生活垃圾焚燒爐渣集料基本性質(zhì)及其對水泥穩(wěn)定碎石性能影響的研究

蘇 凱 ，張緒國

（1.上海市市政規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市200031；2.上海城投研究總院，上海市200031）

0 引 言

目前，城市生活垃圾清運(yùn)量逐年上升，中國城市環(huán)境衛(wèi)生協(xié)會(huì)2016 年統(tǒng)計(jì)，我國每年產(chǎn)生近10 億t垃圾，其中生活垃圾產(chǎn)生量約4 億t，建設(shè)垃圾5 億t左右，此外，還有餐廚垃圾1 000 萬t 左右。處理城市生活垃圾的主要方法主要有三種[1-3]，分別為填埋法、堆肥法以及焚燒法。雖然填埋法和堆肥法處理成本低廉，技術(shù)要求低下，但它們都有一個(gè)共同的缺點(diǎn)——占地面積巨大。在城市生活垃圾日益增多，土地資源也日益緊張的形勢下，現(xiàn)行的填埋、堆肥等處理方法已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足處理需求。焚燒法在垃圾燃燒同時(shí)還能用于火力發(fā)電，實(shí)現(xiàn)能量回收，并且垃圾燃燒的主要副產(chǎn)物——爐渣[4-7]，具有一定的強(qiáng)度、級配以及水化特性，經(jīng)過處理之后可以代替部分天然集料應(yīng)用于道路工程中。

為了探明爐渣集料代替天然集料應(yīng)用于道路工程中的可能性，范曉平、邢介明、童琳等人[8]采用SEM 電鏡掃描了爐渣，發(fā)現(xiàn)焚燒爐渣中Ca、Fe、Si、Al 等元素含量較高，與天然集料的元素組成十分相似。章驊、何品晶、邵立明等人[9]研究了爐渣的浸出特性，發(fā)現(xiàn)爐渣的重金屬浸出毒性遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)，屬于一般固體廢棄物，回收再利用時(shí)，對環(huán)境危害小，爐渣中的重金屬元素在自然條件下較為穩(wěn)定，不會(huì)對環(huán)境造成較大危害。王琎晨[10]發(fā)現(xiàn)，摻爐渣的瀝青混合料有著良好的應(yīng)用前景，但目前投入實(shí)際應(yīng)用較少，主要原因在于推廣時(shí)會(huì)遇到以下三種問題：（1）混合料的設(shè)計(jì)瀝青用量偏高（0～9.5 mm 爐渣摻量每增加10.0%，設(shè)計(jì)瀝青用量增加約0.7%）、（2）爐渣利用率偏低（15%以下）；（3）爐渣瀝青混合料的性能不甚穩(wěn)定。劉棟，李立寒，崔華杰[11]等人發(fā)現(xiàn)，水泥穩(wěn)定爐渣碎石的抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、抗壓回彈模量、抗凍性均低于水泥穩(wěn)定碎石。

綜上，爐渣集料無毒無害，并且在物理特性以及化學(xué)特性上類似于天然集料。爐渣產(chǎn)量極大，如果能代替天然集料摻入瀝青混合料或者水泥穩(wěn)定碎石混合料中，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，實(shí)現(xiàn)固體廢棄物的再利用，符合綠色經(jīng)濟(jì)環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展理念。然而爐渣集料的基本性能不如天然集料，并且變異性較大。在瀝青混凝土道路結(jié)構(gòu)中，基層一般為水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層，性能要求相對于面層更低，更加適合摻加爐渣集料[12]，而爐渣集料基本性能對水泥穩(wěn)定碎石的強(qiáng)度性能的影響尚不明晰，阻礙了爐渣集料在道路工程中的應(yīng)用推廣。為了更好地實(shí)現(xiàn)爐渣的再利用，本文研究分析了爐渣水泥穩(wěn)定碎石的擊實(shí)特性與強(qiáng)度特征，并采用相關(guān)性分析的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，研究了爐渣基本性能對爐渣水泥穩(wěn)定碎石性能的影響。

1 試驗(yàn)材料

1.1 爐渣集料

水泥穩(wěn)定爐渣碎石采用源自不同產(chǎn)地的2 種干法爐渣集料（G1、G2）和 5 種濕法爐渣集料（S1、S2、S3、S4、S5），各爐渣集料的級配組成見表1。

