城鎮(zhèn)生活垃圾電廠焚燒爐渣在半剛性路面基層中的資源化利用

馬波 聶晶

（1.淮南市公路管理服務(wù)中心，安徽 淮南 232000；2.安徽路創(chuàng)環(huán)保科技發(fā)展有限公司，安徽 淮南 232000）

0 引言

2010年我國(guó)明確將生活垃圾爐渣定義為道路及無(wú)筋混凝土用集料[1]，2021年國(guó)家發(fā)展改革委等部門(mén)印發(fā)《“十四五”城鎮(zhèn)生活垃圾分類(lèi)和處理設(shè)施發(fā)展規(guī)劃》，提出到2025年底城鎮(zhèn)生活垃圾資源化利用率要達(dá)到60%。在2020年之前，歐盟、挪威及瑞士的463個(gè)城市固體廢物焚燒工廠接收90Mt/a市政固體廢物和類(lèi)似廢物，產(chǎn)出IBA（Incinerator Bottom Ash）17.6Mt/a，在建筑業(yè)中綜合利用率54wt%[2]。

用摻爐渣的水泥穩(wěn)定碎石，一方面是考慮用爐渣的膠凝特性取代部分水泥，水泥提供早、中期強(qiáng)度后由爐渣接續(xù)后期增強(qiáng)，此種時(shí)間依賴(lài)性強(qiáng)度關(guān)系具有復(fù)合穩(wěn)定的形式，采用90d設(shè)計(jì)強(qiáng)度的混合料稱(chēng)為BCM(Bottom Ash Continuation Cement Composite Stabilized Material)；另一方面是考慮把爐渣作為輕集料替代部分碎石，不考慮爐渣后期接續(xù)增強(qiáng)的時(shí)間依賴(lài)性強(qiáng)度關(guān)系，采用7d設(shè)計(jì)強(qiáng)度的混合料稱(chēng)為CBS(Cement Stabilized Bottom Ash and Crushed Stones)。

1 生活垃圾電廠焚燒爐渣的物理、化學(xué)特征

城鎮(zhèn)生活垃圾進(jìn)入電廠后，開(kāi)始分類(lèi)焚燒等工序。經(jīng)機(jī)械爐排焚燒發(fā)電后，產(chǎn)生兩類(lèi)固體廢物：一類(lèi)是比重較大的燃盡垃圾，落到爐底，經(jīng)水洗冷卻破碎后，再經(jīng)磁選、色選、氣選等分離出金屬、玻璃等固體后送出，屬于一般固體廢物，是工程中資源化利用的主要副產(chǎn)物；另一類(lèi)是煙氣飛灰固體顆粒，經(jīng)高溫滯留、中和、收集固化，其中含有二噁英類(lèi)劇毒物質(zhì)及重金屬，屬于危險(xiǎn)固體廢物，工程中不能直接利用。

作為一般固體廢物的爐渣經(jīng)熟化穩(wěn)定后，測(cè)得壓碎值分布在38%～48%，呈季節(jié)性波動(dòng)，低溫季節(jié)（日均＜10℃）的爐渣壓碎值偏低，冬季以外的爐渣壓碎值偏高，這是受垃圾來(lái)源季節(jié)性變化及熟化時(shí)的外界條件影響而產(chǎn)生的差異。

若以現(xiàn)有集料技術(shù)要求作為爐渣性能的技術(shù)要求，將限制爐渣集料在道路工程中的應(yīng)用[3]，因此生活垃圾焚燒爐渣應(yīng)采用規(guī)范[1]的技術(shù)要求，弱化對(duì)壓碎值的要求。出廠爐渣粒度可以根據(jù)需要調(diào)整，上海市研究[3]證明0mm～10mm爐渣對(duì)無(wú)機(jī)結(jié)合料混合料強(qiáng)度有促進(jìn)作用且凍融強(qiáng)度損失率最小，利用時(shí)不期望爐渣參與構(gòu)成混合料的主、次骨架，僅作為填隙料，綜合考慮爐渣裝填特性和BCM設(shè)計(jì)時(shí)的化學(xué)接觸界面，最終決定爐渣公稱(chēng)最大粒徑控制在9.5mm以?xún)?nèi)，級(jí)配范圍如表1所示。

