至恒重，用木 搗碎，并按照不同試驗需求進行篩分備用。

1.3 水泥

水泥采用新鄉(xiāng)天瑞水泥緩凝P·F 32.5水泥，其性能指標見表4。

2 復合路基填料配比設計及性能研究

2.1 生活垃圾焚燒爐渣復合路基填料設計

在新建高速公路路基工程中，因路基填方量大，填料要求質(zhì)量高，不同層位所需的填料性能有差異，因此需要對不同爐渣摻量的復合填料進行擊實試驗和路用性能檢測試驗。為了便于施工控制，爐渣與土施工比例宜采用體積比，通過調(diào)配運輸車輛的數(shù)量，達到控制比例的目的。設計試驗的爐渣與土按體積比分別為2∶1、1∶1、1∶2，換算成干質(zhì)量比分別為61%∶39%、56%∶44%、28%∶72%，配制復合路基填料。根據(jù)《公路路基設計規(guī)范》（JJTG D30—2015）中的規(guī)定，為滿足路基不同填筑性能的要求，采用3%水泥穩(wěn)定爐渣-土二元復合路基填料來增強復合填料的承載力。

2.2 擊實試驗結(jié)果及分析

根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》（JTG 3430—2020）中的規(guī)定，以標準方法進行擊實試驗，結(jié)果見表5。由表5可知，隨著爐渣摻量的增加，水泥穩(wěn)定復合填料的最佳含水率呈遞增趨勢，最大干密度呈遞減趨勢。爐渣的最大干密度為1.441 g/cm3（僅為素土的75%），最佳含水率為19.2%，自由膨脹率為10%，說明爐渣是一種多孔輕質(zhì)且浸水性能穩(wěn)定的材料。若能夠合理改良，發(fā)揮其優(yōu)勢并加以利用，不僅可以消耗大量的爐渣固廢，還可以緩解路基填料資源緊缺的情況。

2.3 路用性能試驗結(jié)果及分析

根據(jù)擊實試驗結(jié)果，對應表5配比進行CBR試驗，試驗結(jié)果見表6。由表6可知，單一素土或爐渣的CBR值較小，均不滿足《公路路基設計規(guī)范》中高速公路各層位填筑材料的性能要求，而將爐渣與素土混合配制的復合路基填料，其性能可以達到規(guī)范要求，相較于其單一組分的CBR值提高了2～5倍，性能明顯得到提升，體現(xiàn)了材料復合配制的優(yōu)勢。從物理方面分析，土與爐渣的粒徑分布不同，復合配制后，優(yōu)化了整體的顆粒級配，且爐渣以類石質(zhì)組分為主，水穩(wěn)定性能好，故復合填料的CBR值較單一組分有大的提升；從化學反應方面分析，經(jīng)過高溫焚燒后的爐渣，其部分組分已具有類似水泥的水化膠凝作用，且爐渣含有大量草木灰，可以提高素土抗水侵蝕性能，從而提高整體水穩(wěn)定性。

從表6還可以看出，與4%水泥改良土相比，3%水泥改良復合填料的CBR值均有較大提高，最大可提高70%以上，說明在保障路用性能的前提下，應用復合路基時，可以適當降低水泥摻量，這對于降低施工造價有利。而對比5～7三種方案試驗數(shù)據(jù)，采用爐渣和土質(zhì)量比為44%∶56%復合填料的性能最佳，且按照體積比1∶1有利于控制施工過程。通過方案對比，選擇方案6進行試驗段施工，驗證其施工及應用效果。

2.4 重金屬檢測

根據(jù)《固體廢物汞、砷、硒、鉍、銻的測定微波消解/原子熒光法》（HJ 702—2014）和《固體廢物22種金屬元素的測定電感耦合等離子體發(fā)射光譜法》（HJ 781—2016）對爐渣浸出液進行重金屬含量測定，爐渣浸出重金屬含量檢測結(jié)果見表7。測定的5種主要重金屬污染的浸出值均小于國家標準《土壤環(huán)境質(zhì)量 建設用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 36600—2018）和《土壤環(huán)境質(zhì)量 農(nóng)用地土壤污染風險管控標準（試行）》（GB 15618—2018）的篩選值要求，說明爐渣滿足國家相關的環(huán)保要求，對環(huán)境造成的影響較小，可以用作道路填筑材料，且不存在對周圍基本農(nóng)田污染的風險。

通過爐渣與土復合，再采用水泥對重金屬進行固化，可以進一步降低可溶出的重金屬含量［7-9］，使復合路基填料更加安全環(huán)保。

2.5 環(huán)保性能

考慮到路基邊坡后期進行需要綠化，為了驗證爐渣-土復合填料的生態(tài)環(huán)保性能，以不同路基填料為基土，播種植草，經(jīng)過2周時間，相同條件下，不同路基填料上草的長勢有明顯區(qū)別，從左至右，基土依次為純爐渣、爐渣-土復合填料（體積比1∶1）、3%水泥改良爐渣-土復合填料（體積比1∶1）、純土、3%水泥改良土，如圖2所示。由圖2可知，含有爐渣的填料，草長勢茂盛，且爐渣含量越高，草長勢越茂盛，這得益于爐渣含有大量草木灰成分，因此說明爐渣更有益于植物生長。

3 工程應用

結(jié)合水泥土施工情況，在河南某高速2標段進行水泥改良爐渣-土復合路基填料工程應用研究。試驗段長度為200 m，下路床壓實厚度20 cm水泥摻量為3%，爐渣與土的體積比為1∶1。施工工序為鋪素土—初壓—鋪爐渣—整平—撒布水泥—均勻拌和—振動碾壓—檢測壓實度，如圖3所示。

經(jīng)現(xiàn)場檢測，壓實度均滿足路床設計≥96%的要求，表明爐渣與土結(jié)合良好，具有較好的壓實性。施工后養(yǎng)生7 d，檢測的彎沉平均值為67.65（0.01 mm），代表值為96.61（0.01 mm），各項指標均滿足設計及驗收要求，工程應用效果良好，具有可推廣應用的潛力。

4 結(jié)論

本研究通過將生活垃圾焚燒爐渣與土復合配制成路基填料，分析其用水泥改良后的擊實特性與CBR值等路用性能，并檢測爐渣的浸出重金屬含量及復合填料的環(huán)保性質(zhì)，進而開展工程應用研究，得出以下結(jié)論。

①生活垃圾焚燒爐渣是一種多孔輕質(zhì)且浸水性能穩(wěn)定的材料，其浸出重金屬含量符合國家相關規(guī)范要求，并且爐渣有益于植物生長，可規(guī)?；瘧糜诘缆饭こ?。

②爐渣與素土混合配制復合路基填料相較于其單一組分的CBR值提高了2～5倍，符合規(guī)范要求，并根據(jù)試驗數(shù)據(jù)與施工便捷性，確定二者的復合比例為1∶1（體積比）。

③工程應用表明，爐渣與土結(jié)合良好，具有較好的壓實性，各項指標均滿足設計及驗收要求，效果良好，具有可推廣應用的潛力。

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