表1 爐渣集料篩分試驗(yàn)結(jié)果

1.2 石灰?guī)r集料

水泥穩(wěn)定爐渣碎石采用4 檔石灰?guī)r集料。由于水泥穩(wěn)定爐渣碎石制樣時(shí)間存在差異，因此，水泥穩(wěn)定干法爐渣碎石和水泥穩(wěn)定濕法爐渣碎石采用的石灰?guī)r集料的級配略有差異。水泥穩(wěn)定干法爐渣碎石采用的石灰?guī)r集料的粒級為：0~4.75 mm、4.75~9.5 mm、9.5~19 mm 和19~31.5 mm；水泥穩(wěn)定濕法爐渣碎石采用的石灰?guī)r集料的粒級為：0~3 mm、3~5 mm、5~15 mm 和15~25 mm。各檔石灰?guī)r集料的級配組成見表2。

1.3 水泥

水泥穩(wěn)定爐渣碎石采用江蘇太倉生產(chǎn)的海螺牌32.5 級復(fù)合硅酸鹽水泥。水泥用量為4.5%。

2 試驗(yàn)方案

2.1 爐渣集料基本性能試驗(yàn)

爐渣集料的密度、吸水率、壓碎值和燒失量等基本性能參照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2005）[13]中的相應(yīng)試驗(yàn)方法執(zhí)行。

2.2 擊實(shí)試驗(yàn)

水泥穩(wěn)定爐渣碎石中爐渣集料的摻量分別為0%、10%和30%。依據(jù)《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51—2009）[14]中的擊實(shí)法試驗(yàn)T0804—1994 確定水泥穩(wěn)定爐渣碎石的最佳含水率和最大干密度。

2.3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

水泥穩(wěn)定爐渣碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度參照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51—2009）[14]中相應(yīng)試驗(yàn)方法 T0805—1994 執(zhí)行。根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，以98%壓實(shí)度成型試件。試樣尺寸為Φ10 cm×10 cm，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生條件下養(yǎng)生28 d 后，進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的測試。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，按式（1）計(jì)算水泥穩(wěn)定爐渣碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

式中：Rc為試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，MPa；P 為試件破壞時(shí)的最大壓力，N；A 為試件的截面積，mm2。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 爐渣集料基本性能試驗(yàn)結(jié)果

表3 為爐渣集料的表觀相對密度、吸水率、壓碎值和燒失量試驗(yàn)結(jié)果。由表3 可見，四種爐渣集料的表觀相對密度分布在2.270~2.428 之間，明顯小于天然集料的表觀相對密度。爐渣集料的吸水率為4.00%~7.94%，變異系數(shù)為0.293。爐渣集料的吸水率明顯高于天然集料，這主要是由于爐渣集料中含有多孔熔渣和高吸水性的磚石所致。同時(shí)，不同產(chǎn)地的爐渣集料的物質(zhì)組成（玻璃、陶瓷、磚石、熔渣等比例）存在差異，這也造成了不同產(chǎn)地爐渣集料吸水率的變異性。四種爐渣集料的壓碎值分布在29.7%~41.7%，明顯高于天然集料，這也是由于爐渣集料中含有易碎的玻璃、陶瓷等物質(zhì)所致。爐渣集料的600℃燒失量分布在2.10%~9.07%、950℃燒失量分布在6.16%~18.04%，表明爐渣集料中含有較多的有機(jī)質(zhì)、礦物成分和碳酸鹽等。

表2 石灰?guī)r集料篩分試驗(yàn)結(jié)果

表3 爐渣集料的基本性能試驗(yàn)結(jié)果

3.2 水泥穩(wěn)定爐渣碎石配合比設(shè)計(jì)與擊實(shí)特性

水泥穩(wěn)定爐渣碎石的級配組成曲線如圖1 所示。水泥穩(wěn)定爐渣碎石的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果見表4。由表4 可見，與水泥穩(wěn)定碎石相比，水泥穩(wěn)定爐渣碎石的最佳含水率增加、最大干密度減小，且隨著爐渣集料摻量的增加，水泥穩(wěn)定爐渣碎石的最佳含水率進(jìn)一步增大、最大干密度進(jìn)一步減小。這主要是由于爐渣集料的密度小于天然集料、吸水率高于天然集料所致。當(dāng)以不同產(chǎn)地爐渣集料制備水泥穩(wěn)定爐渣碎石時(shí)，水泥穩(wěn)定爐渣碎石的擊實(shí)特性存在一定的差異。當(dāng)摻加10%爐渣集料時(shí)，水泥穩(wěn)定爐渣碎石最佳含水率的變異系數(shù)為0.092、最大干密度的變異系數(shù)為0.007；當(dāng)摻加30%爐渣集料時(shí)，水泥穩(wěn)定爐渣碎石最佳含水率的變異系數(shù)為0.195、最大干密度的變異系數(shù)為0.027。這主要是由于不同產(chǎn)地爐渣集料的密度、吸水率存在差異所致。

