生活垃圾焚燒灰渣的固化強度試驗

王樂波

（景德鎮市生態環境科學研究與規劃所，江西 景德鎮 333100）

目前，焚燒法已成為生活垃圾的一種重要處理手段[1]。然而，生活垃圾焚燒過程會產生大量灰渣，灰渣處理問題亟待解決[2]。由于生成過程特殊，生活垃圾焚燒灰渣具有獨特的物理和化學性質[3]。目前，生活垃圾焚燒灰渣的研究主要集中在化學成分、礦物組成、重金屬含量等方面，而較少關注其力學性質[4]。因此，本文制備生活垃圾焚燒灰渣試塊，開展固化強度試驗，揭示其力學特性，從而推進生活垃圾焚燒灰渣的資源化利用。

1 試驗準備

1.1 試驗材料

焚燒灰渣是一種復雜的固體廢棄物，其成分和性質受到生活垃圾的種類、焚燒工藝和焚燒條件等因素的影響[5]。本研究選用某垃圾焚燒發電廠的生活垃圾焚燒灰渣作為試驗材料，確保灰渣樣品不受外界環境的污染和干擾。根據《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—2019），設定底渣與飛灰的相關指標[6-8]，其含水率分別為1.83%和2.35%，飽和度分別為6.04%和5.42%，顆粒比重分別為2.48 和2.73，塑性指數分別為16.94 和22.41，塑限分別為5.65%和7.82%，液限分別為22.58%和30.21%，孔隙比分別為0.75 和1.18。

生活垃圾焚燒灰渣包括底渣和飛灰。在灰渣樣品中，底渣的顆粒直徑主要集中在3～420 μm，其分布曲率系數約為1.27，顯示出良好的顆粒級配。相比之下，飛灰的顆粒直徑則主要集中在4～250 μm，其分布曲率系數約為0.95，顯示出不良的顆粒級配。

1.2 試驗儀器

生活垃圾焚燒灰渣的固化強度試驗需要合理選用儀器，如表1所示。在儀器投入使用前，要做好檢查和校驗，確保其使用性能，為后續試驗奠定良好基礎。

表1 試驗儀器

2 試塊制備和強度測定

本次試驗主要通過6 步制備生活垃圾焚燒灰渣試塊。一是破碎。將灰渣樣品進行破碎，使其顆粒直徑符合要求。二是研磨。將破碎后的灰渣樣品進行研磨，使其更加均勻細致。三是篩分。將研磨后的灰渣樣品進行篩分，去除其中的大顆粒和雜質。四是配料。根據試驗要求，將篩分后的灰渣樣品與適量的水混合，制備成所需的灰渣試樣。五是成型。將配料后的灰渣試樣放入模具中，通過振動臺的作用，振動成型。六是養護。將成型后的灰渣試塊放置在養護箱內進行養護，使其達到所需的強度和其他性能指標要求[9-12]。如圖1所示，采用微生物注漿裝置對容器內的灰渣試塊進行生物注漿處理，去除試塊內部的空氣。

圖1 灰渣試塊微生物注漿裝置

合理設置注漿管，使其一端與出漿管相連，另一端則針對灰渣試塊進行生物注漿。在制備好的試塊注水飽和后，在試塊內注入2 倍空隙體積的去離子水，隨后立即封閉注漿口，靜置24 h。以1 mL/min 的注漿速度注入1.2 倍空隙體積的稀釋菌液與8.5 mL 的去離子水，形成試樣菌液與膠結溶液的隔離層，避免二者直接接觸產生CaCO3。利用酒精燈烤過的刀具，緩慢劃開注射器模具的外壁，小心取出焚燒灰渣試塊。利用顯微鏡與X 射線衍射儀，觀察試塊表面光滑程度、灰渣的礦物組成和晶體結構，初步判斷試塊的固化強度。測定單位質量試塊中碳酸鈣含量，結合試塊的固化強度初步判斷結果，對比試塊上層、中層、下層碳酸鈣的含量，即可得出灰渣試塊最終的均勻性強度。

下面分析測定方法。在105.5 ℃的烘箱中放入洗凈的燒杯，烘干燒杯后，依次編號，實時記錄原始燒杯質量。將試塊的三部分（上部、中部、下部）分別研磨并搗碎，再按照順序放入上述已編號的燒杯中，將其放入烘箱烘干。利用天平稱取烘干后的試樣連同燒杯的整體質量，記為m1。在烘干試樣的燒杯內緩慢倒入稀釋的1.00 mol/L 鹽酸，使用玻璃棒沿相同方向攪拌燒杯，直至燒杯內無氣泡產生。將使用稀鹽酸浸泡后得到的底渣與飛灰試樣倒入帶有玻璃纖維濾膜的過濾杯中，利用去離子水沖洗殘留物，充分沖洗試樣中的可溶鹽。將過濾后的試樣放入烘箱內烘干至恒重，稱量洗去可溶鹽后的試樣質量，記為m2。最后，采用式（1）計算試樣的碳酸鈣含量。

式中：A表示焚燒灰渣試樣中碳酸鈣含量；s表示原始灰渣樣品中可溶于鹽酸含量與不可溶于鹽酸含量之比。

3 試驗結果分析

使用MATLAB 軟件分析碳酸鈣含量與試塊無側限抗壓強度的具體聯系，焚燒灰渣的固化強度試驗結果如圖2所示。結果顯示，焚燒灰渣試塊中碳酸鈣生成量的增多將有助于提高試塊的整體強度。這是因為碳酸鈣是一種硬質礦物，其生成可以填充灰渣中的孔隙，提高灰渣的密實度和強度。當碳酸鈣含量超過4%時，它不僅可以沉積在焚燒灰渣顆粒表面，還能夠將灰渣顆粒膠結為一個整體，有效提高生活垃圾焚燒灰渣試塊強度。

圖2 焚燒灰渣的固化強度試驗結果

4 結語

生活垃圾焚燒處理可以節省大量的存放空間，同時產生的能源可以進行再利用，但此方法也會產生大量焚燒灰渣。焚燒灰渣是生活垃圾高溫煅燒的產物，其主要成分是硅鈣鋁氧化物，外觀類似天然砂，化學成分類似于水泥熟料，可代替天然砂用作混凝土細骨料。試驗發現，生活垃圾焚燒灰渣力學特性與成分密切相關，隨著碳酸鈣生成量的增多，生活垃圾焚燒灰渣試塊的整體強度逐漸提高。由此可見，生活垃圾焚燒灰渣具有一定的資源化利用潛力。未來，要加大技術研發力度，積極探索多種資源化利用技術，有效推進生活垃圾焚燒灰渣的資源化利用。