垃圾炭混凝土性能及生態(tài)效益研究*

賈亞琪，王震洪，李 赫，嚴(yán) 婷，張 聰，何曉樂，李盼根，王毅毅

(長(zhǎng)安大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710064)

0 引 言

經(jīng)濟(jì)發(fā)展為人類提供豐富商品和服務(wù)的同時(shí)，也造成了固體廢棄物逐年遞增。全球每年固體廢棄物產(chǎn)量已達(dá)70～100億噸，但約有30億噸未得到有效處理[1]。城鎮(zhèn)生活垃圾成分復(fù)雜、有機(jī)物含量高、含大量病菌、易腐敗變質(zhì)產(chǎn)生惡臭滲濾液及氣體，處理不當(dāng)會(huì)對(duì)地下水、土壤及大氣產(chǎn)生二次污染[2]。傳統(tǒng)的固體廢棄物處理技術(shù)主要有填埋、堆肥和焚燒，但在實(shí)際應(yīng)用中均會(huì)造成不同程度的二次污染。

垃圾熱解技術(shù)是指垃圾在無(wú)氧或缺氧條件下經(jīng)高溫加熱(600～1 000 ℃)，使之分解為液態(tài)焦油、固態(tài)生物炭和可燃性氣體回收利用的過(guò)程。垃圾熱解技術(shù)二次污染小、經(jīng)濟(jì)效益高，是一種環(huán)境友好型處理方式，但其副產(chǎn)物生物炭需進(jìn)一步處理[1]。生物炭是一種難熔、高度芳香化、富含碳的固態(tài)物質(zhì)[3]，其較大的比表面積大、豐富的孔隙結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定的理化性質(zhì)使其具有廣泛的應(yīng)用前景。生物炭具有優(yōu)良的吸附效果，可作為吸附劑處理廢水中的重金屬[4]；生物炭作為土壤改良劑施入土壤，可增加農(nóng)作物產(chǎn)量[5-6]。但不同來(lái)源及燒制條件制成的生物炭成分差別較大，尤其是城鎮(zhèn)生活垃圾量大，成分復(fù)雜，含有毒有害物質(zhì)，使垃圾熱解炭很難作為吸附劑和土壤改良劑應(yīng)用到生產(chǎn)中。

生物炭和地層中高溫高壓下形成的金剛石具有相同碳元素構(gòu)成，有研究表明煉鋼過(guò)程中碳元素的增加能使鋼材強(qiáng)度顯著增加[9]。經(jīng)低溫燃燒制備的生物炭還含非晶態(tài)二氧化硅，具有火山灰特性，有一定水泥活性[10]。因此，生物炭有增強(qiáng)水泥基材料力學(xué)性能的潛力。張興偉等研究了木炭混凝土的工作性能并評(píng)價(jià)了其碳封存效益[11]；李赫等將污泥炭代替水泥制備了混凝土，結(jié)果表明其力學(xué)性能有所增強(qiáng)[12]。但是生物炭來(lái)源對(duì)混凝土性能影響較大，目前沒有垃圾炭替代水泥制備混凝土的研究。本研究將有機(jī)質(zhì)成分復(fù)雜的城鎮(zhèn)生活垃圾在600 ℃下熱解產(chǎn)生的垃圾炭分別以0%，1%，3%，5%，7%，9%，15%，20%的比例替代等重量的水泥，制作膠砂和混凝土試件，研究其力學(xué)性能、工作性能和微觀構(gòu)成，并評(píng)價(jià)其生態(tài)效益。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

(1)水泥：選用陜西耀縣生產(chǎn)的P.O 42.5水泥，其物理屬性及化學(xué)成分如表1所示。

表1 水泥基本物理性質(zhì)及化學(xué)元素含量

(2)垃圾炭：取自浙江一家垃圾處理廠，制備過(guò)程為：城鎮(zhèn)生活垃圾經(jīng)壓干排出水分后，依次通過(guò)磁選、滾筒篩篩分及風(fēng)選分離出金屬、易拉罐及建筑垃圾，將剩余的有機(jī)物放入熱解爐在600 ℃下進(jìn)行熱解。制得的垃圾炭高位熱值達(dá)2455 cal/g。隨后在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)將制得的垃圾炭篩分，在105 ℃下烘干并磨細(xì)至與水泥相同的目數(shù)(300目)。其在掃描電子顯微鏡(SEM)下的微觀結(jié)構(gòu)如圖1所示，垃圾炭呈多孔和不規(guī)則片狀形態(tài)，形貌、尺寸較均勻，結(jié)構(gòu)松散。采用重量法及能譜分析(EDS)得到垃圾炭的元素含量如表2所示。垃圾炭中碳較為豐富，具有水泥成分。

