垃圾焚燒飛灰在綠色超高性能混凝土中的應(yīng)用

李文娟，華先樂(lè)，李良偉，趙而法，侯東帥

(青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，青島 266033)

隨著城市化進(jìn)程的加快，人口不斷增加，城市生活垃圾量也隨之增加。截止2019年，垃圾清運(yùn)量達(dá)到24 206.2萬(wàn)t[1-3]，并且垃圾產(chǎn)量仍以每年8%～10%的增長(zhǎng)率增加。我國(guó)處理城市生活垃圾的技術(shù)手段主要有堆肥法、填埋法和焚燒法，焚燒法在我國(guó)的應(yīng)用最為廣泛。生活垃圾經(jīng)過(guò)焚燒處理后產(chǎn)生的固體殘?jiān)蠹s占垃圾質(zhì)量的30%～35%，其中飛灰約占固體殘?jiān)?7%，底渣大約占83%[4]。城市生活垃圾焚燒飛灰(municipal solid waste incineration fly ash,MSWI-FA)主要包含化學(xué)藥劑、煙灰和化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物，其物化性質(zhì)隨焚燒廠煙氣凈化系統(tǒng)類型的不同而有所差異[5]。城市生活垃圾焚燒技術(shù)能夠減少約90%的垃圾體積，從而降低填埋垃圾所用的空間[6]。然而，MSWI-FA中含有重金屬離子，若直接進(jìn)行填埋處理，會(huì)對(duì)填埋場(chǎng)周圍的環(huán)境造成危害[7]。

鄧芳等人[8]研究了摻加MSWI-FA對(duì)普通混凝土的影響，但是目前MSWI-FA對(duì)超高性能混凝土(ultra high performance concrete,UHPC)的影響研究仍未得到關(guān)注。UHPC是一種新型建筑水泥基復(fù)合材料[9]，其具有超高的強(qiáng)度和優(yōu)異的耐久性[10,11]，因此在工程界有廣泛的應(yīng)用前景。UHPC通常以水泥、粉煤灰、硅灰和細(xì)骨料作為原材料進(jìn)行配制而成[12]。Park等人[13]研究發(fā)現(xiàn)在UHPC中摻加平直鋼纖維可以顯著提高其抗壓強(qiáng)度。此外，相較于普通混凝土，UHPC擁有致密的微結(jié)構(gòu)和極低的滲透性，因此對(duì)MSWI-FA中重金屬離子的固化能力較強(qiáng)。綜上所述，UHPC對(duì)解決MSWI-FA中重金屬浸出問(wèn)題比普通混凝土更具優(yōu)勢(shì)[14,15]。研究MSWI-FA在UHPC中的應(yīng)用有利于緩解城市環(huán)境污染問(wèn)題。

該研究對(duì)不同硅灰摻量下飛灰UHPC的性能進(jìn)行研究。通過(guò)對(duì)力學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)和重金屬浸出濃度進(jìn)行測(cè)試分析，探究硅灰對(duì)飛灰UHPC的作用機(jī)制。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

1)水泥：取自江南小野田公司的PⅡ52.5普通硅酸鹽水泥，其主要化學(xué)成分如表1所示。

2)MSWI-FA：取自南京環(huán)境再生能源有限公司的焚燒飛灰。

3)粉煤灰：取自深圳道特科技有限公司的超細(xì)粉煤灰。

4)硅灰：取自?？蠂?guó)際貿(mào)易(上海)有限公司的95級(jí)硅灰，其主要化學(xué)成分如表1所示。

表1 水泥和硅灰的化學(xué)組成 w/%

5)鋼纖維：取自上海真強(qiáng)纖維有限公司的高強(qiáng)微細(xì)鋼纖維，其長(zhǎng)徑比為65，直徑為0.2 mm，長(zhǎng)度為13 mm，抗拉強(qiáng)度約為3 000 MPa。

