生活垃圾焚燒灰渣原始集料制備免燒免壓磚試驗(yàn)研究

陶毅，張海鎮(zhèn)，史慶軒，薛峰

（1.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055；

2.總后建筑工程研究所，陜西 西安 710032）

生活垃圾焚燒灰渣原始集料制備免燒免壓磚試驗(yàn)研究

陶毅1，張海鎮(zhèn)1，史慶軒1，薛峰2

（1.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055；

2.總后建筑工程研究所，陜西 西安 710032）

提出了不對(duì)灰渣進(jìn)行研磨而直接采用其原始集料，并以水泥和生石灰為原料，水玻璃和氫氧化鈉為激發(fā)劑，制備三免磚（免燒、免壓、免磨）的簡(jiǎn)化制備工藝。研究了不同配合比、水玻璃模數(shù)、激發(fā)劑用量對(duì)灰渣磚強(qiáng)度的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明：采用灰渣原始集料制備的灰渣磚強(qiáng)度可以滿足MU10砌塊的要求，所提出的三免磚制備方案能節(jié)約成本；采用灰渣細(xì)集料的灰渣磚強(qiáng)度優(yōu)于采用灰渣粗集料；灰渣摻量越多，強(qiáng)度越低；水玻璃的最佳模數(shù)為1.2～1.4，激發(fā)劑用量過(guò)多會(huì)造成強(qiáng)度的迅速降低；灰渣磚密度與強(qiáng)度呈正比關(guān)系，并且二者之間有較好的線性關(guān)系。

生活垃圾焚燒灰渣；原始集料；灰渣磚；抗壓強(qiáng)度；密度

人口的增長(zhǎng)與城市化進(jìn)程的加快，導(dǎo)致了生活垃圾的大量增加與種類的多樣化[1]。近年來(lái)，生活垃圾焚燒技術(shù)因其處理量大，減容性好，無(wú)害化徹底，并且熱能可回收利用，成為城市生活垃圾的主要處理方式之一。但是如何安全處置隨之產(chǎn)生的大量含有重金屬物質(zhì)的焚燒灰渣（以下簡(jiǎn)稱灰渣）已經(jīng)成為全社會(huì)共同關(guān)心的問(wèn)題[2]。此外，灰渣的資源化利用也是可持續(xù)發(fā)展的重要技術(shù)手段[3]。目前灰渣的資源化利用主要包括：生態(tài)水泥的原料、混凝土和瀝青的骨料替代物、填埋場(chǎng)的覆蓋材料以及磚砌體的制備材料[3-5]。利用灰渣為原料制備建筑材料不僅可以提升生活垃圾焚燒灰渣的資源化利用率，而且可以減輕生活垃圾焚燒灰渣無(wú)害化處理的壓力。目前垃圾焚燒灰渣制備砌塊均對(duì)灰渣進(jìn)行研磨以增加其活性[6-10]。本文從簡(jiǎn)化制備灰渣磚的工藝入手，探討直接使用灰渣原始集料制備三免灰渣磚（免燒、免壓、免磨）的方法，并通過(guò)試驗(yàn)確定其力學(xué)性能，實(shí)現(xiàn)灰渣的建筑材料資源化利用。

1 生活垃圾焚燒灰渣的物理性質(zhì)

本項(xiàng)目采用的灰渣取自總后建筑工程研究所中試基地生活垃圾焚燒處理系統(tǒng)，從焚燒爐中直接提取的灰渣含有金屬、玻璃、動(dòng)物骨頭以及其它未燃燒充分的物質(zhì)。本項(xiàng)目為了簡(jiǎn)化灰渣磚的制備工藝，采取只對(duì)灰渣進(jìn)行篩分，而不對(duì)其進(jìn)行細(xì)化碾磨的處理方案。對(duì)于潮濕的灰渣需要在篩分之前進(jìn)行干燥處理。

