城市垃圾焚燒底渣再生微粉強度特性的實驗研究

董云，張國瀛，2，李偉華，王瑯，劉暢，2，鄒易君，2

(1. 淮陰工學院 建筑工程學院， 江蘇 淮安 223001；2. 南京工業大學 土木工程學院， 南京 211816；3. 淮安市住房與城鄉建設局， 江蘇 淮安 223001)

隨著中國城鎮化進程的快速發展，城市生活垃圾的產生量不斷增加，2016年全國城市垃圾清運量突破20 000萬t，且每年仍以6%～8%的速度增長。目前，最常用的城市垃圾處理方式為無害化填埋和焚燒，其中，垃圾焚燒發電處理因具有減量化、無害化、資源化等優勢，且伴隨著機械爐排爐和流化床技術的崛起，已經成為城市垃圾處理的主要方式，垃圾焚燒處理接近城市垃圾處理總量的40%。垃圾焚燒底渣是指垃圾焚燒后從爐床尾端排出的殘留物，雖然體積、質量只有原先垃圾的20%左右，但由于城市垃圾體量巨大，如何將城市生活垃圾焚燒底渣(以下簡稱“底渣”)進一步無害化處理和資源化利用，解決垃圾包圍城市及其造成的環境污染問題已經成為目前亟待解決的問題。

在歐美、日本等發達國家，底渣的資源化利用已有幾十年的發展歷史，日本、瑞士、美國、法國和荷蘭等國家都制定了底渣再生利用的相關法規。常見的底渣再生利用方式主要有：與其他骨料混合作為石油瀝青鋪面的混合物、預制混凝土磚中作為再生骨料部分替代天然骨料、作為填埋場覆蓋材料及路基填料等[1-6]，這些利用方式均為粗放型的直接破碎作為再生集料或填料使用，沒有考慮垃圾焚燒底渣可能具有的高效再生利用價值。目前，中國城市垃圾焚燒爐渣大多采用填埋方式處理，不但占用大量土地資源，也產生了巨額填埋費用。為最大限度地資源化利用底渣，學者們進行了相關研究，已有研究發現，底渣具有一定的與水泥類似的水化活性，可以將底渣用作水泥混合料等[7-20]。

為實現底渣的高效再生利用，本文進行了底渣及其再生微粉物理、化學性質測試和將底渣再生微粉按不同比例等量替代水泥的膠砂強度試驗，以探究底渣再生微粉的強度活性及其對膠砂強度的影響。

1 底渣的物理性質和化學成分分析

所用底渣來源于江蘇圣元環保電力有限公司盱眙生活垃圾焚燒發電廠。底渣運輸到預處理廠后，首先進行篩選，剔除塊狀顆粒、未充分燃燒的有機物以及可直接分揀的鐵絲等金屬材料；然后進行水洗和磁選，進一步回收類似螺釘、螺帽大小的金屬；主要研究的對象即為經篩選、分離后的底渣。現場從料場隨機取樣的樣品總體呈灰黑色，烘干后呈淺褐色(如圖1所示)，有輕微異味。

圖1 底渣烘干前后的試樣Fig.1 Bottom ash samples before and after

在室內進行進一步的篩分、密度和吸水率試驗(網籃法)，結果表明：底渣的主要物相組成物包括熔渣、黑色金屬、陶瓷碎片及其他不燃物質；底渣的其他物理特性表明，底渣相較于天然集料材質較輕，密度僅約1.2～1.3 g/cm3，吸水能力較強，吸水率約為6%～8%；底渣顆粒粒徑分布曲線如圖2所示，其中Cu=7.5，Cc=1.3，說明底渣顆粒粒徑分布連續、級配均勻。

圖2 底渣顆粒級配曲線Fig.2 Particle size distribution of bottom

底渣晶相種類較復雜，主要有硅酸鹽、氧化物、碳酸鹽和其他鹽類。采用XRD熒光分析檢測底渣的化學成分，結果如表1所示。

表1 底渣的主要化學成分Table1 Main chemical constituents of the bottom ash

由表1可知，底渣中的主要化學元素為Si、Ca、Al等，此外，還含有少量的Fe、Na、P、K、Mg等元素，這些元素大多以氧化物的形式存在。其中，SiO2、Al2O3和CaO含量約占底渣總質量的70%，屬于典型的CaO-SiO2-Al2O3化學體系，具有與水泥、粉煤灰等類似的水化活性。

2 底渣再生微粉的基本物理性質

實驗室采用長沙天創粉末技術有限公司生產的SK-2型球磨儀對烘干的底渣試樣進行球磨工藝研究。以轉速、研磨時間以及80目篩通過率為主要控制指標進行了粉磨工藝對比，獲得合理研磨工藝(80目通過率≥85%、轉速350 r/min、研磨時間30 min)對應的生活垃圾焚燒底渣再生微粉，如圖3所示。

