摻預(yù)處理垃圾焚燒飛灰水泥土的抗剪強度和浸出毒性試驗研究

梁仕華，何 超，龔 星，馮德鑾，劉 亮

(廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，廣州 510006)

0 引 言

由于城市化進程加快，中國每年產(chǎn)生的城市固體廢物(MSW)數(shù)量激增。焚燒是一種有效的MSW處理方法，可大大減少廢物量[1-2]。垃圾焚燒飛灰是一種有毒污染物[3-4]，易對人類與環(huán)境造成傷害和污染，必須經(jīng)過穩(wěn)定化/固化處理[5-13]。處理后的垃圾焚燒飛灰中含有多種氧化物,具有質(zhì)輕比重小、孔隙大、多孔松散體等優(yōu)點[14-16]。在確保安全處理的前提下，研究垃圾焚燒飛灰的工程應(yīng)用對其資源化利用具有重要意義。垃圾焚燒飛灰與石灰、粉煤灰等材料十分相似，目前，國內(nèi)外學(xué)者的研究大多針對石灰和粉煤灰固化土的力學(xué)特性，量化石灰和粉煤灰對土體的固化效果[17]。粉煤灰摻入水泥土中會產(chǎn)生大量硅酸鹽水化物，大大增強固化土的結(jié)構(gòu)強度[18]。摻入高鈣粉煤灰可提高重金屬污染土的強度,并能抑制重金屬離子的濾出，高鈣粉煤灰固化土的強度隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加,呈先增大后減小的趨勢[19]。然而，對處理后垃圾焚燒飛灰用于加固土的研究并無人涉及。

本文通過水洗和硫酸亞鐵藥劑處理垃圾焚燒飛灰，保證其浸出毒性符合《危險廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn) 浸出毒性鑒別》(GB 5085.3—2007)[20]后，將其摻入水泥固化軟土中，對摻垃圾焚燒飛灰的水泥土進行了固結(jié)不排水試驗、浸出毒性試驗和電鏡掃描試驗，分析了水泥土的固化效果和重金屬浸出毒性，討論了焚燒飛灰對水泥土的固化機理，以期為垃圾焚燒飛灰的工程化利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 實 驗

1.1 試驗材料

在廣州某垃圾焚燒廠收集垃圾焚燒飛灰。采用《固體廢物 浸出毒性浸出方法 硫酸硝酸法》 (HJ/T 299—2007)[21]進行浸出毒性試驗。如表1所示，主要浸出元素為鉻、鉛。對垃圾焚燒飛灰進行水洗和硫酸亞鐵(摻入比為硫酸亞鐵藥劑質(zhì)量為軟土質(zhì)量的4%)處理后的重金屬浸出量滿足規(guī)范。后文僅對重金屬浸出量較大者進行分析。試驗用土取自廣州南沙某工地，土樣指標(biāo)見表2。

表1 焚燒飛灰浸出毒性試驗結(jié)果Table 1 Toxicity test of MWSI fly ash leaching

注： ND為低于檢測閥值。

表2 土體參數(shù)Table 2 Parameters of soil

1.2 試驗方法

在105～110 ℃的溫度下烘干軟土，取出粉碎，通過直徑2 mm的篩并保存在桶中。根據(jù)試驗設(shè)計的水泥和飛灰的摻入量，均勻攪拌，控制水灰比為0.45，含水率為70%，開始制樣。制成高80 mm，內(nèi)徑39.1 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣，成型1 d后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室中養(yǎng)護。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室的溫度為(20±5) ℃，相對濕度100%，養(yǎng)護到試驗規(guī)定的齡期后，根據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—1999)[22]將試樣取出進行三軸固結(jié)不排水試驗(圍壓100 kPa、200 kPa、300 kPa)，對于摻入20%水泥的試樣，圍壓取600 kPa。試驗方案如表3所示。

表3 試驗方案設(shè)計Table 3 Experimental design

注：編號An，Bn，Cn為水泥和飛灰的梯度水平。如：試驗A1代表摻入水泥和飛灰為10%和0%，試驗A2代表摻入水泥和飛灰為10%和5%，試驗A3代表摻入水泥和飛灰為10%和10%，試驗B1代表摻入水泥和飛灰為15%和0%，以此類推。

1.3 SEM測試

對摻入垃圾焚燒飛灰的水泥土進行掃描電子顯微鏡觀測，研究其微觀特性。先對試樣進行烘干處理后，取出固定并放入真空設(shè)備中進行噴金處理，再用儀器美國FEI Quanta 650型掃描電子顯微鏡放大5000倍掃描分析，得到摻垃圾焚燒飛灰的水泥土的電鏡掃描照片。

2 結(jié)果與討論

2.1 三軸固結(jié)不排水試驗

由抗剪強度包絡(luò)線圖(圖1)可得各組別的粘聚力和內(nèi)摩擦角，如圖2所示，表4為結(jié)果匯總。

圖1 抗剪強度包絡(luò)線圖
Fig.1 Shear strength envelope diagram

圖2 飛灰摻量對水泥土抗剪強度影響
Fig.2 Effect of fly ash content on shear strength of cement-soil

表4 三軸試驗結(jié)果
Table 4 Triaxial test results

組別指標(biāo) A1A2A3B1B2B3C1C2C3φ/(°)8.019.6610.8813.8415.4816.5215.8916.4818.12c/kPa132211.00320.15242.68300.28476.02388.84421.89558.06