6)減水劑：取自西卡(江蘇)建筑材料有限公司的聚羧酸減水劑，其減水率為30%，固含量為40%。

7)細(xì)集料：取自細(xì)度模數(shù)為2.6的天然河砂。

8)水：取自南京市本地自來(lái)水。

1.2 樣品制備

表2為UHPC的配合比，在保持MSWI-FA摻量占膠凝材料10%不變的條件下，分別以0、12.5%和25%的硅灰等質(zhì)量取代水泥，將試樣分別命名為M1、M2和M3。其中，UHPC試塊的養(yǎng)護(hù)制度是在90 ℃條件下蒸汽養(yǎng)護(hù)3 d，然后再進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3 d。UHPC試塊的制備步驟首先是將PⅡ52.5 水泥、粉煤灰、MSWI-FA、硅灰和河砂干拌混合均勻。其次，將減水劑緩慢加入自來(lái)水中，順時(shí)針攪拌得到均勻的水溶液。最后，將制備好的水溶液緩慢加入到混合好的干料中。其中，將水溶液加入混合料時(shí)，調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)式混合攪拌機(jī)的工作參數(shù)進(jìn)行混合，轉(zhuǎn)速為140 r/min下攪拌30 s，再在轉(zhuǎn)速為285 r/min下攪拌60 s；將速度調(diào)至轉(zhuǎn)速140 r/min，緩慢加入鋼纖維，再攪拌60 s。混合均勻后裝模，模具尺寸為40 mm×40 mm×160 mm。

表2 UHPC的配合比 /(kg·m-3)

1.3 方法

依據(jù)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》(GB/T17671—1999)測(cè)試UHPC的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。采用SEM表征MSWI-FA和UHPC的微觀形貌。分別采用X射線衍射分析(XRD)和X射線熒光分析(XRF)表征MSWI-FA的化學(xué)性質(zhì)。采用壓汞試驗(yàn)(MIP)測(cè)試UHPC的孔隙結(jié)構(gòu)。根據(jù)《固體廢物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法》(HJ/T 299—2007)測(cè)試UHPC中重金屬離子的浸出情況，并用電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)對(duì)濾液進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 MSWI-FA的微觀表征

表3為MSWI-FA的主要化學(xué)成分，表4為MSWI-FA中的重金屬含量。從表3中可以看出MSWI-FA的主要化學(xué)成分同水泥的主要化學(xué)成分(如表1所示)接近，均含有Fe2O3、Al2O3、CaO和SiO2，這表明MSWI-FA的化學(xué)成分與粉煤灰等膠凝材料接近。通過(guò)魯劉磊[16]等人的研究發(fā)現(xiàn)MSWI-FA的燒失量較高，說(shuō)明MSWI-FA中含有部分未燃盡的有機(jī)物和大量揮發(fā)性物質(zhì)存在。

表3 MSWI-FA的化學(xué)成分 w/%

從表4可以看出，MSWI-FA中的重金屬含量有所不同，其中Cr、Zn、 Pb、 Cu和Cd等有害重金屬離子含量占比最大。當(dāng)金屬物質(zhì)的蒸發(fā)點(diǎn)比焚燒溫度低時(shí)，重金屬物質(zhì)能夠蒸發(fā)進(jìn)入煙氣，這也與焚燒的溫度有一定關(guān)系。煙氣中的金屬物質(zhì)，隨煙氣溫度的降低凝結(jié)成均勻的小顆粒并凝結(jié)于煙氣中的煙塵上，最后被煙氣除塵設(shè)備捕集形成焚燒飛灰[8]。

表4 MSWI-FA中的重金屬含量 /(mg·kg-1)

MSWI-FA的XRD結(jié)果如圖1所示，MSWI-FA的主要晶相為SiO2、CaCO3和CaSO4。如表1所示，硅灰的主要礦物組成為SiO2，其為制備UHPC提供了活性SiO2，其與膠凝材料能夠生成水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠。