3.3 水泥穩(wěn)定爐渣碎石強(qiáng)度特征

圖1 水泥穩(wěn)定爐渣碎石級配組成曲線

表4 水泥穩(wěn)定爐渣碎石擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

水泥穩(wěn)定爐渣碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果如圖2 所示。由圖2 可見，水泥穩(wěn)定爐渣碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度一般均小于對照組水泥穩(wěn)定碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。同時(shí)，隨著爐渣集料摻量的增加，水泥穩(wěn)定爐渣碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)一步減小，這主要是由于爐渣集料的壓碎值較高、爐渣集料與水泥間的粘附性能較差所致。當(dāng)摻加干法爐渣集料時(shí)，水泥穩(wěn)定爐渣碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯高于摻加濕法爐渣集料的水泥穩(wěn)定爐渣碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。這主要是由于干法爐渣集料和濕法爐渣集料的處理工藝不同，二者的強(qiáng)度性能和膠凝性能的差異所致。

對于干法爐渣集料而言，摻加G1 爐渣時(shí)的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度略高于摻加G2 爐渣的強(qiáng)度。當(dāng)G1 爐渣摻量為10%和30%時(shí)，水泥穩(wěn)定爐渣碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度依此為對照組水泥穩(wěn)定爐渣碎石的89%和77%。對于濕法爐渣集料而言，摻加S2 爐渣時(shí)的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度略高于摻加S1 爐渣的強(qiáng)度。當(dāng)S2 爐渣摻量為10%和30%時(shí)，水泥穩(wěn)定爐渣碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度依此為對照組水泥穩(wěn)定爐渣碎石的80%和62%。

3.4 水泥穩(wěn)定爐渣碎石性能與爐渣集料基本性能的關(guān)聯(lián)性分析

3.4.1 擊實(shí)特性

圖3 為水泥穩(wěn)定爐渣碎石最佳含水率與爐渣集料基本性能的相關(guān)性分析。如圖3 所示，水泥穩(wěn)定爐渣碎石的最佳含水率與爐渣集料的表觀相對密度、吸水率呈正相關(guān)關(guān)系，與爐渣壓碎值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果（DZ：對照組水泥穩(wěn)定碎石）

圖3 爐渣水泥穩(wěn)定碎石最佳含水率與爐渣集料基本性能的相關(guān)性分析

不同爐渣集料摻量下，水泥穩(wěn)定爐渣碎石的最佳含水率與爐渣集料的表觀相對密度和壓碎值的相關(guān)性較低，這表明，爐渣集料的表觀相對密度和壓碎值不是影響水泥穩(wěn)定爐渣碎石最佳含水率的關(guān)鍵因素。相反，不同爐渣集料摻量下，水泥穩(wěn)定爐渣碎石的最佳含水率與爐渣集料的吸水率具有很好的相關(guān)性（R2＞0.6）。當(dāng)摻加10%爐渣集料時(shí)，爐渣吸水率與水泥穩(wěn)定爐渣碎石的最佳含水率的相關(guān)系數(shù)為0.640 9；當(dāng)摻加30%爐渣集料時(shí)，爐渣吸水率與水泥穩(wěn)定爐渣碎石的最佳含水率的相關(guān)系數(shù)增加到0.803 9。這表明，隨著爐渣集料摻量的增加，水泥穩(wěn)定爐渣碎石的最佳含水率與爐渣集料吸水率的關(guān)聯(lián)性越來越高。此外，隨著爐渣集料摻量的增加，爐渣集料吸水率對水泥穩(wěn)定爐渣碎石的最佳含水率的影響逐漸增大，在圖中表現(xiàn)為相關(guān)性曲線斜率的增加。