圖1 垃圾炭SEM圖Fig 1 SEM images of municipal solid waste biochar

表2 垃圾炭化學(xué)元素含量(質(zhì)量百分比)

圖2為垃圾炭的紅外譜圖。2 971 cm-1附近的峰為飽和烴中的C-Hn的伸縮振動(dòng)吸收峰，該處峰主要來(lái)源于塑料制品和脫脂棉的熱解[13]，該處峰較弱，一方面說(shuō)明塑料制品的篩除率較高，另一方面說(shuō)明較高的制備溫度使生物炭中的烷基鏈斷裂，生物炭趨于穩(wěn)定化。1 500～1 600 cm-1附近的峰為C=O鍵和C=C鍵雙鍵振動(dòng)峰。1 413 cm-1左右是C-H鍵的振動(dòng)峰，該處峰面積較大，說(shuō)明生物炭具有高度芳香化。1 024 cm-1處是纖維素或半纖維素C-O-C的伸縮振動(dòng)峰[14]，說(shuō)明經(jīng)高溫處理后生物炭中仍存在大量含氧官能團(tuán)。874 cm-1處的峰為芳香烴C-H鍵的面向彎曲振動(dòng)[15]。707 cm-1處為無(wú)機(jī)組分硅氧結(jié)構(gòu)的吸收峰，說(shuō)明硅氧結(jié)構(gòu)在燒制過(guò)程中被保留下來(lái)，使垃圾炭具有一定的火山灰活性。城市生活垃圾經(jīng)高溫絕氧加熱后，炭化程度高，羥基(-OH)完全斷裂,芳香化程度提高。

圖2 垃圾炭FT-IR譜圖Fig 2 FT-IR spectra of municipal solid waste biochar

(3)細(xì)集料：膠砂試件選用標(biāo)準(zhǔn)砂；混凝土試件選用天然河砂，細(xì)度模數(shù)Mf=2.6。

(4)粗集料：5～20 mm連續(xù)級(jí)配碎石。

1.2 配合比設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)中垃圾炭分別以0%、1%、3%、5%、7%、9%、15%、20%的重量比替代水泥，分別制作膠砂試件和C40、C35混凝土試件。

(1)膠砂試件配合比設(shè)計(jì)：依據(jù)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》(GBT17671—1999)拌制膠砂試件，配合比設(shè)計(jì)如表3所示。

表3 不同垃圾炭替代率的膠砂試件配合比設(shè)計(jì)

(2)垃圾炭混凝土配合比設(shè)計(jì)：依據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ55-2011)進(jìn)行垃圾炭混凝土配合比設(shè)計(jì)。分別制作水灰比為0.49的C40混凝土和水灰比為0.54的C35混凝土。為減少影響因素，試件制備過(guò)程中未使用外加劑，配合比設(shè)計(jì)如表4所示。

表4 不同垃圾炭替代率的混凝土試件配合比設(shè)計(jì)

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

(1)垃圾炭膠砂試件制作及性能測(cè)試：使用行星式攪拌鍋拌制尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的膠砂試件，每組設(shè)3個(gè)平行樣，將試件在震動(dòng)臺(tái)上震實(shí)并養(yǎng)護(hù)24 h后脫模，隨后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d。依據(jù)《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》(GB/T 2419—2005)、《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》(GB/T 17671—2005)進(jìn)行膠砂試件流動(dòng)度、抗壓性能及抗折性能的測(cè)試。采用掃描電子顯微鏡(SEM)和傅里葉紅外光譜(FT-IR)表征膠凝材料的微觀結(jié)構(gòu)。

(2)垃圾炭混凝土試件制作及性能測(cè)試：將砂、水泥和垃圾炭混合物、水及碎石依次加入攪拌機(jī)，進(jìn)行60 s左右的攪拌，將拌制好的混凝土裝入100 mm×100 mm×100 mm的模具中并震實(shí)，每組設(shè)3個(gè)平行樣，脫模后置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d。依據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081-2016)和《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002)進(jìn)行垃圾炭混凝土坍落度、抗壓及劈裂抗拉性能測(cè)試。

