垃圾焚燒爐渣作為水泥混合材的水化性能及安全性研究

曹曉非 徐覺慧 李和平 劉靜(江蘇省水泥產品質量監督檢驗中心，江蘇 徐州 221000)

1 引言

針對隨著我國各地城鎮化進程的加快，北京、上海、廣州等大中城市已建成多個垃圾焚燒發電站，以每噸垃圾產生0.32噸焚燒灰渣來計算，預計我國焚燒灰渣的累計年產量會達到350萬噸[1-3]。垃圾焚燒爐渣相對于焚燒飛灰產生量大且重金屬含量較低，屬于一般廢物可直接進行利用[4-6]。目前我國主要采用直接填埋的方式對其進行處理，不僅占用大量土地資源，還會對環境造成嚴重的二次污染，因此焚燒爐渣的資源化再利用問題迫在眉睫。水泥由于能有效固化有害組分，是國內外使用廣泛的消納處理廢渣的有效途徑[7-9]。本文將垃圾焚燒爐渣作為水泥混合材，重點討論其水化活性、工作性能和環境安全性，為爐渣在水泥中的無害化再利用提供研究基礎。

2 試驗

2.1 試驗原料來源及成分

生活垃圾焚燒爐渣取自徐州市金山橋垃圾焚燒發電廠，篩揀后在105±1℃下烘干并用試驗小磨磨至比表面積為（380±10）m2/kg待用。將磨細爐渣在蒸餾水中浸泡48h，每隔8h換一次水，浸泡完畢后在105℃下烘干得到水洗爐渣。水泥方面利用徐州市某大型干法旋窯水泥廠生產的42.5水泥熟料與天然二水石膏在試驗小磨中共磨至比表面積（380±10）m2/kg后得到PI型硅酸鹽水泥。粉煤灰使用徐州市某電廠的III級灰，比表面積為400m2/kg。利用ARL9800XP+型X射線熒光光譜儀分析各種原料的化學組成如表1所示。

表1 不同原材料的化學組成

2.2 試驗分析方法

根據GB/T12957-2005《用于水泥混合材的工業廢渣活性試驗方法》進行垃圾焚燒爐渣及水洗爐渣的活性分析。根據GB6566-2010《建筑材料放射性核素限量》利用FYFS-2002低本底多道γ能譜儀測定爐渣的放射性。根據GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》測定摻爐渣水泥的物理性能。根據GB/T7023-2011《低、中水平放射性廢物固化體標準浸出試驗方法》對標準養護成型28d的水泥膠砂試件進行浸漬，使用POEMS（II）型電感耦合等離子光譜質譜聯用儀（ICP）測試其在3d、7d、28d的重金屬浸出量。使用JSM-6380型掃描電子顯微鏡觀察水泥水化試樣的微觀形貌。

3 結果和討論

3.1 焚燒爐渣的性質

垃圾焚燒爐渣呈黑褐色，烘干后為灰色，含水率為10%～20%。熱灼燒率反應了物質中有機質含量[10]，爐渣與水洗爐渣的熱灼燒率分別為0.185%和0.107%，表明二者有機質含量均較低。焚燒爐渣的放射性檢測實際結果為內照射指數IRa=0.31，外照射指數Ir=0.56，低于GB6566-2010的規定限制要求，因此屬于飛放射性物質。

3.2 焚燒爐渣的水化活性

垃圾焚燒爐渣作為一種固體廢棄物用作水泥混合材時，首先要從潛在水硬性、28d抗壓強度等方面對其活性進行綜合判定。潛在水硬性是指材料單獨磨細加水后水化硬化極慢，但在石灰、熟料、石膏等的激發作用下能加快水化，形成水硬性化合物的性能[11]。將爐渣細粉與石膏細粉按4：1的質量比混合均勻后，加水制成試餅，將試餅在（20±1）℃、相對濕度大于90%的養護箱內養護7d后放入（20±1）℃的水中浸水3d。實際結果表明：試餅能凝結為一個邊緣清晰的完整試體，但強度極低，用鐵錘輕砸可碎，且試餅內部疏松。這表明焚燒爐渣具有一定的潛在水硬活性，但活性很弱，這可能與其礦物組成所含的少量類C2S礦物有關[12]。在P I硅酸鹽水泥中摻入30%焚燒爐渣，成型并標準養護28d后測得其抗壓強度為36.3MPa，硅酸鹽水泥基準樣28d抗壓強度為58.5MPa，兩者比值為62.05%，低于GB/T2847-2005要求的不低于65%。綜合分析可知，垃圾焚燒爐渣僅具有微弱的潛在水硬活性，28d抗壓強度比也不符合要求，因此不適合用作活性混合材，但仍可用作普通混合材。