1.1 灰渣的化學(xué)成分與礦物組成

對(duì)灰渣進(jìn)行光譜半定量全分析測(cè)試，其主要化學(xué)成分如表1所示。

表1 生活垃圾焚燒灰渣的主要化學(xué)成分 %

從表1可以看出，生活垃圾焚燒灰渣的主要化學(xué)成分為SiO2、A12O3、Fe2O3和CaO，屬于CaO-SiO2-A12O3-Fe2O3化學(xué)體系，除此以外，K2O、MgO、Na2O等含量也較高。這是由于城市生活垃圾中含有大量廚余垃圾[11]，導(dǎo)致?tīng)t渣中的無(wú)機(jī)鹽含量很高。

灰渣的礦物組成主要為α-SiO2、方解石和鈣長(zhǎng)石。從化學(xué)成分與物質(zhì)組成分析可知，灰渣含有無(wú)機(jī)非金屬氧化物，這也說(shuō)明利用灰渣制磚是可行的。

1.2 灰渣重金屬含量與毒性浸出分析

灰渣重金屬含量如表2所示，灰渣的毒性浸出試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表2 生活垃圾焚燒灰渣的重金屬含量 mg/kg

從表2和表3可以看出，灰渣的有害物質(zhì)浸出含量遠(yuǎn)小于安全濃度限量標(biāo)準(zhǔn)值，不屬于有毒廢物，因此可以在簡(jiǎn)單防護(hù)措施下對(duì)灰渣進(jìn)行再利用。同時(shí)也應(yīng)注意即使生活垃圾焚燒灰渣有毒物含量較小，但其中含有的Ba、Cd、Cr、Cu、Ti、P、Pb和Zn等有害重金屬元素會(huì)造成水體和土壤污染，因此對(duì)灰渣的回收利用也將對(duì)環(huán)境保護(hù)產(chǎn)生積極的影響。

1.3 灰渣的基本力學(xué)指標(biāo)

根據(jù)GB/T 25032—2010《生活垃圾焚燒爐渣集料》測(cè)試分析生活垃圾焚燒灰渣的基本力學(xué)指標(biāo)，包括粒徑分布規(guī)律、密度、含水率、輕漂物含量。

粒徑分布：生活垃圾焚燒灰渣的粒徑分布如表4所示，通過(guò)對(duì)每級(jí)粒徑物質(zhì)組成進(jìn)行分析得出，需要篩除未完全燃燒物和其它雜質(zhì)，因此，在使用灰渣前需將粒徑＞10 mm的雜質(zhì)篩除。試驗(yàn)中使用的粗集料指粒徑大于0.45 mm的集料。細(xì)集料指粒徑小于0.45 mm的集料。

表4 生活垃圾焚燒灰渣的粒徑分布

密度：本試驗(yàn)采集的灰渣干密度（粒徑＜10 mm）約為2100 kg/m3。

含水率：本試驗(yàn)灰渣的含水率為25%，符合GB/T 25032—2010中總含水率小于28%的要求。

輕漂物含量：經(jīng)過(guò)測(cè)試，采集的灰渣輕漂物含量為0.15%，符合GB/T 25032—2010中輕漂物含量不大于0.2%要求。

2 試驗(yàn)

2.1 原材料

灰渣：生活垃圾焚燒灰渣，基本性質(zhì)如第1章所示。

激發(fā)劑：將市售水玻璃（模數(shù)2.3，各成分含量：Na2O13.6%；SiO231.4%，水55%）與NaOH片堿（純度＞99%）按一定質(zhì)量比配制成激發(fā)劑溶液，即對(duì)水玻璃進(jìn)行適當(dāng)改性（調(diào)整水玻璃模數(shù)），并將激發(fā)劑溶液密封后放置在室內(nèi)陳化24 h。

水泥：盾石牌P·O32.5水泥。

生石灰（CaO）：市售，CaO含量85%～95%，白度≥90%。

砂：市售普通河砂，中砂，細(xì)度模數(shù)2.4，含泥量＜3%。

水：自來(lái)水。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次研究以制備強(qiáng)度符合要求的灰渣磚為目標(biāo)，采用抗壓強(qiáng)度為考核指標(biāo)，設(shè)計(jì)試驗(yàn)探討灰渣的替代率、集料類型、水玻璃模數(shù)和用量對(duì)于灰渣磚抗壓強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)各組配合比設(shè)計(jì)如表5所示。

