生活垃圾焚燒爐渣再生集料替代粉煤灰用于道路基層試驗研究

張緒國，何昌軒，龍俊宇

（上海市市政規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，上海市200031）

0 引 言

焚燒爐渣是生活垃圾焚燒之后的剩余物，包括爐排上的殘渣和從爐排間掉落的顆粒物等[1]。隨著焚燒逐漸取代填埋成為生活垃圾的主要處理方式，焚燒爐渣的量也在快速增長，焚燒爐渣處理逐漸成為城市廢棄物處置新的課題。國外對生活垃圾焚燒爐渣的材料特性進(jìn)行了大量研究，試驗分析表明，爐渣的重金屬、溶解鹽以及有機(jī)污染物含量少，屬于一般廢棄物，工程性質(zhì)與天然的輕質(zhì)骨料類似，可用于道路、房建等工程。在歐洲、美國和日本等，爐渣資源化利用研究與應(yīng)用已經(jīng)持續(xù)了幾十年，爐渣資源化利用占比較高，尤其在歐洲，爐渣資源化利用占比超過了50%，道路工程應(yīng)用是目前爐渣資源化利用的最主要的方式[2]。我國生活垃圾成分與國外差異較大，廚余垃圾占比很高，焚燒爐渣性能與國外存在差異。對生活垃圾焚燒爐渣的性質(zhì)進(jìn)行專門研究，并研究其替代粉煤灰用于二灰碎石性能，以論證其用于道路工程的可行性，促進(jìn)爐渣在道路工程領(lǐng)域的資源化利用。

1 焚燒爐渣特性分析

以某焚燒廠的焚燒爐渣為研究對象，焚燒爐為爐排爐，爐渣是濕排爐渣，取樣包括原狀爐渣（未經(jīng)選礦處理的爐渣）和處理過的再生爐渣集料，本節(jié)研究對象為原狀爐渣。

1.1 焚燒爐渣物理性質(zhì)

生活垃圾焚燒爐渣原狀爐渣呈黑褐色，風(fēng)干后為灰色。是一種不均勻的固體混合物，主要組分包括陶瓷、磚、石塊、玻璃、熔渣、金屬和少量可燃物等[3]。

爐渣的粒徑分布比較均勻，顆粒主要集中在0.6 ～50 mm 之間，占比達(dá)77.6%～91.1%，小于0.075 mm 的粉塵顆粒含量低于2%[4]。

爐渣的物理組成分布并不均勻，在不同的粒徑范圍內(nèi)分布不同，5mm 以下以熔渣為主；20 mm 以上以陶瓷、磚塊和金屬為主；5～20 mm 之間以熔渣、石塊和玻璃等為主[5]。

爐渣中黑色金屬以鐵為主，總含量為3.5%～7.1%，主要為鐵罐、鐵絲、鐵釘和瓶蓋等[6]。有色金屬主要為鋁和銅，鋁與酸性和堿性液體接觸時都會產(chǎn)生H2，在爐渣資源化利用過程中，會發(fā)生膨脹，對結(jié)構(gòu)造成不良影響，在應(yīng)用前需要進(jìn)行預(yù)處理[7]。

5 mm 以上顆粒中的可燃物含量在0.06%～1.34%，平均只有0.84%，這說明焚燒爐燃盡率較高，同時爐渣中的有機(jī)質(zhì)（包括腐殖質(zhì)）的含量較低。

1.2 焚燒爐渣化學(xué)性質(zhì)

（1）化學(xué)元素分析

爐渣的主要化學(xué)元素為Si、Al、Ca、Na、Fe、C、K和Mg，總體與國外生活垃圾焚燒廠的爐渣是相似的，但Na 則比國外的爐渣高出20～30 倍，這與我國居民的飲食特點相關(guān)。

（2）溶解鹽含量

某焚燒廠爐渣中的溶解鹽含量見表1。

表1 某垃圾焚燒電廠爐渣中溶解鹽含量

爐渣中含有的溶解鹽占比較低，質(zhì)量百分比不到1%，爐渣處理處置時，溶解性鹽對地下水造成污染的可能性較小。其中硫酸鹽的含量約0.08%～0.12%（以SO42- 計），能夠滿足道路中各種穩(wěn)定土中對硫酸鹽含量的要求。