圖3 垃圾焚燒底渣再生微粉Fig.3 Regenerated powder from municipal solid waste incinerator bottom

底渣再生微粉呈深灰色，與水泥顏色接近。采用bettersize 2000激光粒度儀進行顆粒分析，顆粒分析結果如表2、圖4所示。

表2 再生微粉顆粒組成Table 2 Particle distribution of regenerated powder

圖4 底渣微粉粒徑分布曲線Fig.4 Particle size distribution curve of regenerated

結合表2和圖4的顆粒分析測試結果和水泥顆粒特征比對可見：普通硅酸鹽水泥要求比表面積應大于300 m2/kg，且80 μm的篩余不高于10%或45 μm的篩余不大于30%。在一般條件下，水泥顆粒在0～10 μm時，水化最快；在3～30 μm時，水泥的活性最大；大于60 μm時，活性較小，水化緩慢。采用的再生微粉顆粒中10 μm以下顆粒約占總量的65%，30 μm以下顆粒約占總質量的92%，60 μm以上顆粒較少，僅占總量的約1.5%；同時，3 μm以下顆粒較多，約占總量的36%；再生微粉的比表面積約為700～800 m2/kg；相較于水泥顆粒及其活性特征，再生微粉顆粒粒徑總體較為均勻，60 μm以上活性較低的顆粒含量和30 μm以下活性較高的顆粒含量控制較好，但3 μm以下顆粒含量明顯偏高。因此，再生微粉的比表面積遠大于水泥，也有可能會造成需水量的顯著增加和澆筑性能的顯著降低，進而可能影響再生微粉的膠砂強度。

3 底渣再生微粉的膠砂強度實驗

3.1 實驗原材料

實驗采用的水泥為淮安海螺水泥有限責任公司生產的P.O 42.5硅酸鹽水泥，砂為標準砂；水泥的物理性質和力學性能測試結果如表3、表4所示。

表3 實驗用水泥的物理性質Table 3 Physical properties of experimental cement

表4 水泥的力學性能Table 4 Mechanical properties of cement

3.2 試驗方案

為探討不同摻量底渣再生微粉砂膠強度的變化特征，根據《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》(GB 17671—1999)，在保持水灰比不變的前提下，采用底渣再生微粉內摻加等量替代水泥，進行9組不同替代比例的試驗，再生微粉替代水泥的質量百分比分別為10%、12.5%、15%、17.5%、20%、22.5%、25%、27.5%、30%。

為探究底渣再生微粉膠砂強度的增長規律，進行了3、7、14、28 d不同齡期的膠砂強度實驗。

農業氣象災害風險評估研究進展………………………………………… 甄 熙，宋海清 ，鄭鳳杰，王 麗 ，張 峰，劉朋濤（101）

3.3 實驗結果與分析

3.3.1 底渣再生微粉膠砂抗壓強度結果 底渣再生微粉不同替代比例的抗壓強度測試結果如表5、圖5所示。

表5 再生微粉膠砂抗壓強度Table 5 Mortar compressive strength of regenerated powder

續表5

圖5 再生微粉膠砂抗壓強度曲線Fig.5 Curve of mortar compressive strength

由表5和圖5可知：1)總體上，隨著底渣再生微粉替代量的增加，各齡期的膠砂抗壓強度均呈下降趨勢。再生微粉替代比例為30%時，對應的強度活性指數略大于55%。2)對比不同齡期的膠砂強度可知，隨再生微粉摻量的增加，3 d齡期的強度降低明顯小于7、14、28 d，說明再生微粉的摻加對早期強度影響較小，對長期強度影響較大。3)從膠砂強度的增長趨勢可知，隨再生微粉摻量的增加，3～7 d強度增長速率明顯減小，而14 d后強度增長速率基本都趨于平緩、一致，說明再生微粉的摻加對前期強度增長影響較大，而對后期強度增長速率影響較小。分析認為，造成上述結果的主要原因可能與前述的再生微粉顆粒組成相關，即30 μm以下的活性顆粒總體含量較高，因此，其前期強度下降并不明顯，但由于3 μm以下的細顆粒過多，反而容易在硬化過程中形成孔隙，影響后期強度的增長。

綜上所述，在未添加其他活性激發材料的前提下，底渣再生微粉的強度活性指數仍達55%以上，說明底渣再生微粉具有高效再生利用的潛在活性。底渣再生微粉的摻加雖會影響早期強度及其強度增長速率，但再生微粉摻量較小時，其膠砂早期強度降低較小而強度增長速率較快，因此，可采用適量的生活垃圾焚燒底渣再生微粉替代水泥用于預拌砂漿和預拌混凝土。

