垃圾焚燒爐渣在綠色墻體材料制備中的應(yīng)用

中國城市建設(shè)研究院有限公司廣東分院 王洺鍇

大量的生活垃圾已成為眾多城市亟待解決的問題之一。目前國內(nèi)外處理生活垃圾主要有三種常見方式，分別是填埋、焚燒和堆肥，其中焚燒方式因具有減容迅速、處理量大、無害化徹底且燃燒產(chǎn)生的高溫能回收利用的優(yōu)點(diǎn)，在我國大多數(shù)城市中得到了應(yīng)用。但隨之而來也產(chǎn)生了龐大固體殘?jiān)膯栴}，在這些固體殘?jiān)?，爐渣約占80%-90%，面對如此多的爐渣，還需進(jìn)一步進(jìn)行資源化利用。爐渣從化學(xué)成分來看，主要由眾多的硅質(zhì)材料組成，其與水泥混凝土中的硅質(zhì)混合材料類似，礦物組成也和建筑天然材料相似。因此，將爐渣應(yīng)用到墻體材料制備上有著巨大的資源化利用潛力。另外，由于焚燒爐渣屬于一般固體廢料，可直接丟棄、填埋或經(jīng)過簡單處理后用于墻體材料。本文綜述了國內(nèi)外生活垃圾焚燒爐渣在綠色墻體材料上的應(yīng)用現(xiàn)狀，為爐渣的資源化、綠色化、效益化利用提供方向。

一、爐渣的主要特性

生活垃圾焚燒后產(chǎn)生的爐渣主要由碎玻璃、碎陶瓷、碎瓷磚、沙土、金屬制品以及少量塑料等混合雜物組成。其中碎玻璃、碎陶瓷、碎瓷磚和沙土等不能燃燒的干垃圾可由粉碎機(jī)或篩子進(jìn)行處理，將爐渣顆粒大小降到5mm以下，其作用不會(huì)影響墻體材料的性能。金屬制品雜物主要來自于人們的日常生活用品，如紙箱圖釘、螺釘、不銹鋼盆等，含單質(zhì)鐵的金屬制品在垃圾焚燒時(shí)會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，生成氧化物，對墻體材料的性能有一定程度的影響。塑料等雜物是由于垃圾在焚燒過程中溫度未達(dá)其燃點(diǎn)或焚燒不夠徹底而殘留下的。以上這些混合雜物可經(jīng)過預(yù)處理去除，得到可以用于墻體材料的爐渣。

處理后的焚燒爐渣呈深灰色或黑褐色，其主要和焚燒的生活垃圾有關(guān)，垃圾中含碳量越高，顏色越深。爐渣顆粒結(jié)構(gòu)松散，形狀不規(guī)則，細(xì)度模數(shù)在2.9至3.0之間，密度約為1200kg/m3，含水率與空氣潮濕度、存放時(shí)間等因素有關(guān)，其值為非固定值，吸水率主要受爐渣堆積密度的影響，大約為37%。焚燒爐渣富集了諸多化學(xué)元素，如Si、Ca、Na、Fe等，其表現(xiàn)為堿性特征，PH值為10.5左右。

垃圾焚燒爐渣應(yīng)用到墻體材料中需要從以下兩個(gè)方面進(jìn)行考量：一是產(chǎn)品的合格性，即將爐渣應(yīng)用到建筑材料中后，產(chǎn)品是是否安全，是否符合建筑材料技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)；二是產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性，即所生產(chǎn)出來建筑材料的成本及價(jià)格是否具有市場競爭力和經(jīng)濟(jì)效益。

二、綠色墻體材料

（一）綠色墻體材料的定義

綠色墻體材料是建筑生態(tài)持續(xù)、健康發(fā)展的重要基礎(chǔ)，根據(jù)美國綠色建筑委員會(huì)（U.S Green Building Council）在2011年綠色建筑（LEED）的評價(jià)體系中，明確規(guī)定了綠色建筑材料的使用標(biāo)準(zhǔn)，如材料和資源利用與回收，室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量控制等[2]。當(dāng)前針對綠色墻體材料已形成一整套標(biāo)準(zhǔn)評定體系，具體包括以下三個(gè)方面。

（1）節(jié)約資源和材料：使用可再生的以及可循環(huán)利用的資源和材料，如用農(nóng)業(yè)、工業(yè)廢棄物或生活垃圾焚燒爐渣為原材料，減少其他不可再生資源的使用。

（2）清潔無害：綠色墻體材料在使用中不產(chǎn)生或極少產(chǎn)生對人有害的氣體以及有機(jī)整合日光和新風(fēng)，符合環(huán)境友好型發(fā)展理念。

（3）再生利用：超過使用年限后，可當(dāng)作其他材料或再生資源進(jìn)行循環(huán)使用，如此既節(jié)約了經(jīng)濟(jì)成本，又保護(hù)了環(huán)境。