表1 經(jīng)熟化的爐渣級(jí)配分布情況

燃燒室內(nèi)瞬時(shí)核心溫度一般低于1300℃，處于負(fù)壓燃燒，僅熔化部分爐渣。有研究[4]發(fā)現(xiàn)：燒結(jié)溫度從1130°C提高到1160°C，逐漸形成了高密度微觀結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)骨料(LWA)材料。熔融體的溫度在短時(shí)間內(nèi)降至液相線以下，過(guò)冷度值ΔT很大，酷似火成巖的噴出，熔融礦物結(jié)晶中心成核速度遠(yuǎn)高于晶體生長(zhǎng)速度，因此形成隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)。有研究[5]發(fā)現(xiàn)：淬火后底灰的形貌和礦物成分發(fā)生了明顯變化。新鮮淬火的底灰主要是以形貌無(wú)定形和微晶硅酸鈣(CSH)相為特征的淬火產(chǎn)物。此外還包括微型礦物、玻璃、陶瓷、金屬和有機(jī)材料，在淬火過(guò)程中產(chǎn)生的主要礦物相為方解石、弗里德?tīng)査果}、水礬土和波特蘭石。

爐渣顆粒富含微觀開(kāi)口氣孔和閉口孔隙，增加了混合料的氣相成分，有研究[6]證明，將爐渣作為輕骨料運(yùn)用在水泥混凝土中，在凍融循環(huán)侵蝕條件下?lián)饺?5wt%、50wt%和75wt%的爐渣集料，能顯著改善混凝土的抗凍性能，比普通混凝土至少分別提高了15%、30%和33%，說(shuō)明在此種條件下?lián)饺霠t渣對(duì)混合料的抗凍性有利。

2 半剛性基層資源化利用爐渣的研究與應(yīng)用

2.1 混合料特性與齡期關(guān)系

采用3組摻量（摻量：爐渣與碎石和爐渣總量的干質(zhì)量比）制作CBS，編號(hào)CBS-0、CBS-10、CBS-40分別表示摻量為0%、10%和40%，三組均采用P·O42.5，5%水泥劑量，每組制作100個(gè)標(biāo)準(zhǔn)無(wú)側(cè)限強(qiáng)度試件，通過(guò)長(zhǎng)達(dá)兩年的強(qiáng)度跟蹤，發(fā)現(xiàn)CBS-10、CBS-40兩組強(qiáng)度隨時(shí)間增長(zhǎng)的拐點(diǎn)大約在300d附近，CBS-10后期強(qiáng)度增長(zhǎng)斜率不及CBS-40快；CBS-0強(qiáng)度拐點(diǎn)約在90d左右。3組結(jié)果如圖1所示。

圖1 無(wú)側(cè)限強(qiáng)度增長(zhǎng)對(duì)比圖

由此可以看出，CBS-40的500d實(shí)測(cè)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值是7d標(biāo)準(zhǔn)值的2.7倍以上，有研究[7]表示摻爐渣的半剛性基層強(qiáng)度隨時(shí)間增長(zhǎng)可長(zhǎng)達(dá)8年，且長(zhǎng)期保持在較高水平；而傳統(tǒng)水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的混合料500d實(shí)測(cè)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值是7d標(biāo)準(zhǔn)值的1.6倍左右。劉棟等[8]發(fā)現(xiàn)當(dāng)爐渣摻量不超過(guò)20%時(shí)，試件15d前的干縮應(yīng)變與不摻爐渣的水穩(wěn)接近，隨著爐渣摻量的增加，干縮系數(shù)呈降低趨勢(shì)。試驗(yàn)室中，CBS-0、CBS-40兩組，均按照最佳含水比制作梁式試件，其累積干縮應(yīng)變隨時(shí)間變化的關(guān)系如圖2所示。