（3）礦物組成

某垃圾焚燒廠爐渣礦物分析見表2。

表2 垃圾焚燒后灰燼的化學(xué)基本組成

由表2 可知，爐渣的礦物組成主要由SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO 等組成的混合物。

2 焚燒爐渣集料性質(zhì)

焚燒爐渣集料是經(jīng)過選礦技術(shù)剔除金屬之后的剩余爐渣，經(jīng)粉碎、篩選、分級制成細(xì)粒徑、具有一定級配的爐渣集料。爐渣集料秉承了爐渣材料的性能特性，化學(xué)成分基本相近。通過處理，爐渣中含有的部分不利于應(yīng)用的材料，如金屬、有機(jī)質(zhì)等，含量得到明顯降低，爐渣集料顆粒性狀見圖1。

圖1 集料顆粒性狀

對爐渣集料進(jìn)行篩分試驗，試驗結(jié)果見表3 和圖2。

表3 再生爐渣級配

圖2 再生爐渣級配

結(jié)果表明，再生爐渣集料具有較穩(wěn)定的級配，為該集料的應(yīng)用提供了良好的材料特性。

3 焚燒爐渣集料替代粉煤灰用于道路基層室內(nèi)試驗研究

生活垃圾焚燒爐渣集料是一種與粉煤灰材料在化學(xué)組成上相近的材料，如能將此材料應(yīng)用到二灰碎石基層中，替代部分粉煤灰材料，對緩解爐渣廢料處理壓力，降低工程建設(shè)費用極具現(xiàn)實意義。

3.1 擊實試驗

（1）試驗方案

用生活垃圾焚燒爐渣再生集料替代粉煤灰，替代方案見表4。

表4 生活垃圾焚燒爐渣再生集料替代粉煤灰抗壓強度試驗方案

分別進(jìn)行快速法、7 d、28 d 結(jié)合料抗壓強度試驗研究，考察不同爐渣集料、粉煤灰材料摻配比例對結(jié)合料強度的影響。

本研究主要采用了焚燒爐渣集料、消石灰、粉煤灰等三種材料，消石灰為III 級灰，滿足相關(guān)規(guī)范要求。粉煤灰SiO2與Al2O3的總量為80.8%，燒失量為12.3%，滿足規(guī)范要求。

（2）擊實試驗

按照表5 抗壓強度試驗方案，根據(jù)經(jīng)驗分別選擇6 個含水量，采用直徑為10 cm 的擊實筒進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)擊實試驗，分別測得材料實際含水量，根據(jù)不同含水量對應(yīng)的干密度繪制干密度、含水量關(guān)系圖，分析得出最大干密度及對應(yīng)的最佳含水量，課題共進(jìn)行了5 方案，30 次標(biāo)準(zhǔn)擊實試驗，試驗結(jié)果見表5 和圖3。

表5 重型標(biāo)準(zhǔn)擊實試驗結(jié)果

圖3 最佳含水量、最大干密度與焚燒爐渣摻量關(guān)系圖

由試驗結(jié)果可知，隨著焚燒爐渣集料摻量的增加，最佳含水量逐漸降低，最大干密度逐漸增大，表明摻焚燒爐渣材料摻加后，對混合料性能壓實性能有一定影響。

3.2 抗壓強度試驗

根據(jù)擊實試驗結(jié)果，靜壓成型抗壓強度試驗試件，分別進(jìn)行快速養(yǎng)生、7 d、28 d 抗壓強度試驗，快速抗壓強度是將試件放在65℃±1℃的恒溫箱內(nèi)保溫24 h 后，取出冷卻至室溫，再將其置入水浴中常溫24 h。快速法、7 d、28 d 各齡期試驗結(jié)果見表6。

