垃圾焚燒灰渣在土木工程中的應(yīng)用

張宏洲 李亞楠 喬艷紅 譚永波

【摘 ? 要】 ? 垃圾焚燒發(fā)電是有效的垃圾減量化、資源化的手段，垃圾焚燒灰渣是垃圾焚燒的產(chǎn)物，包括底渣（BA）和飛灰（FA）。綜述分析垃圾焚燒灰渣的具體工程性質(zhì)及其作為建筑材料的性能，主要包括：垃圾焚燒灰渣的基本性質(zhì);灰渣在熱拌瀝青（HMA）混合料中的應(yīng)用;垃圾焚燒灰渣在水泥和混凝土中的應(yīng)用;垃圾焚燒灰渣在巖土工程中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】 ? 垃圾焚燒灰渣;土木工程;建筑材料

Application of Municipal Solid Waste Incineration（MSWI） Ashes in civil engineering---A Review

Zhang Hongzhou1，Li Yanan2， Qiao Yanhong1 ，Tan Yongbo1

（ 1.Langfang Noamal University ， Langfang 065000， China ; 2.Hebei Sanqi Project Management Co. Ltd.，Langfang 065000， China ）

[Abstract] ?Waste incineration power generation is an effective means of waste reduction and resource utilization . Waste incineration ash is the product of waste incineration ， including bottom ash （ BA ） and fly ash （ FA ） . This review analyzes and discusses the specific engineering properties of waste incineration ash and its performance as building materials ， the main contents include ： the basic properties of waste incineration ash ; Application of ash in hot mix asphalt （ HMA ） mixture ; Application of waste incineration ash in cement and concrete ; Application of waste incineration ash in geotechnical engineering .

[Key words] ?municipal solid waste incineration（MSWI） ashes; civil engineering; construction materials

〔中圖分類號〕 ?TU521 ? ? ? ? ? ?〔文獻(xiàn)標(biāo)識碼〕 ?A ? ? ? ? ? ? 〔文章編號〕 1674 - 3229（2021）03- 0000 - 00

1 ? ? 概述

傳統(tǒng)的垃圾處理方式包括填埋、焚燒、堆肥等。垃圾焚燒具有占地少、效率高、效果顯著、污染小等特點，所以在國內(nèi)外被廣泛關(guān)注。我國采用焚燒技術(shù)處理垃圾的比重逐年遞增，處理總量已由2012年總量的21%上升至2016年的41%，目前焚燒法已經(jīng)成為處理垃圾的重要方法。

垃圾焚燒目前通常使用流化床型焚燒爐。生活垃圾經(jīng)過焚燒處理之后，產(chǎn)生的殘余物統(tǒng)稱為混合灰渣。垃圾焚燒后留在爐床上的殘余物呈顆粒狀稱為底渣（BA），從煙氣凈化系統(tǒng)收集的含有重金屬及有機(jī)污染物的細(xì)顆粒廢棄物稱為飛灰（FA）。

2 ? ? ?垃圾焚燒灰渣的基本性質(zhì)

2.1 ? 垃圾焚燒底渣

垃圾焚燒底渣是垃圾焚燒后的主要產(chǎn)物，占垃圾焚燒后總質(zhì)量的85%-95%。垃圾焚燒底渣是一種多孔、淺灰色、粗糙的砂狀材料，主要含有玻璃、陶瓷、礦物、黑色和有色金屬材料，也含有少量的未燃燒材料和有機(jī)物[1]。主要的化合物是氧化物、氫氧化物和碳酸鹽。光譜分析[2]顯示，底渣的主要化合物（>10 wt.%）是SiO2、CaO、Fe2O3和Al2O3，而Na2O、K2O、MgO和Tio2所占比重較小（0.4-5.0 wt.%），可見在底渣中氧化物占主導(dǎo)地位。其中Sio2是最主要的化合物，占比高達(dá)49%[3]。垃圾焚燒底渣中含量較多的元素為Ca、Si、Fe、Al，此外還含有少量的Zn、Cu、Pb、Cr、Ni、Cd、As等重金屬元素，其pH值在10.5 ～ 12.2之間。因為底渣中存在一定的鋁，在拌制混凝土中可能會與混凝土發(fā)生發(fā)應(yīng)，生成氫氣，影響混凝土的密實度，對底渣在混凝土中的應(yīng)用造成了一定的影響。