圖2 累積干縮應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系

由此可以看出，兩組過(guò)程干縮增長(zhǎng)趨勢(shì)在約90d之前表現(xiàn)一致，而后CBS-40過(guò)程干縮應(yīng)變呈保持趨勢(shì)并略有回撤，最終保持回撤量穩(wěn)定，這表明CBS-40在90d后將不再因干縮產(chǎn)生裂縫。其主要原因?yàn)閴A環(huán)境持續(xù)而緩慢激發(fā)爐渣發(fā)生火山灰反應(yīng)，并持續(xù)鞏固堿環(huán)境，爐渣孔隙內(nèi)的水分促進(jìn)水化鋁酸鈣的產(chǎn)生并使其與硫酸鈣作用，使得體積微小膨脹。這一過(guò)程相互促進(jìn)持續(xù)開(kāi)展至爐渣顆粒逐層中性化，使前期干縮微裂縫回縮并化學(xué)愈合，進(jìn)而增強(qiáng)了混合料結(jié)構(gòu)框架。

2.2 在半剛性基層使用爐渣的不利之處

在水泥水化的堿環(huán)境下，摻爐渣混合料早期強(qiáng)度主要由水化反應(yīng)獲得，較摻電廠粉煤灰的混合料早期強(qiáng)度高。后期強(qiáng)度的形成具有時(shí)間依賴(lài)性，與摻電廠粉煤灰混合料后期強(qiáng)度機(jī)理相似，但摻爐渣混合料強(qiáng)度形成速率更慢，一方面是因?yàn)闋t渣粒度比粉煤灰粒度大得多，反應(yīng)界面少得多，反應(yīng)時(shí)間更長(zhǎng)；另一方面是因?yàn)槌跗诰W(wǎng)狀水化硅酸鈣凝膠覆蓋在爐渣界面表面，阻礙了水化產(chǎn)物與二氧化硅和氧化鋁接觸[9]。

摻入足量的爐渣能夠使半剛性基層后期強(qiáng)度持續(xù)而緩慢增長(zhǎng)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間和相當(dāng)大的幅度，這種潛伏強(qiáng)度（定義90d至500d的強(qiáng)度增量為潛伏強(qiáng)度）隨著時(shí)間推進(jìn)，當(dāng)爐渣摻量超過(guò)10%，其在混合料內(nèi)的分布豐度能表現(xiàn)出顯著的潛伏強(qiáng)度特性，潛伏強(qiáng)度會(huì)使其單軸壓縮彈性模量同向變化。

采用5%水泥劑量的CBS-10和CBS-40，分別鋪筑中等交通等級(jí)300m的試驗(yàn)段，分別在不同齡期對(duì)相同方向的輪跡帶鉆取有效芯樣，實(shí)測(cè)芯樣單軸壓縮彈性模量如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)段芯樣單軸壓縮模量

由此可以看出，運(yùn)營(yíng)情況下的模量隨齡期呈顯著的增長(zhǎng)趨勢(shì)，模量增長(zhǎng)的斜率與摻量正相關(guān)。隨著模量的提高，按照彈性層狀連續(xù)體系計(jì)算，基層層底拉應(yīng)力也將逐漸提高，導(dǎo)致基層疲勞壽命逐漸降低，基層將在相對(duì)薄弱斷面被行車(chē)荷載拉斷。潛伏強(qiáng)度形成的裂縫與基層成型后的早期干、溫縮裂縫的機(jī)理不同，前者只在車(chē)輛荷載應(yīng)力作用下從層底拉斷，且形成時(shí)間晚，后者是內(nèi)應(yīng)力作用下全斷面自行拉斷（或輔以車(chē)輛荷載應(yīng)力）。何昌軒[10]在研究相同水泥用量（4.5%）不同爐渣摻量（10%、20%、30%）的混合料疲勞特性時(shí)，發(fā)現(xiàn)水泥穩(wěn)定爐渣碎石混合料的疲勞壽命低于水泥穩(wěn)定碎石混合料，且隨著爐渣集料摻量的提高，水泥穩(wěn)定爐渣碎石混合料的疲勞性能逐漸降低，對(duì)應(yīng)力比的敏感性也逐漸降低，同時(shí)疲勞試驗(yàn)結(jié)果受成型方式影響巨大。