(3)垃圾炭混凝土生態(tài)效益分析：依據(jù)全國(guó)商品混凝土年產(chǎn)量及垃圾炭混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果，依據(jù)以下公式計(jì)算垃圾炭混凝土的生態(tài)效益。據(jù)研究，生產(chǎn)一噸水泥會(huì)產(chǎn)生0.614～1.1 t的CO2，本文依據(jù)Petek研究中選取的0.87進(jìn)行計(jì)算[16]。

(1)

U=Mc×μ×β×3.67

(2)

MCO2=0.87Mc

(3)

式中，Ms為全年可處理城市生活垃圾量，萬(wàn)噸；μ為垃圾炭替代水泥的重量比，%；Mc為全國(guó)每年商品混凝土中水泥用量，萬(wàn)噸；α為垃圾熱解產(chǎn)炭率，%。U為垃圾炭全年可封存CO2量，萬(wàn)噸；β為垃圾炭的炭含量，%；3.67為根據(jù)原子質(zhì)量計(jì)算得出炭與CO2的轉(zhuǎn)換系數(shù)即1 g炭可轉(zhuǎn)換為3.67 g二氧化碳。MCO2為水泥生產(chǎn)所產(chǎn)生的CO2量，萬(wàn)噸。

2 結(jié)果

2.1 垃圾炭膠砂性能研究

2.1.1 流動(dòng)度

圖3為不同垃圾炭替代率的膠砂試件的流動(dòng)度。總體來(lái)看，垃圾炭膠砂試件的流動(dòng)度隨著垃圾炭替代率的增大逐漸減小。垃圾炭替代量在1%～5%時(shí)，流動(dòng)度相比對(duì)照組僅分別降低了3.5%，3%，6.5%；當(dāng)替代量增大到5%以上時(shí)，流動(dòng)度出現(xiàn)明顯降低；當(dāng)替代量達(dá)到20%時(shí)，流動(dòng)度相比對(duì)照組降低了21.30%。流動(dòng)度降低是由于垃圾炭較高的吸水性，垃圾炭的多孔結(jié)構(gòu)使其在和水泥相同細(xì)度和用量的情況下吸收更多的自由水。

圖3 不同垃圾炭替代率對(duì)膠砂流動(dòng)度的影響Fig 1 Effect of municipal solid waste biochar on fluidity of mortar

2.1.2 力學(xué)性能

圖4為膠砂抗壓試驗(yàn)結(jié)果。總體來(lái)看，隨著垃圾炭替代率的增大，膠砂抗壓強(qiáng)度呈先增后減的趨勢(shì)。垃圾炭替代率為3%時(shí)，抗壓強(qiáng)度最大，相比對(duì)照組增加了3.3%。垃圾炭替代率在5%以內(nèi)時(shí)，抗壓強(qiáng)度變化不明顯；替代率為7%和9%時(shí)，抗壓強(qiáng)度相比對(duì)照組分別下降了9.1%、13.8%；當(dāng)替代率為15%和20%時(shí),膠砂的抗壓強(qiáng)度明顯降低，較對(duì)照組分別下降了17.9%和25.7%。

圖4 不同垃圾炭替代率對(duì)膠砂抗壓強(qiáng)度的影響Fig 4 Effect of municipal solid waste biochar on compressive strength of mortar

圖5為膠砂抗折強(qiáng)度隨垃圾炭替代率變化的規(guī)律。與抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律相似，垃圾炭替代率為3%時(shí)，抗折強(qiáng)度最大，相比對(duì)照組提升了3.3%；替代率在5%以內(nèi)時(shí)，抗折強(qiáng)度變化不明顯。隨著垃圾炭替代率的增大，膠砂試件的抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度的比值即脆性系數(shù)也逐漸增大，大替代量垃圾炭對(duì)膠砂抗折強(qiáng)度的不利影響較抗壓強(qiáng)度大。

圖5 不同垃圾炭替代率對(duì)膠砂抗折強(qiáng)度的影響Fig 5 Effect of municipal solid waste biochar on flexural strength of mortar

2.1.3 微觀結(jié)構(gòu)