垃圾焚燒底渣具有較高的吸水能力，其吸水率在2.4%到15.0%之間，平均值為9.7%[10]。與砂和石子相比，垃圾焚燒底渣是一種相對輕質(zhì)的材料。垃圾焚燒底渣顆粒級配情況如圖1所示[4]。

雖然垃圾焚燒底渣中含有含有一定量的重金屬，但由于其相對較低的浸出性，通常被認(rèn)為是一種良性材料。底渣熟化進(jìn)一步降低了CO2與水反應(yīng)釋放重金屬的活性和潛力，在底渣中形成穩(wěn)定的絡(luò)合物。此外，熟化可以將金屬Al轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的Al2O3，降低生成氫氣的可能性。因此，底渣可以通過熟化提高其質(zhì)量，使其成為一種適用的的建筑材料。

2.2 ? 垃圾焚燒飛灰

垃圾焚燒飛灰約占垃圾焚燒產(chǎn)物的3%，以細(xì)顆粒物和灰質(zhì)外觀為特征，呈灰色或深灰色。垃圾焚燒飛灰樣SEM圖像如圖2所示。其密度低于用于路堤建設(shè)的其他填筑材料，其密度典型值為1.7 ～ 2.4 kg/m3，砂土的密度典型值為2.65 kg/m3。此外，在975℃下飛灰的燒失量達(dá)到13%[5]。

3 ? ? 灰渣在熱拌瀝青（HMA）混合料中的應(yīng)用

3.1 ? 實驗研究

垃圾焚燒底渣和飛灰都已經(jīng)被研究用于HMA混合物中。2019年的試驗研究表明灰渣的加入使?jié)B透系數(shù)、相位角（δ）和蠕變率（m）減小，提高了軟化點、復(fù)數(shù)剪切模量（G *）、車轍因子（G*/sinδ）、瀝青的蠕滑剛度（S），這表明飛灰具有顯著改善瀝青粘結(jié)劑的潛力[6]。工程師對底渣在路面工程用的應(yīng)用進(jìn)行了研究，將瀝青混合料中80%的天然細(xì)骨料替換成底渣，其仍具有良好的穩(wěn)定性和間接抗拉強(qiáng)度。垃圾焚燒灰渣的現(xiàn)場研究表明，底渣在瀝青路面系統(tǒng)中代替細(xì)集料具有相當(dāng)大的應(yīng)用潛力。底渣作為瀝青混合料的填充材料，能夠可靠地提高瀝青混合料的彈性模量、抗拉強(qiáng)度和抗裂能力。在佛羅里達(dá)的一項研究，評估了含有底渣的熱拌瀝青混合物的力學(xué)性能，包括穩(wěn)定性、流動性和間接抗拉強(qiáng)度。此外，利用馬歇爾配合比研究了底渣的最佳瀝青含量和最佳替代率。研究表明，用底渣替代20%的細(xì)骨料可使熱拌瀝青混合物得性能達(dá)到最佳。當(dāng)替代率超過20%時，熱拌瀝青混合料的壓縮性能、車轍、柔度都有所增加，但是需要將瀝青用量提高3%至5%[7]。耐車轍性能的研究表明，底渣的耐車轍性能相對較低，因此，建議用底渣替代至多10%的面層混合物和至多20%的基礎(chǔ)層混合物。其他研究主要關(guān)注動態(tài)蠕變、水敏感性和低溫結(jié)合性能，研究表明，底渣提高了抵抗永久變形的能力，并在替代率高達(dá)30%的骨料的情況下提供了令人滿意的性能。同時底渣含量顯著影響熱拌瀝青混合物的蠕變和粘結(jié)性性能。

熱拌瀝青混合物的抗拉強(qiáng)度受底渣和瀝青之間界面區(qū)彈性模量的影響，而彈性模量取決于底渣的骨料類型。因此，可以通過選擇BA的類型和替代比來調(diào)節(jié)拉伸強(qiáng)度。60%的底渣替代率可以在不引起脆性或斷裂問題的情況下獲得了最大的抗拉強(qiáng)度提高。底渣提高了混合物的抗拉強(qiáng)度，同時使混合料具有足夠的穩(wěn)定性、高流量和低礦集值空隙率。底渣提高了瀝青粘結(jié)劑與骨料之間的粘附力，提高了穩(wěn)定性和間接抗拉強(qiáng)度