MSWI-FA的SEM如圖2所示，MSWI-FA表面凹凸不平，顆粒較小，大多呈不規(guī)則形狀。此外，MSWI-FA的孔隙率較高，因此其比表面積較大。

2.2 UHPC的力學(xué)性能

圖3為MSWI-FA對(duì)UHPC力學(xué)性能的影響。對(duì)比硅灰摻量對(duì)于UHPC的影響可以發(fā)現(xiàn)MSWI-FA與膠凝材料結(jié)合能進(jìn)一步提高UHPC的抗壓強(qiáng)度。并且，隨著硅灰摻量的增加，M1、M2和M3試塊的抗壓強(qiáng)度也隨之增加，這說(shuō)明摻加硅灰可以進(jìn)一步提高UHPC的抗壓強(qiáng)度。此外，膠凝材料中的粉煤灰也起到了一定的作用，粉煤灰可以使微結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，并填充孔隙。在MSWI-FA摻量為10%不變的情況下，摻硅灰的量為25%時(shí)，UHPC抗壓強(qiáng)度是最高的，其中最高強(qiáng)度可達(dá)138.2 MPa。由圖3(b)可知，試件M2和M3的抗壓強(qiáng)度均高于M1。摻加10%的MSWI-FA可起到成核作用，促進(jìn)水泥水化產(chǎn)物在早期快速生成，因而抗壓強(qiáng)度增大[17]。同時(shí)，在UHPC中硅灰提供的活性SiO2與MSWI-FA反應(yīng)生成水化產(chǎn)物，提高UHPC的抗壓強(qiáng)度。因此，在UHPC中摻加MSWI-FA是可行的。隨著硅灰摻量的增加，UHPC的抗壓強(qiáng)度均有明顯提高。

2.3 UHPC的微觀表征

圖4為UHPC的SEM圖像。隨著硅灰摻量的增加，UHPC的微結(jié)構(gòu)變得更加密實(shí)。硅灰中的活性SiO2能夠增加水化產(chǎn)物的含量，并且增加C-S-H凝膠的密實(shí)程度。由圖4(a)可以發(fā)現(xiàn)，UHPC的微結(jié)構(gòu)中孔隙較多，且尺寸較大。而對(duì)于圖4(b)而言，其微結(jié)構(gòu)變得更加密實(shí)，孔隙率降低，孔徑變小。由此可見(jiàn)，向UHPC中摻加硅灰有益于提升其微結(jié)構(gòu)的密實(shí)程度。

2.4 UHPC的孔隙結(jié)構(gòu)

圖5和圖6為M1、M2和M3樣品孔徑分布和累積孔徑分布曲線圖。其中，M1、M2和M3的孔隙率分別為19.63%、15.14%和8.34%。在保持飛灰摻量為10%不變的條件下，摻加12.5%和25%的硅灰有利于降低UHPC的孔隙率。圖5可以看出M1和M2有明顯的峰值，M3無(wú)明顯峰值。未摻硅灰UHPC的孔徑主要集中分布在10 nm以下。圖6為M1、M2和M3的累積孔徑分布曲線，其中M1、M2和M3的孔體積分別為0.102 6 mL/g、0.081 8 mL/g和0.064 0 mL/g，這說(shuō)明摻加硅灰能夠降低飛灰UHPC的孔隙率。

2.5 UHPC的重金屬浸出

MSWI-FA的重金屬浸出試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，MSWI-FA的浸出液中Zn、Pb、Cd和Cr的重金屬濃度均高于固廢浸出毒性鑒別標(biāo)準(zhǔn)[18]。因此必須對(duì)MSWI-FA進(jìn)行固化處理。通常，溶于水的重金屬為可溶性鹽，如鹵化鹽和硫酸鹽。而對(duì)于MSWI-FA而言，其所含的重金屬常以難溶金屬化合物的形式存在。以Zn為例，MSWI-FA中重金屬存在形式是ZnO和Zn(OH)2等難溶化合物，而ZnSO4、ZnCl2等可溶性化合物已溶于水中[17]。因此，向飛灰UHPC中摻加硅灰能夠有效降低其重金屬浸出濃度。例如，在MSWI-FA中Zn的濃度為3 979.77 mg/kg，而M3試塊中Zn的浸出液濃度僅為57.35 mg/kg。據(jù)此判斷出UHPC對(duì)MSWI-FA中的重金屬浸出有顯著的固化效果。

表5 飛灰UHPC的重金屬浸出含量

3 結(jié) 論

a.MSWI-FA的主要成分是Fe2O3、Al2O3、CaO、SiO2，這反映了MSWI-FA的成分與粉煤灰等膠凝材料接近，因此可以將其用于制備UHPC。

b.隨著硅灰摻量的增加，飛灰UHPC的力學(xué)性能也隨之增加。

c.UHPC對(duì)MSWI-FA中的重金屬離子的固化穩(wěn)定效果較好，可以將重金屬離子固化在UHPC的水化產(chǎn)物中，因此MSWI-FA能夠應(yīng)用于綠色建材行業(yè)。