3.4.2 強(qiáng)度特性

水泥穩(wěn)定爐渣碎石強(qiáng)度性能的差異與爐渣集料自身的密度、壓碎值、吸水率等基本性能指標(biāo)具有一定關(guān)系。這種相關(guān)性分析有利于更好的明晰爐渣集料基本性能對水泥穩(wěn)定爐渣碎石強(qiáng)度的影響。由于G1、G2 和S1、S2 兩組所采用的石灰?guī)r不同，造成對照組水泥穩(wěn)定碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度相差較大。為了消除石灰?guī)r集料對混合料強(qiáng)度性能的影響，將水泥穩(wěn)定爐渣碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別除以相應(yīng)對照組水泥穩(wěn)定碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度得到相對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，并用該指標(biāo)進(jìn)行后續(xù)與爐渣集料基本性能的相關(guān)性分析。

圖4 為水泥穩(wěn)定爐渣碎石的相對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與爐渣集料基本性能的相關(guān)性分析結(jié)果。如圖4所示，水泥穩(wěn)定爐渣碎石的相對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與爐渣集料的燒失量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。爐渣的600℃燒失量和950℃燒失量可以表征爐渣集料的有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽的含量。這表明，爐渣集料中的有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽的存在有利于提高水泥穩(wěn)定爐渣碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

水泥穩(wěn)定爐渣碎石的相對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與爐渣集料的表觀相對密度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.7 以上。這表明隨著爐渣集料密度的增加，水泥穩(wěn)定爐渣碎石的相對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸增大。爐渣集料密度的增加更有利于水泥穩(wěn)定爐渣碎石形成密實(shí)的結(jié)構(gòu)，有利于其強(qiáng)度的形成。

水泥穩(wěn)定爐渣碎石的相對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與爐渣集料的吸水率呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.6以上。這表明隨著爐渣集料吸水率的增加，水泥穩(wěn)定爐渣碎石的相對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸增大。爐渣集料中的熔渣成分具有一定的化學(xué)活性，在水的參與下可以產(chǎn)生水化反應(yīng)，具有明顯的膠凝現(xiàn)象。隨著爐渣集料吸水率的增加，爐渣集料在水的參與下的水化反應(yīng)更劇烈，更有利于水泥穩(wěn)定爐渣碎石強(qiáng)度的形成。

圖4 水泥穩(wěn)定爐渣碎石強(qiáng)度特性與爐渣集料基本性能的相關(guān)性分析

水泥穩(wěn)定爐渣碎石的相對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與爐渣集料的壓碎值呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.8以上。這表明隨著爐渣集料壓碎值的增加，水泥穩(wěn)定爐渣碎石的相對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸減小。爐渣集料的壓碎值顯著高于天然集料，因此爐渣集料的壓碎值大小是影響水泥穩(wěn)定爐渣碎石無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。爐渣集料是由玻璃、陶瓷、磚石、熔渣等成分組成的復(fù)合材料。當(dāng)爐渣集料中玻璃、陶瓷等易碎物質(zhì)的含量增加時(shí)，爐渣集料的壓碎值明顯增加。這會(huì)導(dǎo)致水泥穩(wěn)定爐渣碎石的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度明顯減小，也會(huì)降低其與水泥間的黏結(jié)性能。

4 結(jié) 論

（1）爐渣集料摻量越高，水泥穩(wěn)定爐渣碎石的最佳含水率越大、最大干密度越??；

（2）爐渣集料的摻量和處理工藝會(huì)顯著影響水泥穩(wěn)定爐渣碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。隨著爐渣集料摻量的增加，水泥穩(wěn)定爐渣碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸減小。當(dāng)摻加干法爐渣時(shí)，水泥穩(wěn)定爐渣碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度高于摻加濕法爐渣的水泥穩(wěn)定爐渣碎石的強(qiáng)度；

（3）爐渣集料的吸水率會(huì)顯著影響水泥穩(wěn)定爐渣碎石的最佳含水率，而爐渣集料的表觀相對密度和壓碎值對水泥穩(wěn)定爐渣碎石的最佳含水率無明顯影響；

（4）基于相關(guān)性分析，水泥穩(wěn)定爐渣碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與爐渣集料的表觀相對密度、吸水率和燒失量呈正相關(guān)關(guān)系，水泥穩(wěn)定爐渣碎石的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與爐渣集料的壓碎值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。