限制垃圾焚燒灰渣使用的關(guān)鍵原因之一是其重金屬含量。然而，多項研究表明，瀝青粘結(jié)劑在不同的混合料設(shè)計中對垃圾焚燒灰渣中的重金屬組分具有固化穩(wěn)定作用。因此對于垃圾焚燒灰渣，可以根據(jù)灰渣的化學(xué)成分并經(jīng)過適當(dāng)處理，部分取代熱拌瀝青混合物中的細(xì)骨料在瀝青路面系統(tǒng)中使用。

3.2 ? 現(xiàn)場應(yīng)用

垃圾焚燒灰渣的現(xiàn)場應(yīng)用主要應(yīng)用于瀝青路面系統(tǒng)，此外，也可用于停車場、河道和跑道。在2017年的一篇論文中，Sormunen和Kolisoja建議使用底渣作為瀝青路面的底層結(jié)構(gòu)層，而不是磨耗層，以提高道路系統(tǒng)的耐久性[8]。

在一些現(xiàn)場應(yīng)用中，使用底渣作為熱拌瀝青混合物的替代集料，從短期（2 - 3年）到長期（20年）的監(jiān)測期內(nèi)都取得了可靠的性能。在這些情況下，瀝青對底灰和飛灰都進(jìn)行了有效的包裹。多個案例研究了灰渣對粗骨料的替代，當(dāng)替代率在50%-100%時，混合料具有良好的性能。當(dāng)細(xì)骨料替換率達(dá)到10%后，其性能與標(biāo)準(zhǔn)混合料相同，當(dāng)替代率超過10%，混合物的現(xiàn)場性能會有所降低。雖然在熱拌瀝青混合料中使用底渣作為粗骨料和細(xì)骨料的替代品，總體上取得了可接受的性能，但在少數(shù)情況下，其性能較差，需重新設(shè)計。

此外，底渣用于瀝青路面系統(tǒng)的磨耗層，可產(chǎn)生較大的摩擦力。通常，當(dāng)?shù)自奶娲蔬_(dá)到20%時，混合物不僅具有良好的骨料結(jié)構(gòu)，能夠抵抗壓縮、車轍和柔軟性，而且還能增強(qiáng)力學(xué)性能。

4 ? ? 垃圾焚燒灰渣在水泥和混凝土中的應(yīng)用

4.1 ? 水泥生產(chǎn)（水泥熟料）

灰渣已被研究作為水泥熟料的原料的代品，在燒結(jié)前可替代高達(dá)100%的原料，從而生成灰渣熟料。在水泥熟料生產(chǎn)過程中使用灰渣的主要原因是其化學(xué)成分與水泥熟料原料類似，包括石灰（CaO）、二氧化硅（SiO2）、氧化鋁（Al2O3）、氧化鐵/赤鐵礦（Fe2O3）和硫酸鈣（CaSO4）[9]。根據(jù)既有的研究，以下幾種方法可以利用灰渣生產(chǎn)水泥熟料。一是用灰渣直接替換水泥熟料的原材料。雖然灰渣可能會經(jīng)過篩分和干燥，但其化學(xué)成分不會改變。灰渣的物理和化學(xué)性質(zhì)因焚燒工藝的不同而不同。二是在水泥熟料生產(chǎn)中使用垃圾焚燒灰渣作為某些原材料的替代品之前，對其進(jìn)行清洗，可降低有害成分如氯鹽、堿、硫酸鹽和重金屬的含量。三是對垃圾焚燒灰渣進(jìn)行化學(xué)或熱處理以去除潛在的有害元素。四是將添加劑與灰渣和水泥熟料原料結(jié)合，作為SiO2、Al2O3、CaO等的緩沖劑。