2.3 爐渣兼做膠凝材料

爐渣的化學(xué)性質(zhì)決定其是兼具水硬性和氣硬性雙重凝結(jié)特性的膠凝材料，與水泥、石灰和粉煤灰一樣具備作為無(wú)機(jī)膠凝材料的特性，并比粉煤灰的火山灰總活性更強(qiáng)、更持久。傳統(tǒng)CBS設(shè)計(jì)采用7d設(shè)計(jì)強(qiáng)度確定的水泥劑量，沒(méi)有考慮爐渣作為緩釋膠凝材料的取代作用，忽視了潛伏強(qiáng)度的影響，這顯然不合理。

試驗(yàn)證明，當(dāng)爐渣摻量不大于35%，按照BCM設(shè)計(jì)，可以避免潛伏強(qiáng)度的危害，且有利于緩解早期干縮裂縫，其水泥劑量需要按照CBS設(shè)計(jì)時(shí)的水泥劑量取代減量。劉棟等[8]發(fā)現(xiàn)爐渣摻量在20%左右時(shí)可以減小試件溫縮應(yīng)變及對(duì)溫度的敏感性。因此，在兼顧本地混合料生產(chǎn)級(jí)配設(shè)計(jì)等方面的因素的同時(shí)，本地半剛性基層資源化利用爐渣摻量應(yīng)控制在10%～30%。

2.4 采用90d強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)值

圖1顯示摻爐渣的水穩(wěn)混合料其潛伏強(qiáng)度增長(zhǎng)的趨勢(shì)與傳統(tǒng)水穩(wěn)從第7d開(kāi)始的強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)相似。采用90d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值直接對(duì)標(biāo)《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《細(xì)則》）各等級(jí)7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，即令BCM的90d設(shè)計(jì)強(qiáng)度達(dá)到《細(xì)則》中相應(yīng)7d設(shè)計(jì)強(qiáng)度。而且瀝青路面設(shè)計(jì)時(shí)水泥穩(wěn)定類(lèi)基層也采用90d彈性模量，同時(shí)該研究認(rèn)為用潛伏強(qiáng)度抵消運(yùn)營(yíng)隨時(shí)間疲勞累積所致的模量劣化的做法與設(shè)計(jì)理念吻合，有利于瀝青路面運(yùn)營(yíng)。

時(shí)間受限時(shí)可用實(shí)測(cè)7d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，按式（1）估算90d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值：

式（1）中：a為爐渣摻量，取值范圍10%～30%；b為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取0.92～1.08，水泥強(qiáng)度等級(jí)高、養(yǎng)生期溫、濕度高時(shí)取高值，否則取低值。

采用P·O42.5和M32.5水泥制作BCM試件，分別編號(hào)BCM-15po、BCM-20po、BCM-20m、BCM-25m，以及對(duì)照組BCM-0po和BCM-0m，水泥劑量由BCM配合比設(shè)計(jì)確定，其強(qiáng)度增長(zhǎng)情況如表2和圖4所示。

圖4 無(wú)側(cè)限強(qiáng)度增長(zhǎng)對(duì)比圖

表2 經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的配合比

按BCM設(shè)計(jì)生產(chǎn)時(shí)，爐渣取代水泥的比例符合式（2）關(guān)系：

ΔC = a·（k1+k2+k3+k4） （2）

式（2）中：k1為水泥強(qiáng)度等級(jí)影響因數(shù)；k2為熟化爐渣pH值、SO2-4質(zhì)量濃度等影響因數(shù)；k3為溫、濕度影響因數(shù)；k4為其他礦料基性程度影響因數(shù)。該研究發(fā)現(xiàn)，k1→k4對(duì)ΔC的影響作用定性依次減小，定量研究相當(dāng)復(fù)雜，也無(wú)實(shí)際意義。其水泥用量應(yīng)降低0.3%～1.6%，水泥劑量降低值與爐渣摻量的關(guān)系如圖5所示。