表5 灰渣磚配合比設(shè)計(jì)

2.3 三免灰渣磚的制備工藝

首先按照各組設(shè)計(jì)配合比稱量各固相原料，倒入雙臥軸混凝土攪拌機(jī)中，攪拌2min，為防止先加入激發(fā)劑造成聚集成塊而無(wú)法攪拌的現(xiàn)象，首先加入拌合水量的80%攪拌1min，然后加入激發(fā)劑溶液和余下的水再攪拌2min，將拌合物裝入標(biāo)磚（240mm×115mm×53mm）試模中，振動(dòng)成型2 min以盡可能的排出水化反應(yīng)產(chǎn)生的氣泡。常溫養(yǎng)護(hù)[溫度（20±3）℃]24h后脫模，繼續(xù)在常溫條件下養(yǎng)護(hù)28d，脫模后磚表面覆蓋黑棉布，并連續(xù)7d每天定時(shí)澆水2次。制備好的三免灰渣磚如圖1所示。

圖1 三免灰渣磚

三免灰渣磚的抗壓強(qiáng)度按照GB/T 4111—2013《混凝土砌塊和磚試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 激發(fā)機(jī)理

灰渣中的活性氧化硅及氧化鋁被封閉于大量玻璃體中，激發(fā)最重要的就是將固態(tài)的硅鋁相加堿水解，使硅鋁相分離，并從固體表面溶解釋放出類離子態(tài)硅鋁單體[12]?；以艿剿嗨a(chǎn)生的堿與水玻璃（Na2SiO3）的堿激發(fā)共同作用，使得灰渣活性得以發(fā)揮。Na2SiO3水解時(shí)產(chǎn)生大量OH－，使得灰渣中玻璃體表面的Si—O和Al—O鍵斷裂，Si—O—Al網(wǎng)絡(luò)聚合體的聚合度降低，表面形成游離的不飽和活性鍵，灰渣中的活性物質(zhì)SiO2等與水泥水化產(chǎn)生的Ca（OH）2反應(yīng)生成水化硅酸鈣和水化硅酸鋁等膠凝性產(chǎn)物。反應(yīng)式如下：

此外，Na2SiO3水解產(chǎn)生的凝膠可以與Ca2+反應(yīng)生成C-S-H凝膠，也加快了灰渣與Ca（OH）2的反應(yīng)。

3.2 灰渣粒徑和摻量的影響

本次試驗(yàn)對(duì)2組相同的配合比分別使用了粗集料（A5組和B1組）和細(xì)集料（A4組和B2組）2種不同粒徑的灰渣原始集料，制備的灰砂磚抗壓強(qiáng)度如圖2所示。

圖2 灰渣粒徑對(duì)灰砂磚抗壓強(qiáng)度的影響

從圖2可以得出，使用灰渣細(xì)集料制備的灰渣磚抗壓強(qiáng)度大于使用粗集料制備的灰渣磚。這是由于灰渣的活性會(huì)隨著灰渣粒徑的降低而提升,活性較高的灰渣和堿激發(fā)劑的反應(yīng)會(huì)更充分。尤其當(dāng)灰渣含量較高時(shí)，即不使用細(xì)骨料（砂）的灰渣磚這種影響更為顯著。

灰渣摻量對(duì)灰渣磚抗壓強(qiáng)度的影響如圖3所示，其中圖3（a）為摻砂的配合比，分別對(duì)應(yīng)A1、A2、A3試件，圖3（b）為不摻砂的配合比，分別對(duì)應(yīng)G2、F1、E1、D2、C2試件。