由于不同來源的灰渣的化學(xué)成分不同，目前在水泥生產(chǎn)中使用灰渣作為添加劑的質(zhì)量控制具有較大難度。但上述對灰渣化學(xué)成分的研究表明，灰渣在生產(chǎn)水泥中作為添加劑具有相當(dāng)大的潛力，因此，通過對灰渣進(jìn)行深入的成分分析，建立質(zhì)量控制準(zhǔn)則，其可在建筑業(yè)中廣泛應(yīng)用。

4.2 ? 替代水泥

由水泥和輔助膠凝材料（SCMs）組成的混合水泥漿在建筑業(yè)被廣泛采用。用SCMs替代全部或部分水泥，可以減少能源消耗，降低成本，減少二氧化碳的排放。經(jīng)過科學(xué)設(shè)計的水泥漿有較好的強(qiáng)度特性和良好的和易性。因此，許多研究人員試圖將灰渣作為SCMs混入水泥中?；以话愫休^高的氧化鈣和二氧化硅，這是硅酸鹽水泥的主要化學(xué)成分。An等人（2017）比較了SCMs、底渣和飛灰的微觀結(jié)構(gòu)[10]。圖3給出了SCMs、底渣（磨削后）和飛灰的比較。底渣具有高孔隙度，以及結(jié)晶度和棱角，有小泡連接到顆粒的外部。飛灰呈現(xiàn)出平面、拉長、角形以及燒結(jié)粒子團(tuán)簇。

目前有如下幾種常見的制備灰渣拌水泥的方法，一是將水泥與原狀灰渣混合;二是在灰渣與水泥混合之前對其進(jìn)行預(yù)洗或磁選，這種方法可以去除降低水泥性能的氯化物、堿和金屬成分;三是在灰渣與水泥混合之前，通過機(jī)械、化學(xué)或熱處理的方式來改善灰渣的性能。

4.3 ? 混凝土拌合料

灰渣作為水泥或骨料的替代品已用于混凝土生產(chǎn)中。目前混凝土行業(yè)已廣泛采用輔助膠凝材料和再生骨料作為水泥和天然骨料的替代品。粉煤灰、硅灰、磨細(xì)高爐礦渣和偏高嶺土是常用的輔助膠凝材料，其中粉煤灰的使用最為普遍。根據(jù)美國粉煤灰協(xié)會的報告，美國每年大約生產(chǎn)3820萬噸粉煤灰，其中一半（約1920萬噸）在水泥/混凝土中使用。同樣，垃圾焚燒灰渣作為輔助膠凝材料和混凝土中骨料的替代品具有應(yīng)用潛力。

在混凝土中使用灰渣作為水泥或骨料的替代品方面已經(jīng)有了大量嘗試。由于細(xì)骨料和粗骨料占混凝土總體積的70-80%，用灰渣替代部分骨料是可行的的?；以哂休^高的吸水率，因此，為了保證和易性，混凝土的水灰比必須相應(yīng)提高。但是，與普通混凝土相比，大多數(shù)灰渣拌制的混凝土坍落度較小，在采用灰渣拌制的混凝土配合比設(shè)計中，水泥的替代率相對較低，達(dá)到50%，骨料的替代率達(dá)到100%。大多數(shù)灰渣拌制的混凝土的抗壓強(qiáng)度低于普通混凝土。

關(guān)于垃圾焚燒灰渣在水硬性膠凝復(fù)合材料中的應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的研究，結(jié)果表明，灰渣應(yīng)用于民用基礎(chǔ)設(shè)施，如道路基礎(chǔ)中具有相當(dāng)大的應(yīng)用潛力。然而，目前鮮見涉及現(xiàn)場應(yīng)用短期和長期性能監(jiān)測的研究報告。

一些金屬元素的存在，特別是金屬鋁，在混凝土中的垃圾焚燒灰渣產(chǎn)生氫氣。在高PH值條件下，金屬元素會被部分腐蝕。因此，一些堿金屬（如鋁）能在混凝土中釋放出氫氣。在混凝土中產(chǎn)生的氣體會引起混凝土的體積膨脹，增加混凝土的孔隙率。氣體的存在最終使混凝土強(qiáng)度降低。因此，研究人員提出用酸或堿水預(yù)洗灰渣。通過預(yù)洗滌過程，可以穩(wěn)定或部分消除灰渣中的金屬元素，然后再將其用于混凝土中[11]。