（二）綠色墻體材料的類型

綠色墻體材料滿足評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，也要滿足不同功能的要求，如：某些墻體材料要求重量輕、耐腐蝕、硬度高、抗高溫、隔音好、防蟲害、殺毒菌、易安裝、易拆卸、絕滲漏等。目前我國建筑行業(yè)使用的綠色墻體材料主要有以下五種類型。

（1）混凝土空心磚塊、加氣混凝土磚塊：其具有重量輕、隔熱好、防燃燒、施工簡單、環(huán)境友好、作業(yè)強(qiáng)度低等優(yōu)點(diǎn)。

（2）蒸壓灰燒磚，其類型大小通常為240mm*115mm*53mm，主要特性表現(xiàn)為硬度高、外觀規(guī)范、防水性好、干縮率低。

（3）加氣混凝土磚塊條板：其具有重量輕、抗高溫、施工快、易生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，但在抗風(fēng)化性和抗腐蝕性功能上沒有普通混凝土效果好，通常在施工作業(yè)時(shí)需要進(jìn)行一定的憎水處理。

（4）蒸壓纖維增強(qiáng)水泥板和硅酸鈣板：蒸壓纖維增強(qiáng)水泥板與硅酸鈣板的不同之處在于前者的容量高于后者，隔熱效果好，易于生產(chǎn)加工。

（5）新型泰柏板、3E輕質(zhì)墻板等：其具有硬度高、重量輕、隔熱好、防地震、耐腐蝕，建設(shè)簡單、施工難度低、環(huán)境友好等特點(diǎn)，并且可以使用焚燒爐渣、工業(yè)廢棄物等為原材料加工生產(chǎn)，這樣降低了成本，節(jié)約了資源，減少了污染。

當(dāng)前，建筑市場上應(yīng)有的綠色墻體材料較多，除了以上介紹外，還有如工業(yè)石膏墻材、水泥基珍珠巖輕質(zhì)陶瓷，陶粒粉煤灰空心磚塊、泡沫聚苯乙烯顆粒輕集料新型墻材等都屬于綠色墻體材料。

三、爐渣在綠色墻體材料中的應(yīng)用

（一）水泥和混凝土材料

水泥混凝土材料是建筑工程中最為常見的用料，其主要化學(xué)成分和垃圾焚燒爐渣相似，包括CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3等 含氧化物。因此將焚燒爐渣作為水泥制備的原材料在原理上是可行的，其不僅可以降低水泥的使用量，減少煤炭等自然資源的消耗和溫室氣體的排放，同時(shí)可以對焚燒爐渣進(jìn)行資源化利用，節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本，促進(jìn)綠色健康發(fā)展。為此，國內(nèi)外很多學(xué)者致力于將焚燒爐渣應(yīng)用到水泥混凝土材料上，并取得了諸多研究成果，其主要有兩種應(yīng)用形式：一是將焚燒爐渣作為制備水泥的原材料；二是作為水泥摻雜物混合使用。

經(jīng)過預(yù)處理后的生活垃圾焚燒爐渣達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，具有一定的活性，可直接應(yīng)用在水泥和混凝土材料的制備上。陳新疆等以焚燒爐渣和石英尾礦作為主要原材料用來制備蒸壓加氣混凝土板材，通過控制工藝參數(shù)和設(shè)計(jì)工藝配比，進(jìn)行四組不同占比的實(shí)驗(yàn)對照，最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，當(dāng)焚燒爐渣和石英尾礦成分占比為39%和30%時(shí)，所制備的蒸壓加氣混凝土性能最佳，抗壓強(qiáng)度高達(dá)B05、A3.5等級(jí)，符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求，說明此工藝配比可用于制備蒸壓加氣混凝土板材；張軍和胡艷麗采取正交試驗(yàn)法，以生活垃圾焚燒爐渣、水泥、石灰等為原材料，分析研究由這些原料制備而成的混凝土抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度性能，對照不同爐渣顆粒直徑、催化劑對混凝土制品性能的影響，并探索其在熱加工時(shí)的表現(xiàn)情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，影響混凝土制品的主要因素為焚燒爐渣與水料配比，當(dāng)配比為0.14%時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到最優(yōu)，另外八組爐渣大小對照實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，爐渣顆粒直徑對混凝土在力學(xué)上的性能有一定程度的影響，其具體組別爐渣大、中、小顆粒直徑成分占比分別為5%、50%及45%時(shí)，此時(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度性能最佳。通常水泥中摻雜焚燒爐渣會(huì)影響水泥的力學(xué)性能，但可以通過設(shè)置爐渣和水泥的配比來提高水泥的力學(xué)性能。黃健等[6]探索了將城市生活垃圾焚燒爐渣作為配料摻和于水泥生料中的技術(shù)，并研究不同爐渣占比下對混合材料力學(xué)性能的影響程度，當(dāng)爐渣占比為7.5%時(shí)，其制備的混凝土體積穩(wěn)定性良好，同時(shí)和純熟料水泥相比，兩者在力學(xué)性能和適應(yīng)性上表現(xiàn)相差不大。