表6 快速法強度試驗結(jié)果

根據(jù)試驗結(jié)果，隨著粉煤灰材料摻配比例的增加，快速法強度有增長趨勢，進(jìn)一步表明在采用焚燒爐渣替代粉煤灰用于二灰碎石基層時宜適當(dāng)控制摻量，以確保滿足快速法抗壓強度要求。

7 d、28 d 抗壓強度試驗結(jié)果顯示，隨著齡期的增加，各方案抗壓強度均隨齡期的延長均有增長，但增長情況不盡相同。

混合料28 d 抗壓強度在7 d 抗壓強度基礎(chǔ)上增長的情況見圖4。

圖4 7～28 d 強度增長率隨爐渣集料摻配比變化情況

隨著爐渣集料摻配比的增加，混合料強度增長幅度逐漸降低，表明摻焚燒爐渣集料后二灰碎石材料表現(xiàn)出一定的早強趨勢。據(jù)此，本研究分析認(rèn)為對于早強類材料不宜按快速法抗壓強度，確定焚燒爐渣材料摻量。而應(yīng)在確保二灰碎石基層材料強度的前提下，控制爐渣集料摻量，以期獲得良好的結(jié)構(gòu)長期強度。

3.3 干縮濕脹性能試驗

本文主要針對石灰+ 粉煤灰、石灰+ 粉煤灰+焚燒爐渣集料等結(jié)合料進(jìn)行試驗研究。

（1）試驗方案

本研究選擇爐渣集料對粉煤灰不同的替代比：0%、40%、60%三種配比進(jìn)行濕脹干縮性能對比試驗，具體方案見表7。

表7 結(jié)合料抗壓強度試驗方案

本試驗方案最佳含水量按表5 最佳含水量試驗結(jié)果，采用內(nèi)插法確定，三方案最佳含水量依次為26.4%、23.6%、20.6%，最大干密度依次為1.350、1.447、1.473 g/cm3。采用重型擊實成型法，分別成型CBR 試件，浸水1 個月，空氣中常溫擱置2 個月，測定材料變形，以了解材料濕脹干縮性能。

（2）試驗結(jié)果與分析

對各方案進(jìn)行了長達(dá)3 個月齡期條件下的浸水膨脹、干燥收縮試驗，試驗結(jié)果見表8。

表8 3 個月齡期干縮試驗

試件變形量統(tǒng)計見圖5。

圖5 3 個月齡期干縮試驗

由以上試驗結(jié)果得出結(jié)論：

（1）各方案無論是浸水還是干燥條件下，膨脹量或收縮量均隨著齡期的增長而趨于穩(wěn)定；

（2） 浸水3 d 后各方案膨脹量自小到大依次為方案1、方案2、方案3，表明隨著爐渣集料摻量的增大膨脹量增大，但浸水28 d 后各方案膨脹量自小到大依次為方案3、方案2、方案1，表明隨著爐渣集料摻量的增大總膨脹量逐漸變小，可見焚燒爐渣集料替代粉煤灰材料后，可較大程度上減少膨脹變形量，對結(jié)構(gòu)強度形成有利；

（3）干燥60 d 后各方案變形量由大到小依次為方案1、方案2、方案3，表明焚燒爐渣集料部分替代粉煤灰材料后，材料收縮變形明顯降低。試驗結(jié)果表明，焚燒爐渣集料二灰碎石材料干縮性能明顯低于普通二灰碎石。

4 結(jié) 語

（1）生活垃圾焚燒爐渣的物理、化學(xué)及力學(xué)特性與天然集料類似，爐渣再生集料級配均勻，可用于道路基層。

（2）根據(jù)擊實試驗結(jié)果，隨著爐渣摻量的增加，最佳含水率隨之下降，最大干密度隨之增加。

（3）根據(jù)抗壓強度試驗，隨著爐渣集料摻量的增加，二灰碎石的抗壓強度逐步下降，且后期強度增長幅度隨之下降，為了保證二灰碎石的路用性能，需要對爐渣集料的用量進(jìn)行控制。

（4）根據(jù)干縮濕脹性能試驗，爐渣集料替代粉煤灰二灰碎石的干縮及濕漲隨著爐渣摻量的增加而降低。