圖5 水泥劑量降低與礦渣摻量的關(guān)系

在配合比設(shè)計(jì)時(shí)參考圖5初擬水泥劑量與摻量，然后根據(jù)礦料級(jí)配設(shè)計(jì)確定爐渣摻量，建立水泥劑量-90d強(qiáng)度關(guān)系（即：結(jié)構(gòu)優(yōu)先）；或者先選定水泥劑量，再建立摻量-90d強(qiáng)度關(guān)系（即：保證水泥用量?jī)?yōu)先）。最后，通過(guò)試驗(yàn)確定生產(chǎn)配合比。

2.5 摻爐渣的半剛性基層BCM生產(chǎn)工藝

（1）按照《細(xì)則》控制半剛性基層除爐渣以外的各項(xiàng)原材料參數(shù)。

（2）熟化工藝：爐渣進(jìn)場(chǎng)后必須要經(jīng)露天堆放中性化才能使用，否則混合料強(qiáng)度和脹縮性難以控制。試驗(yàn)證明爐渣須經(jīng)暴露堆放1250℃·d（日均氣溫15℃暴露堆放約3個(gè)月以此類(lèi)推），熟化期間若淋透雨水會(huì)加速熟化過(guò)程，因此在雨后立即檢測(cè)pH值和SO2-4質(zhì)量濃度等指標(biāo)判斷是否結(jié)束熟化過(guò)程。

（3）爐渣進(jìn)場(chǎng)檢測(cè)及控制指標(biāo)：級(jí)配基本符合表1的范圍，公稱(chēng)最大粒徑不超過(guò)9.5mm；表觀密度不小于規(guī)范[3]要求的2.3g/cm3；熟化過(guò)程連續(xù)檢測(cè)酸堿度直至pH值≤9，上述均達(dá)標(biāo)后可與石屑按目標(biāo)比例摻和入庫(kù)。熟化后的壓碎值在38%～48%范圍內(nèi)，只用于監(jiān)測(cè)爐渣來(lái)源穩(wěn)定性，不做硬性要求。

（4）其他的生產(chǎn)工藝以及質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)原則上都按照《細(xì)則》執(zhí)行，但應(yīng)注意：由于減少了水泥用量，拌和時(shí)間比傳統(tǒng)水穩(wěn)要長(zhǎng)一些，以確保充分拌和，延長(zhǎng)濕養(yǎng)時(shí)間。避免在溫度10℃以下施工。并盡可能推遲開(kāi)放交通。取芯的齡期為90d。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文將垃圾電廠焚燒爐渣破碎至公稱(chēng)粒徑9.5mm以下，自然堆放暴露熟化，替代10%～30%的碎石，并選用較傳統(tǒng)生產(chǎn)方式低0.3%～1.6%的水泥劑量，按照水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石的工藝拌和、鋪筑，經(jīng)充分養(yǎng)護(hù)，得到90d無(wú)側(cè)限強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)應(yīng)滿(mǎn)足《細(xì)則》7d無(wú)側(cè)限強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值且各方面技術(shù)條件都符合要求的半剛性路面基層。爐渣在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中既作為集料的一部分，又兼作提供強(qiáng)度的活性火山灰質(zhì)膠凝材料，具有廣泛而深遠(yuǎn)的社會(huì)價(jià)值。合作研究企業(yè)年利用6萬(wàn)噸爐渣，可滿(mǎn)足31萬(wàn)噸混合料生產(chǎn)，節(jié)約水泥3000噸，減少排放CO2約1533噸/年；減少使用碎石6萬(wàn)噸，生產(chǎn)每噸碎石約需2.5度電能，減排CO2約118噸/年。兩個(gè)環(huán)節(jié)碳資產(chǎn)價(jià)值約18萬(wàn)元/年。