除了國內(nèi)研究人員對焚燒爐渣作為制備材料應(yīng)用在水泥混凝土材料上展開相關(guān)研究外，國外一些人員也對此進(jìn)行了探索。Muhammad等研究了一種由焚燒爐渣制備生態(tài)水泥的新方法，該方法能在固體廢物燃燒時(shí)，利用燃燒爐的能量，并在較低溫度（1100℃）條件下，將爐渣與CO2發(fā)生反應(yīng)，生成生態(tài)水泥，這種生態(tài)水泥需使用6%的原始添加劑，可以使其在2h后強(qiáng)度達(dá)到55MPa，并且其性能和28天水花后的對照普通碳酸鹽水泥（OPC）相當(dāng)。為使水泥和建筑行業(yè)廢棄固體物遵循可持續(xù)性和循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展理念，Monika等將焚燒爐渣作為水泥的替代品，并對其適用性進(jìn)行評估，研究結(jié)果表明，當(dāng)焚燒爐渣以30%占比代替水泥時(shí)，由此組成的砂漿在力學(xué)特性上表現(xiàn)良好，雖然在浸出性測試中，硬化砂漿的水萃取物略微超出有限值外，但是并不會(huì)對環(huán)境造成破壞。

通過以上研究可以發(fā)現(xiàn)，焚燒爐渣作為水泥的替代物或摻料時(shí)，其用量占比不宜過大或過小，過大會(huì)影響基于水泥材料的性能，不利于材料的后續(xù)使用，用量過小難以處理目前大量的生活垃圾焚燒爐渣。因此需要控制合適的爐渣和水泥配比，使其滿足上述要求。

（二）陶瓷和磚塊材料

陶瓷和磚塊是建筑項(xiàng)目中的基礎(chǔ)用料，一般通過燒結(jié)法制備而成，包括燒結(jié)磚、輕骨料等。陶瓷的燒結(jié)工藝一般是將預(yù)處理后的爐渣放置在1000-1200℃的溫度下進(jìn)行熔融熱處理，在該溫度下，產(chǎn)生的氣體會(huì)使物料體積形成陶瓷。和熔融熱處理工藝技術(shù)相比，燒結(jié)法所需的溫度更低，具有更高的經(jīng)濟(jì)效益，減小了處理過程中資源的消耗，同時(shí)玻璃體的緊密構(gòu)造使得物料固體形態(tài)能夠長期穩(wěn)定存在。因此生活垃圾焚燒爐渣應(yīng)用于陶瓷和磚塊的制備上在技術(shù)上是可行的。

傳統(tǒng)陶瓷和磚塊的制備原料主要為黏土，其化學(xué)成分復(fù)雜，主要包含鈣、硅、鋁等氧化物，但和焚燒爐渣組成成分類似，兩者具有一定的可替代性。伍浩然等將垃圾焚燒爐渣作為制備陶瓷的部分替代原料，應(yīng)用正交分析法探究爐渣占比、燒結(jié)溫度以及恒定時(shí)間三個(gè)影響要素對陶瓷抗壓強(qiáng)度、膨脹率及吸水性等性能的作用。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，燒結(jié)溫度對瓷磚性能影響最大，其次為爐渣占比，最后是恒溫時(shí)間，另外預(yù)料到的是，垃圾焚燒爐渣會(huì)降低陶瓷抗壓強(qiáng)度，但膨脹率和吸水性沒有多少變化，最終得出結(jié)論，當(dāng)燒結(jié)溫度為1100℃，且爐渣在混合料中占比為20%時(shí)，可制備性能較好的的陶瓷。周旭等將大量堆積的爐渣用于制備成磚塊，有效解決了爐渣回收不能資源化利用的問題，經(jīng)過在預(yù)處理后的爐渣中加入一定比例的活化劑以及水泥、石灰等原材料，再由液壓制磚機(jī)壓鑄成型，硬度比普通磚塊高2-3倍的磚塊便制成了，既實(shí)現(xiàn)了爐渣資源化利用，又降低了經(jīng)濟(jì)成本。城市固體廢物（MSW）已成為一個(gè)全球性問題，Deng等提出了城市垃圾焚燒爐渣再利用方案用于解決MSW持續(xù)發(fā)展問題，該方案將爐渣作為主要添加劑來制備可持續(xù)利用生態(tài)友好型陶瓷磚，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試表明，該型陶瓷磚符合中國二類瓷磚標(biāo)準(zhǔn)（GB16889-2008）。