3.3 焚燒爐渣對水泥物理性能的影響

將爐渣及水洗爐渣用作混合材按7.5%、15.0%的質量比摻雜制成不同水泥試樣，檢測其物理性能并與基準水泥試樣進行比較。水泥試樣的凝結時間隨爐渣摻量的變化趨勢如圖1所示，水泥強度隨爐渣摻量的變化趨勢如圖2所示。

圖1 摻不等量焚燒爐渣的水泥試樣的凝結時間變化趨勢

圖2 摻不等量焚燒爐渣的水泥試樣的強度變化趨勢

由圖1、圖2可見，無論是摻入爐渣還是水洗爐渣，水泥試樣的凝結時間均隨其摻量增加而延長，水泥膠砂在3d及28d齡期的抗折強度及抗壓強度均呈下降趨勢。當焚燒爐渣摻量達到15%時，試樣凝結時間滿足GB175-2007中42.5等級普通硅酸鹽水泥的要求，而當焚燒爐渣摻量達到7.5%時，試樣各齡期強度仍滿足42.5普通硅酸鹽水泥的指標規定。水洗爐渣用作混合材對水泥強度的削弱作用小于普通焚燒爐渣，這主要由未水洗焚燒爐渣中含量相對較高的堿及有機物等有害組分影響了水泥水化進程所致。

對摻15.0%焚燒爐渣的水泥28d水化試樣進行SEM分析，結果如圖3所示。

圖3 摻15%焚燒爐渣的水泥試樣的SEM照片

由圖可見，摻入焚燒爐渣的硬化水泥石中水化產物主要為纖維網絡狀及團簇狀的C-S-H，同時還有部分結晶良好的六方板狀Ca(OH)2，無明顯的爐渣顆粒單獨存在。爐渣作為非活性混合材雖然對強度無貢獻，但其對水泥水化產物構成影響不大，且爐渣顆粒能與水泥漿體良好結合，對漿體的整體凝膠硬化性基本無影響。

圖4 摻焚燒爐渣的水泥試樣在不同齡期的重金屬浸出情況

由圖可見，摻15%焚燒爐渣的水泥固化體中重金屬的溶出主要發生在早期，其長期溶出安全性較高。水泥固化試樣表面對重金屬的機械固封作用較弱，早期浸漬過程中固化體與環境水間存在重金屬濃度差，并伴隨固—液界面反應，表層重金屬離子隨之擴散出來，因此浸漬溶出速率較快。而在浸漬后期，重金屬浸出過程逐步轉到固化體內毛細管的擴散過程，同時固化體致密度的改善進一步阻止了重金屬的溶出。故試件后期的重金屬浸出情況明顯改善。另外，摻15%焚燒爐渣水泥試件的各浸漬齡期重金屬的溶出濃度均滿足III類地下水的要求，因此焚燒爐渣用作水泥混合材的環境安全性較好。

4 結論

1）生活垃圾焚燒爐渣無放射性，潛在水硬性較弱，可作為水泥的非活性混合材使用。

2）垃圾焚燒爐渣用作水泥混合材，其摻量增加會延長水泥的凝結時間，并降低水泥膠砂的各齡期強度。但當焚燒爐渣摻量為7.5%時，水泥強度仍可滿足42.5普通硅酸鹽水泥的指標要求，焚燒爐渣經水洗處理后其對水泥強度的劣化作用減弱。

3）摻15%焚燒爐渣的水泥制品中重金屬的表面浸漬溶出主要發生在早期（0～7d），其長期溶出安全性較高，重金屬溶出濃度能滿足III類地下水要求。垃圾焚燒爐渣用作水泥混合材具有較好的環境安全性。

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