為進(jìn)一步探究垃圾炭替代部分水泥對(duì)水泥水化產(chǎn)物的影響，分別對(duì)垃圾炭膠砂對(duì)照組(圖6(a)、(b))、抗壓強(qiáng)度最大組(圖6(c)、(d))和垃圾炭替代率最大組(圖6(e)、(f))進(jìn)行SEM掃描。

圖6 垃圾炭膠砂SEM圖Fig 6 SEM images of municipal solid waste biochar mortar

水泥基材料強(qiáng)度主要源于水泥的水化，水泥水化產(chǎn)物的物相主要有水化硅酸鈣(C-S-H凝膠)、氫氧化鈣(CH)和鈣礬石(Aft)[12]。水化硅酸鈣呈纖維狀、網(wǎng)格狀的粒子形態(tài)，是水泥基復(fù)合材料強(qiáng)度的主要來(lái)源；氫氧化鈣和鈣礬石分別呈現(xiàn)六角層片狀和針狀，對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度起不利作用。對(duì)照組試件中各種水化產(chǎn)物交織緊密，界面過(guò)渡區(qū)較密實(shí)。抗壓強(qiáng)度最大組水化硅酸鈣含量增高，水化產(chǎn)物間搭接為密實(shí)的團(tuán)狀。垃圾炭替代率為20%的膠砂界面松散干燥，針狀鈣礬石含量增多，水化產(chǎn)物交織松散，結(jié)構(gòu)中可見明顯孔洞。

圖7 垃圾炭膠砂FT-IR譜圖Fig 7 FT-IR spectra of municipal solid waste biochar mortar

由圖7知，垃圾炭替代率為3%時(shí)，膠凝體系中水化硅酸鈣含量增多，解釋了力學(xué)性能提升的原因；同時(shí)碳酸鈣的含量也略有提升，一方面表明垃圾炭中的炭以碳酸鈣的形式被固定，另一方面說(shuō)明垃圾炭混凝土碳化程度較對(duì)照組深，碳化反應(yīng)生成的碳酸鈣可提高水泥基材料的密實(shí)性，進(jìn)而提升其抗壓強(qiáng)度。替代率為20%時(shí)，水化硅酸鈣含量明顯下降，碳酸鈣成為含量最高的成分，此時(shí)碳化程度過(guò)深，力學(xué)性能下降，脆性提升。

2.2 垃圾炭混凝土性能研究

2.2.1 坍落度

為減少影響因素，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中未使用高性能減水劑及引氣劑，拌制混凝土的坍落度均保持在20～50 mm范圍內(nèi)。隨著垃圾炭替代率的增加，混凝土漿體的坍落度逐漸降低，當(dāng)替代量為15%及以上時(shí)，由于垃圾炭較強(qiáng)的吸水性及保水性，混凝土漿體表現(xiàn)出干燥疏松，坍落度大幅降低的特征。

2.2.2 力學(xué)性能

圖9為C40和C35混凝土在不同垃圾炭替代率下的立方體抗壓強(qiáng)度。不同配置強(qiáng)度的混凝土均表現(xiàn)出抗壓強(qiáng)度隨垃圾炭替代率的增加先增大后減小的趨勢(shì)。C40混凝土在垃圾炭替代率為7%以內(nèi)時(shí)，抗壓性能均優(yōu)于對(duì)照組；替代率為5%時(shí)抗壓強(qiáng)度最高，相比對(duì)照組提升了10.1%。C35混凝土在垃圾炭替代率為5%內(nèi)時(shí)抗壓性能優(yōu)于對(duì)照組；替代率為3%時(shí)，抗壓強(qiáng)度最大，相比對(duì)照組提升了9.7%。垃圾炭替代率為9%時(shí)，C40和C35混凝土的抗壓強(qiáng)度相比對(duì)照組分別下降了5.1%和8.5%，但仍大于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最低抗壓強(qiáng)度。垃圾炭替代率為15%及以上時(shí)，抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)明顯下降，但C40和C35混凝土的抗壓強(qiáng)度仍分別高于35和30MPa，在工程中可作為低標(biāo)號(hào)混凝土使用。

圖8 不同垃圾炭替代率對(duì)混凝土坍落度的影響Fig 8 Effect of municipal solid waste biochar on slump of concrete