從圖3可以看出，隨著灰渣摻量的增加，灰渣磚的抗壓強(qiáng)度逐漸降低。摻砂時(shí)，當(dāng)灰渣摻量超過(guò)50%，抗壓強(qiáng)度急劇下降，當(dāng)灰渣摻量達(dá)到75%時(shí)，抗壓強(qiáng)度僅為2.6 MPa；不摻砂時(shí)，當(dāng)灰渣摻量為10%時(shí)，灰渣磚的抗壓強(qiáng)度只有不摻灰渣時(shí)的50.9%，強(qiáng)度損失過(guò)半，并且隨著灰渣用量的增加，抗壓強(qiáng)度持續(xù)下降。這一規(guī)律可以歸因?yàn)椋河捎谖唇?jīng)碾磨的灰渣粒徑相對(duì)于水泥較大，因此其活性較低，粒徑較大的灰渣不能和堿激發(fā)劑充分反應(yīng)，從而導(dǎo)致試塊內(nèi)部存在部分未反應(yīng)的大粒徑灰渣，這會(huì)在試件內(nèi)部形成薄弱區(qū)，從而導(dǎo)致較多的微觀孔隙，這些微觀孔隙易發(fā)展成裂縫，最終導(dǎo)致試塊破壞。

圖3 灰渣摻量對(duì)灰渣磚抗壓強(qiáng)度的影響

3.3 水玻璃模數(shù)的影響

圖4為摻與不摻灰渣時(shí)不同水玻璃模數(shù)對(duì)灰渣磚的抗壓強(qiáng)度的影響。

圖4 水玻璃模數(shù)對(duì)灰渣磚抗壓強(qiáng)度的影響

從圖4可以看出，當(dāng)水玻璃模數(shù)為1.2～1.4時(shí)，灰渣磚的抗壓強(qiáng)度最高。灰渣磚的合成反應(yīng)是固相灰渣以及水泥顆粒與液相水玻璃激發(fā)劑之間的固液兩相反應(yīng)。研究表明，堿激發(fā)產(chǎn)物主要有無(wú)機(jī)[SiO4]、[AlO4]四面體為主要骨架[13]，因此灰渣磚的強(qiáng)度取決于反應(yīng)體系中低聚[SiO4]和[AlO4]數(shù)量[14]。其中，水玻璃模數(shù)對(duì)反應(yīng)體系中硅氧四面體[SiO4]的結(jié)構(gòu)有較大的影響[15]。在水玻璃中，存在著多種聚合度的硅氧四面體基團(tuán)，且隨著水玻璃溶液中SiO2濃度的降低，即隨著水玻璃模數(shù)的降低，溶液中低聚硅氧四面體（如單聚Si1、雙聚Si2和三聚Si3）的含量增加，高聚硅氧四面體的含量減少。當(dāng)水玻璃模數(shù)小于1.5時(shí)，水玻璃溶液中開(kāi)始出現(xiàn)單聚結(jié)構(gòu)的基團(tuán)，其比例隨著模數(shù)的減少而增加[16]，因此，低模數(shù)的水玻璃溶液中低聚合度硅氧四面體的含量相對(duì)于高模數(shù)的水玻璃溶液增多，從而使得灰渣和水泥中鋁硅玻璃相解聚加快，這樣有利于膠體沉淀相的形成，提高灰渣磚的強(qiáng)度。

3.4 激發(fā)劑用量的影響

激發(fā)劑用量對(duì)灰渣磚抗壓強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖5。

圖5 激發(fā)劑用量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

從圖5可以看出，激發(fā)劑用量在25%～30%時(shí)，灰渣磚的抗壓強(qiáng)度較高。當(dāng)激發(fā)劑用量繼續(xù)增大時(shí)，抗壓強(qiáng)度迅速降低。當(dāng)堿激發(fā)劑用量達(dá)到35%時(shí)，灰渣磚的抗壓強(qiáng)度損失過(guò)半。由于水玻璃溶液中含有55%的水分，因此激發(fā)劑用量的增大，勢(shì)必導(dǎo)致水量的增多，水膠比增大。而拌合水量增大會(huì)使試塊硬化后殘余水增多，直接導(dǎo)致毛細(xì)孔增多，這種弱堆積缺陷必將導(dǎo)致強(qiáng)度下降。此外，制備過(guò)程中發(fā)現(xiàn)拌合水量增大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的氣泡，這也會(huì)一定程度上降低灰渣磚的強(qiáng)度。另一方面，堿激發(fā)劑用量過(guò)少時(shí)（15%左右），激發(fā)效果不明顯，灰渣磚的抗壓強(qiáng)度也會(huì)降低，因此，激發(fā)劑的最佳用量為膠凝材料質(zhì)量的25%～30%。此時(shí)，灰渣用量達(dá)到40%，可制備出抗壓強(qiáng)度大于10 MPa的灰渣磚。