3.3.2 底渣再生微粉膠砂的抗折強度結果分析 不同替代比例的底渣再生微粉28 d膠砂抗折強度測試結果如表6、圖6所示。

表6 再生微粉膠砂抗折強度Table 6 Mortar flexural strength of regenerated powder

由表6和圖6可知，底渣再生微粉膠砂抗折強度與抗壓強度具有相似的變化趨勢，即：1)抗折強度總體上隨再生微粉替代水泥比例的增加而降低。2)底渣再生微粉替代量為30%時，對應的強度等級約50%，略低于抗壓強度。3)從再生微粉不同摻量對應的抗壓強度和抗折強度對比分析可見，相同再生微粉摻量對應的膠砂抗折強度降低均大于抗壓強度，分析認為，這是由于微粉的細度遠大于水泥細度，使得膠砂試件收縮增大、內部孔隙增加所致。

3.3.3 底渣再生微粉膠砂強度的實驗結果分析 在凝膠材料水化反應過程中，主要是4種礦物成分與水反應，分別是：硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣以及鐵相固溶體，前二者水化速度較慢，生成水化硅酸鈣(C—H—S凝膠)和氫氧化鈣；后兩者水化速度快，先生成介穩狀態的水化鋁酸鈣，最終轉化為水石榴石(C3AH6)。對底渣礦物組成分析揭示出底渣微粉中含有與水泥熟料、粉煤灰類似的化學成分，這使得生活垃圾焚燒底渣有一定水化活性，膠砂強度實驗也證明了底渣微粉強度活性指數大于55%。

與普通硅酸鹽水泥成分對比，底渣微粉中的SiO2、Al2O3含量遠高于普通水泥，但CaO的含量則遠低于普通水泥，因此，即使再生微粉的顆粒更細、有效顆粒成分的水化反應更快、活性更大，但水化反應產生的硅酸二鈣、硅酸三鈣、鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣等有效晶體相比于水泥要少，使得底渣再生微粉的膠砂強度較水泥低；當再生微粉摻量適中時，底渣微粉中的鋁酸根離子、硅酸根離子仍有可能與水泥中的游離CaO再次結合，促進后期強度的增長。但再生微粉摻量超過一定比例后，再生微粉中的鋁酸根離子、硅酸根離子已無法水化形成有效的晶體，導致后期強度出現較大的降低。

實驗采用的底渣再生微粉細度遠大于水泥，當再生微粉摻量小于15%時，對膠砂工作性能和膠砂強度的影響較小，而隨著再生微粉替代量的增加，再生微粉細度大引起的需水量變化、膠砂試件體積收縮增大及其引起的內部孔隙增加等，也可能導致水化反應變緩、膠砂強度降低。

另外，底渣來源及成分的復雜性、多變性也會導致再生微粉本身的燒失量較高，用于部分替代水泥可能對水泥膠砂強度產生一定的影響。

4 結論與討論

進行了城市生活垃圾焚燒發電底渣及再生微粉的基本物理、化學性質測試，并按照不同比例內摻替代水泥進行膠砂強度實驗，可得到如下結論：

1) 城市垃圾焚燒底渣相比普通集料材質較輕，吸水率較高，底渣再生微粉具有與水泥類似的化學成分，但SiO2、Al2O3含量較高，而CaO含量較低；在未摻加其他添加材料的前提下，按照30%的比例內摻等量替代水泥時，其強度活性指數略大于55%。

2) 隨著底渣再生微粉摻量的增加，膠砂抗壓強度和抗折強度均呈下降趨勢，對應的抗折強度降低大于抗壓強度。底渣再生微粉的摻加對早期強度的影響較小，但對早期強度增長速率影響較大，隨著再生微粉摻量的增加，前期強度增長變緩，后期強度增長基本一致，隨著再生微粉摻量增加，后期強度出現較大的降低。

3) 分析認為，造成上述特征的主要原因是再生微粉中CaO含量較低、再生微粉細度較大以及由此造成的需水量變化等。

研究成果證明了垃圾焚燒底渣再生微粉具有火山灰活性，部分替代水泥用于混凝土中在技術、經濟上是可行的，也有利于減小城市生活垃圾焚燒尾渣帶來的環境問題，符合綠色、可持續發展的理念。

實驗結果僅囿于一個垃圾焚燒發電廠的不同樣本，為進一步推動生活垃圾焚燒底渣的高效再生利用，以下幾方面需進一步深入研究：一是不同地區、不同焚燒廠的底渣成分及活性的對比分析；二是進行粉磨過程中加入不同劑量、不同添加材料(圍繞CaO、氫氧化鈣)和不同細度再生微粉的對比分析；三是結合底渣再生微粉標準稠度用水量進行膠砂強度試驗，探究用水量對再生微粉活性及膠砂強度的影響。