圖9 不同垃圾炭替代率對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響Fig 9 Effect of municipal solid waste biochar on compressive strength of concrete

圖10為C40和C35混凝土的立方體劈裂抗拉強(qiáng)度隨垃圾炭替代率的變化。C40混凝土在垃圾炭替代率為3%時(shí)達(dá)到最佳的劈裂抗拉效果，相比對(duì)照組增強(qiáng)了2.8%；C35混凝土在垃圾炭替代率為1%時(shí)抗劈裂性能達(dá)到最佳，相比對(duì)照組增強(qiáng)了7.1%。垃圾炭替代率為5%以內(nèi)時(shí)，C40和C35混凝土的劈裂抗拉效果均得到提升。垃圾炭替代率為7%及9%時(shí)，混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度下降幅度較小。垃圾炭替代率為15%及以上時(shí)，C35和C40混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度下降范圍在20% ～30%之間，下降幅度較抗壓強(qiáng)度明顯。垃圾炭對(duì)混凝土抗壓性能的增強(qiáng)效果較抗折性能強(qiáng)。

圖10 不同垃圾炭替代率對(duì)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響Fig 10 Effect of municipal solid waste biochar on splitting tensile strength of concrete

3 討 論

3.1 垃圾炭膠砂和混凝土性能分析

垃圾炭替代率在5%內(nèi)時(shí)，混凝土的力學(xué)性能有所增強(qiáng)。垃圾炭的疏松多孔結(jié)構(gòu)使其具有很強(qiáng)的吸水性和保水性，在替代率較小時(shí)，垃圾炭吸收的自由水隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間緩慢釋放，增加了混凝土試件中的結(jié)合水含量，促進(jìn)了水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行；Gupta等發(fā)現(xiàn)生物炭對(duì)非極性物質(zhì)有很強(qiáng)的親和力，可通過(guò)吸附來(lái)捕獲空氣中的二氧化碳[20]。對(duì)水泥水化產(chǎn)物的SEM和FT-IR譜圖分析發(fā)現(xiàn)，垃圾炭膠砂的碳酸鈣含量更高，說(shuō)明垃圾炭的摻入使混凝土的碳化程度加深。這兩方面的因素使混凝土的抗壓強(qiáng)度提高。大替代率垃圾炭混凝土抗壓強(qiáng)度下降，一方面是由于水泥是混凝土中重要的膠結(jié)成分，水泥減少直接導(dǎo)致水泥水化產(chǎn)物減少，水灰比增加，從而導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度降低[21]；另一方面，垃圾炭替代率過(guò)高時(shí)，垃圾炭吸收大部分的自由水，水泥水化不完全，且垃圾炭遇水形成的松散結(jié)構(gòu)不能很好的與混凝土中其他組分結(jié)合，使水泥水化產(chǎn)物與骨料間的粘結(jié)力降低。

隨著垃圾炭替代水泥用量的增加，垃圾炭混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的比值逐漸減小，即拉壓比減小，此時(shí)混凝土易發(fā)生脆性斷裂。Osunade、黃士元和蒲心誠(chéng)等對(duì)高性能混凝土的研究中均發(fā)現(xiàn)，抗壓強(qiáng)度較高的混凝土拉壓比較低[22-24]。抗壓試驗(yàn)時(shí)混凝土內(nèi)部分子及原子受到擠壓相互靠近，核外電子距離減小產(chǎn)生斥力；而抗拉試驗(yàn)時(shí)混凝土在拉力作用下分子及原子距離逐漸拉大，主要克服了分子間的范德華力[25]。在垃圾炭替代過(guò)高的情況下，垃圾炭顆粒與水泥漿體間的相互作用較弱，水泥漿體中微小細(xì)縫及孔洞的過(guò)多形成使垃圾炭混凝土對(duì)劈裂破壞更敏感。

3.2 垃圾炭對(duì)膠砂和混凝土力學(xué)性能影響的顯著性分析

使用SPSS軟件，對(duì)8組垃圾炭替代率不同的膠砂和混凝土試件的力學(xué)性能數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，顯著性水平p值取0.05。方差分析的結(jié)果如表5所示，垃圾炭替代水泥對(duì)膠砂和混凝土的力學(xué)性能均有顯著性影響。