將垃圾焚燒爐渣應(yīng)用于制備陶瓷和磚塊材料上，實(shí)現(xiàn)了爐渣資源化、環(huán)保化利用，此外燒結(jié)工藝與熔融處理相比，具有污染小、能耗低、效益高等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前應(yīng)用較多的墻體材料制備方法。

（三）骨料

骨料又稱為“集料”，是建筑砂漿和混凝土中一種重要的顆粒狀材料，其起到支撐結(jié)構(gòu)的作用。通常分為細(xì)骨料和粗骨料，其中細(xì)骨料顆粒直徑大小在0.015cm-0.5cm之間，通常以天然沙，如河沙、海沙等為原材料，當(dāng)缺乏天然沙時(shí)，亦可將固體石材碾磨成細(xì)骨料。粗骨料顆粒直徑則大于0.5cm，一般材料以堅(jiān)硬碎石和輕質(zhì)卵石為主，在相同環(huán)境下，前者制備的材料性能要優(yōu)于后者，但堅(jiān)硬碎石需要機(jī)器碾碎，其成本要高于后者。

垃圾焚燒爐渣作為部分骨料來制備墻體材料的實(shí)驗(yàn)已有很多成功應(yīng)用案例，例如：許俊寧利用生活垃圾焚燒爐渣與天然細(xì)骨料在物理上相似的特性，采用爐渣代替部分天然細(xì)骨料來進(jìn)行研究，提出了不同替代比研究方案，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)焚燒爐渣替代比為30%時(shí)，制備的砂漿與普通砂漿相關(guān)性能相差不大，抗壓強(qiáng)度滿足JG/T315-2011的規(guī)范要求；當(dāng)焚燒爐渣替代比為10%時(shí)，制備砂漿的力學(xué)性能和普通砂漿相近或略高，但伴隨著替代比的增加，制備砂漿的性能會(huì)在某個(gè)比例處達(dá)到最大，隨后開始下降，最終得出最佳替代比在10%-20%之間。針對當(dāng)前相關(guān)研究焚燒爐渣利用率不高的問題，張文將垃圾焚燒爐渣分為顆粒轉(zhuǎn)爐渣和粉狀爐渣，提出了將兩者分別作為細(xì)骨料和活性礦物替代物用于加氣混泥土磚塊或堿礦渣加氣混泥土磚塊的研究方案，實(shí)驗(yàn)研究表明，當(dāng)顆粒狀爐渣替代河沙的比例增加時(shí)，加氣混泥土磚塊相應(yīng)性能會(huì)隨之變化，且替代比例過高時(shí)，性能有所降低，最終替代比例應(yīng)不超過20%，隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，加氣混泥土磚塊或堿礦渣加氣混泥土磚塊在爐渣替代比例為10%-20%之間時(shí)，兩者性能最佳，在該替代比例下，混合物制備成的產(chǎn)品相較于使用原材料制成的磚塊成本分別減少23.2和19.4元。

垃圾焚燒爐渣雖然能夠一定程度上替代部分細(xì)骨料，但在實(shí)際情況中，不同地區(qū)的生活垃圾焚燒爐渣有著不同的物理特性，需要根據(jù)具體成分加以分析，并最終得到應(yīng)用。

（四）其他材料

垃圾焚燒爐渣還可制備成其它綠色墻體材料，例如笪俊偉等將垃圾焚燒爐渣作為部分硅質(zhì)材料的替代物質(zhì)，對爐渣的替代占比、顆粒大小、蒸壓時(shí)間和壓力對加氣混凝土磚塊的性能進(jìn)行了研究，最終根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到最優(yōu)配比，所制備的綠色墻體材料符合GB11968-2006規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。王開松等將具有光催化特性的TiO2與焚燒爐渣相混合，并在其中添加發(fā)泡劑用于制備自清潔泡沫材料，當(dāng)TiO2配比為0.4%時(shí)，自清潔泡沫材料空間分析較為均勻，光降解性能最優(yōu)。

四、結(jié)論

垃圾焚燒爐渣用于制備綠色墻體材料具有一定的應(yīng)用價(jià)值，能減少自然資源的使用，提高爐渣資源化利用率。本文簡要介紹了生活垃圾焚燒爐渣的特性和綠色墻體材料的定義及類型，綜述了爐渣在墻體材料制備上的四種應(yīng)用，其中使用爐渣制備水泥混凝土材料的應(yīng)用最多。爐渣制備綠色墻體材料雖然已有很多應(yīng)用成果，但仍存在著一些不足之處，如不同地區(qū)的焚燒爐渣在化學(xué)成分和物理特性上有一定的區(qū)別，使得這些應(yīng)用成果泛化性能不強(qiáng)，需要更加深入的研究。