3.5 密度與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

圖6為灰渣磚（未摻砂）的抗壓強(qiáng)度與密度之間的關(guān)系。

圖6 灰渣磚密度與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

從圖6可以看出，灰渣磚抗壓強(qiáng)度與密度之間具有很好的線性關(guān)系。通過(guò)線性回歸分析得到：灰渣磚抗壓強(qiáng)度與密度可以用線性函數(shù)Y=-45.82+34.57X來(lái)表示，相關(guān)系數(shù)為0.91。

分析結(jié)果表明，灰渣磚密度與抗壓強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系，即密度越大，抗壓強(qiáng)度越高。這是由于試塊的密度越大，在未使用骨料的情況下，其密實(shí)性越好，內(nèi)部孔隙越少，即試塊的初始缺陷越少，這就導(dǎo)致了抗壓強(qiáng)度的提高。密度越小，試塊內(nèi)部氣孔越多，試塊內(nèi)部布滿大量氣孔，如圖7所示。這就使得試塊密度降低，這些氣孔在試塊承壓時(shí)成為薄弱面，進(jìn)而成為裂縫的初始點(diǎn)，并造成內(nèi)部裂縫的快速發(fā)展，強(qiáng)度降低。

圖7 試塊內(nèi)剖面

4 結(jié)論

（1）使用細(xì)集料灰渣制備的灰渣磚抗壓強(qiáng)度高于使用粗集料灰渣的灰渣磚。隨著灰渣摻量的增多，灰渣磚的抗壓強(qiáng)度隨之下降。

（2）水玻璃的模數(shù)越?。ù笥?.2）（SiO2濃度的越?。┛箟簭?qiáng)度越高。作為堿激發(fā)的水玻璃的模數(shù)應(yīng)低于1.5，最佳模數(shù)為1.2～1.4。激發(fā)劑最佳用量為膠凝材料質(zhì)量的25%～30%。

（3）灰渣磚密度越大，抗壓強(qiáng)度越高。密度與抗壓強(qiáng)度之間具有較好的線性關(guān)系。

（4）試驗(yàn)中制備出了抗壓強(qiáng)度大于10 MPa的灰渣磚，并且灰渣用量達(dá)到40%，是對(duì)垃圾焚燒灰渣的建筑材料資源化利用的有效手段。

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Experimental study on the behavior of unfired and free-pressure brick made from raw household waste slag

TAO Yi1，ZHANG Haizhen1，SHI Qingxuan1，XUE Feng2
（1.School of Civil Engineering，Xi'an University of Architecture and Technology，Xi'an 710055，China；
2.PLA General Logistics Department Construction Engineering Research Institute，Xi'an 710032，China）

This paper proposed simplifiedpreparation technology of Three-free brick（burning-free，pressure-free，grinding-free）which prepared by using original aggregate rather than grinding slag and using cement and quicklime as raw material，sodium silicate and sodium hydroxide asalkali excitant.The effects of several key parameters such as different mix proportion，sodium silicate modulus，alkali excitant content on the compression strength of brick has been investigated.The results indicate that the raw slag can be used as component of brick instead of grinded slag particles.The fine slag ash leads to a higher strength than the coarse slag ash.The more content of slag used to produce brick results in the lower strength.The optimal modulus of sodium silicate has been identified as 1.2 to 1.4 in the test，but overmuch dosage will result in rapid decrease of strength.The proportional relationship between density and strength was studied and a linear model was proposed.

raw household waste slag，original aggregate，ash brick，compressive strength，density

TU522.1

A

1001-702X（2016）11-0034-05

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51408478）；陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目（14KJ1437）

2016-03-28；

2016-05-10

陶毅，男，1982年生，陜西西安人，博士，副教授，研究方向：綠色建筑材料。