表5 膠砂與混凝土力學(xué)性能方差分析表

3.3 垃圾炭混凝土生態(tài)效益分析

據(jù)中國(guó)混凝土網(wǎng)的不完全統(tǒng)計(jì)，2019年我國(guó)商品混凝土的產(chǎn)量為27.38億立方米。根據(jù)水泥標(biāo)號(hào)、水灰比、添加劑等的不同，混凝土所需最小膠凝材料的用量為250～330 kg/m3。根據(jù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中配合比的設(shè)計(jì)，以混凝土所需膠凝材料為330 kg/m3估算出2019年水泥消耗量即Mc為90354萬(wàn)噸。據(jù)市場(chǎng)調(diào)查，現(xiàn)主流品牌P.O 42.5水泥的市場(chǎng)價(jià)格為440～475元/噸。

根據(jù)垃圾炭混凝土力學(xué)性能的試驗(yàn)得出，垃圾炭替代率在5%內(nèi)時(shí)，力學(xué)性能有所提升；替代率在9%內(nèi)時(shí)，不影響混凝土的力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)；替代率為15%時(shí)，可作為低標(biāo)號(hào)水泥使用。鄢豐等的研究表明，熱解工藝的不同，影響著垃圾炭的產(chǎn)量，由于熱解的減量化，垃圾熱解的產(chǎn)炭量約為垃圾重量的31%～58%[22]，取中位數(shù)45%作為垃圾炭的產(chǎn)量。垃圾熱解在高溫絕氧的環(huán)境中發(fā)生，避免了廢物中的炭以二氧化碳或甲烷等溫室氣體的形式排出，炭以固態(tài)的形式被固定[26]，以試驗(yàn)中所用垃圾炭的含炭量38%為依據(jù)，根據(jù)式(1)～(3)計(jì)算得出垃圾炭混凝土的生態(tài)效益如表6所示。

表6 垃圾炭混凝土生態(tài)效益

混凝土是人類最大宗的建筑材料，水泥的原材料石灰石大多來(lái)自開山取石，這一過(guò)程對(duì)自然山體、植被和動(dòng)物棲息地造成了永久性的破壞。水泥加工過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生CO2、SO2及粉塵污染，危害生態(tài)環(huán)境和人體健康。城市生活垃圾的不恰當(dāng)處理造成的水體、土壤及空氣污染已經(jīng)嚴(yán)重影響了居民的生活與健康，新冠疫情的突發(fā)又對(duì)垃圾無(wú)害化提出了更高要求，垃圾熱解作為一種資源化、消滅所有病菌的無(wú)害化處理技術(shù)得到了發(fā)展。將垃圾炭替代水泥制作垃圾炭混凝土既可節(jié)約水泥用量，還可實(shí)現(xiàn)垃圾的無(wú)害化處理，封存CO2，生態(tài)效益可觀。

4 結(jié) 論

(1)在膠砂中，垃圾炭替代水泥3%時(shí)，抗壓和抗折強(qiáng)度增加3.3%；垃圾炭替代5%水泥時(shí)，抗壓和抗折強(qiáng)度變化不明顯；替代量超過(guò)5%時(shí)，抗壓和抗折強(qiáng)度開始下降。不論垃圾炭替代量多少，膠砂流動(dòng)性都有少量降低。

(2)在混凝土中，垃圾炭替代5%水泥，混凝土力學(xué)性能提升約10%；垃圾炭替代量為9%時(shí)仍可滿足混凝土規(guī)定的最低使用標(biāo)準(zhǔn)；垃圾炭替代水泥的重量比超過(guò)15%時(shí)，水泥基材料力學(xué)性能下降，脆性增大，但仍可作為低標(biāo)號(hào)水泥使用。垃圾炭替代水泥在9%范圍內(nèi)，混凝土的坍落度下降幅度不大。

(3)一定量垃圾炭替代水泥制備膠砂和混凝土，水化硅酸鈣含量增大，水化產(chǎn)物間搭接密實(shí)；垃圾炭吸水性好，具有減水劑作用，增加了膠砂和混凝土力學(xué)性能。

(4)垃圾炭混凝土可以作為城市有機(jī)固體廢棄物處理的方法。全國(guó)推廣這項(xiàng)技術(shù)，每年可處理垃圾約1.8億噸，減少1.1億噸CO2排放量，節(jié)約358億元成本，生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益可觀。