5 ? ? 垃圾焚燒灰渣在巖土工程中的應(yīng)用

為了研究灰渣作為鋪填路基、底基層巖土材料的性能，分別對底渣和飛灰行了試驗，以確定其物理性能（含水量、表觀密度和體積密度、結(jié)晶度等）和工程性能（粒徑分布情況、耐磨和抗沖擊性能等）。研究結(jié)果顯示，與飛灰相比底渣更適合興建道路。Huang等（2020）將MSWI BA作為HMA路面路基材料的替代品，結(jié)果表明HMA層底部的拉應(yīng)變減小，路基層頂部的壓應(yīng)變減小。在法國，底渣被用作無機(jī)結(jié)合料基層，路面已經(jīng)良好使用了20年，根據(jù)彎沉儀測定，其CBR值為大于120%。在美國新罕布什爾州，底渣也被用作瀝青穩(wěn)定基層的骨料替代品，一項為期兩年的研究表明，相對恒定的熱拌配方滿足了規(guī)范要求，瀝青有效地封裝了底渣。在德克薩斯州的休斯頓，底渣被用作瀝青穩(wěn)定的基礎(chǔ)層，面層采用熱拌瀝青混合料，根據(jù)三年的監(jiān)測，該試驗段性能優(yōu)異，表面層只有少量裂縫。此外，底渣是可用作路堤和垃圾填埋場填土。Patil等人（2016）報告稱，用15%垃圾焚燒灰渣替換原土可提高道路路基的強(qiáng)度。

在黏土中添加25%的垃圾焚燒底渣能夠有效地改善其性質(zhì)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和CBR都有明顯增加。作為垃圾填埋場的填充料，底渣通常與水泥混合使用。Singh和Kumar（2017）研究了垃圾焚燒灰渣穩(wěn)定水泥作為輕質(zhì)充填材料在不同基礎(chǔ)設(shè)施（如路堤和道路路基）中的適用性。大量研究表明：垃圾焚燒灰渣可應(yīng)用于各種民用建筑領(lǐng)域，如道路、路堤、混凝土和巖土工程等。盡管其使用潛力巨大，但垃圾焚燒灰渣的使用量很少，缺乏有效的監(jiān)測數(shù)據(jù)。2020年的一項研究提出了一種選擇最佳垃圾焚燒灰渣以獲得理想路堤材料的多準(zhǔn)則決策方法[12]，但由于來自不同焚燒爐的的垃圾焚燒灰渣的成分不同，分別確定其性質(zhì)有著很大的難度。

6 ? ? 結(jié)語

垃圾焚燒灰渣在土工材料中的應(yīng)用，如道路底基層/路基和回填材料，具有良好的工程性能;不過，需考慮由于直接接觸水而釋放出來滲濾液引起的環(huán)境問題。垃圾焚燒灰渣可用于熱拌瀝青混合料，能夠替代小于20%的天然骨料。盡管近年來實際應(yīng)用的報道很少，但美國過去一個世紀(jì)的現(xiàn)場經(jīng)驗和短期/長期性能表明其具有一定的耐久性。但是，由于灰渣的高吸收特性，這種熱拌瀝青混合料需要添加更多瀝青，使成本有所增加。因為垃圾焚燒灰渣有一定的水硬性，所以在水泥/混凝土中加入垃圾焚燒灰渣有很好的開發(fā)前，其制品不僅能顯著減少有毒元素的釋放，而且還能保證結(jié)構(gòu)的完整性。從工程性能的觀點來看，垃圾焚燒灰渣也可以作為水泥熟料、輔助膠凝材料和骨料替代的原材料。

為推進(jìn)垃圾焚燒灰渣在實際的應(yīng)用，建議制定標(biāo)準(zhǔn)化的質(zhì)量控制規(guī)程，以及對來自不同來源的垃圾焚燒灰渣分進(jìn)行深入的性質(zhì)研究。

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[收稿日期] ? 2020-12-26

[作者簡介] ? 張宏洲（1981-），男，講師，廊坊師范學(xué)院建筑工程學(xué)院，研究方向：環(huán)境巖土工程。