從圖1、圖2和表4分析得，相同水泥摻量下，摻入一定量的飛灰，抗剪強度指標(biāo)提高。這是因為垃圾焚燒飛灰具備與粉煤灰相似的性質(zhì)，飛灰微細(xì)顆粒分布于固化土孔隙內(nèi)，使得土壤和飛灰的界面緊密接觸。飛灰顆粒呈球形并外表光滑，摻入水泥土后可滾球潤滑，起到減水作用。在固化土中，在水泥固化土中，活性組分(如二氧化硅、活性氧化鋁等)可與水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，生成的火山灰反應(yīng)產(chǎn)物，填充土壤孔隙，導(dǎo)致微觀水平上的孔隙致密化并提高固化土強度，內(nèi)摩擦角和粘聚力得到提高。在20%水泥摻量下，與不摻飛灰相比，摻入10%飛灰的水泥土內(nèi)摩擦角增大14.03%，粘聚力提高43.81%；摻入15%水泥和10%飛灰的試樣的內(nèi)摩擦角和粘聚力分別增大19.36%和96.7%；在10%水泥摻量下，摻入10%飛灰的水泥土強度提高最明顯，內(nèi)摩擦角增大36%，粘聚力提高142.4%。這表明，在水泥土中摻入一定量的垃圾焚燒飛灰，可在一定程度上提高水泥土的抗剪強度，這為垃圾焚燒飛灰的工程應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

2.2 SEM分析

從圖3可以看出，摻垃圾焚燒飛灰的水泥土含有大量不同大小的膠結(jié)物，結(jié)構(gòu)多呈塊狀、團狀或顆粒狀，水泥的水化反應(yīng)使顆粒膠結(jié)在一塊，整體致密性大大提高，最終導(dǎo)致固化土的宏觀強度提高。

圖3 不同水泥/飛灰配比下試樣的SEM圖
Fig.3 SEM images of samples with different cement/fly ash

摻入預(yù)處理垃圾焚燒飛灰的水泥土強度特征是其微觀特性的宏觀表現(xiàn)，兩者聯(lián)系緊密。在相同水泥摻量下，隨著處理后飛灰摻入，飛灰微細(xì)顆粒分布于水泥漿體的集相之中，起到微集料效應(yīng)，顯著地增強了水泥土的結(jié)構(gòu)強度；隨著膠結(jié)反應(yīng)和水泥水化反應(yīng)的進行，垃圾焚燒飛灰和水泥加固土界面間的接觸越趨緊密，這也證實了摻入一定量的垃圾焚燒飛灰能提高水泥土的強度。

2.3 浸出毒性試驗

摻不同預(yù)處理垃圾焚燒飛灰的水泥土的濾出液中重金屬離子濃度如表5所示。鉻元素、鉛元素、及鋅元素的濾出液離子濃度均滿足《危險廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn) 浸出毒性鑒別》(GB 5085.3—2007)。經(jīng)水泥固化后重金屬離子的濾出量顯著降低，且隨水泥摻量的增加而進一步降低；其中，濾出液中的Cr浸出濃度降低至少50%，Zn、Pb浸出濃度降低至少97%，并且Zn和Pb浸出濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于規(guī)范值。結(jié)果表明，水泥土中飛灰重金屬元素浸出毒性顯著降低，摻入飛灰的水泥土中，水泥的水化反應(yīng)可生成大量水化膠凝體，這類膠凝體比表面積和表面吸附能大，對重金屬起到包裹和吸附作用。同時，重金屬離子還可經(jīng)過置換和絡(luò)合作用與晶格結(jié)合，生成的晶體結(jié)構(gòu)更堅固、穩(wěn)定，最終實現(xiàn)對重金屬的固化/穩(wěn)定[19]。故在確保垃圾焚燒飛灰的安全處理前提下，可將其應(yīng)用于淤泥的固化。

表5 浸出毒性試驗結(jié)果Table 5 Leaching toxicity test results

注：NT表示未測試樣品。

3 結(jié) 論

(1)對摻處理后垃圾焚燒飛灰的水泥土進行三軸固結(jié)不排水試驗。結(jié)果表明，隨著水泥和飛灰含量的增加，水泥土的粘聚力提高和內(nèi)摩擦角增大。當(dāng)摻入10%飛灰和10%水泥，抗剪強度指標(biāo)得到最大提升，內(nèi)摩擦角增大36%，粘聚力提高142.4%。這表明，在水泥土中摻入適量的處理后飛灰，可進一步提升水泥土的抗剪強度。

(2)對試樣進行電鏡掃描試驗。處理后飛灰的摻入令水泥土顆粒表面逐漸出現(xiàn)塊狀、團狀膠結(jié)物，飛灰微細(xì)顆粒分布于水泥漿體的集相之中，就像細(xì)微的集料一樣。微集料效應(yīng)顯著地增強了水泥土的結(jié)構(gòu)強度，伴隨著水泥水化反應(yīng)和火山灰反應(yīng)的進行，垃圾焚燒飛灰和水泥加固土界面間的接觸越趨緊密，整體性和致密性提高，這也從側(cè)面證實了摻入一定量的垃圾焚燒飛灰能提高水泥土的強度。

(3)對摻處理后垃圾焚燒飛灰的水泥土進行浸出毒性試驗。結(jié)果表明，重金屬元素鉻、鉛、鋅遠(yuǎn)低于規(guī)范要求的控制值，鉻元素浸出量降低至少50%，鋅、鉛元素降低至少97%，均滿足《危險廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn) 浸出毒性鑒別》(GB 5085.3—2007)的標(biāo)準(zhǔn)，為垃圾焚燒飛灰的工程應(yīng)用提供科學(xué)理論依據(jù)。