生活垃圾焚燒爐渣預(yù)處理及作為細(xì)骨料可行性分析 ①

□□ 劉 方,王寶民,楊星星

(1.西京學(xué)院 土木工程學(xué)院,陜西 西安 710123;2.大連理工大學(xué) 土木工程學(xué)院,遼寧 大連 116024)

引言

生活垃圾焚燒爐渣由爐膛直接排出的生活垃圾殘?jiān)约斑^熱器、省煤器排出的灰渣組成,是整個(gè)垃圾焚燒過程中產(chǎn)生量最大的副產(chǎn)品[1]。受地區(qū)、垃圾種類和焚燒類型等因素的影響,爐渣成分復(fù)雜,主要包括金屬、玻璃、陶瓷、磚瓦石頭和熔融形成的熔渣,以及少量可能引起環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的重金屬鹽等物質(zhì)[2-3],對(duì)其妥善處理有著重要的環(huán)境及社會(huì)效益。

目前,生活垃圾焚燒爐渣已部分被用于道路工程、水泥生產(chǎn)、骨料制備和化肥生產(chǎn)等多個(gè)領(lǐng)域[4-7]。被證實(shí)在用作混凝土摻合料及骨料時(shí)不會(huì)產(chǎn)生明顯的環(huán)境影響[8]。但是,由于其中殘存少量金屬Al[9],在堿性環(huán)境中會(huì)溶解生成氣體,并可能引發(fā)其他膨脹性物質(zhì)的生成,生活垃圾焚燒爐渣用于水泥混凝土領(lǐng)域時(shí),可能會(huì)導(dǎo)致試件出現(xiàn)開裂和剝離等現(xiàn)象[10]。當(dāng)前生產(chǎn)中往往采用磁選和渦流篩分等方式來對(duì)其中所含金屬進(jìn)行進(jìn)一步處理,但研究表明,不同粒徑的爐渣中金屬Al回收率存在區(qū)別,如粒徑>5 mm時(shí)回收率可達(dá)55%,甚至72%以上,粒徑<2 mm時(shí)回收率只有12%[11],這極大地限制了爐渣在骨料領(lǐng)域,尤其是細(xì)骨料領(lǐng)域中的應(yīng)用。

因此,擬利用Na2CO3溶液對(duì)粒徑<4.75 mm的爐渣進(jìn)行預(yù)處理,消除其中殘存的金屬Al以及其他危害成分,并將其與河砂進(jìn)行復(fù)配制備混合細(xì)集料,擴(kuò)展生活垃圾焚燒爐渣的消納方式。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

表1 生活垃圾焚燒爐渣篩分析試驗(yàn)

表2 生活垃圾焚燒爐渣基本物理性能

其余原材料包括水泥、砂和減水劑。其中,水泥為P·S·A 32.5水泥,物理化學(xué)性能見表3。砂為天然河砂,按照GB/T 14684測試天然砂的基本物理性能見表4。所用聚羧酸系高性能減水劑由大連博諾生物化學(xué)試劑廠生產(chǎn),有效固含量為20%,減水率可達(dá)25%。

表3 P·S·A 32.5水泥力學(xué)性質(zhì)

表4 河砂基本性能

1.2 生活垃圾焚燒爐渣預(yù)處理方法

生活垃圾焚燒爐渣用作骨料,堿性條件下爐渣中未除盡的小粒徑金屬Al會(huì)和H2O發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生H2,從而導(dǎo)致試件產(chǎn)生裂紋和表皮脫落,甚至開裂。此外,爐渣中存在CaSO4、CaO和Al2O3等容易形成鈣礬石從而導(dǎo)致體積膨脹也會(huì)引起試件開裂,所以應(yīng)用前需對(duì)爐渣進(jìn)行預(yù)處理。

試驗(yàn)擬采用Na2CO3溶液對(duì)爐渣進(jìn)行預(yù)處理,當(dāng)pH>10時(shí),金屬Al被反應(yīng)生成一些不具有膨脹性的含鋁化合物,在預(yù)處理階段釋放產(chǎn)生的氣體,從而避免后續(xù)應(yīng)用中發(fā)生開裂等破壞現(xiàn)象。此外,Na2CO3溶液可以利用溶解性將CaSO4轉(zhuǎn)換為Na2SO4(CaSO4和Na2SO4在25 ℃的環(huán)境條件下,在水中的溶解度分別為3 g·L-1和195 g·L-1),從而降低爐渣中硫元素的含量,具體操作為:爐渣在0.25 mol·L-1的Na2CO3溶液中浸泡3 d,液固體比10∶1,浸泡期間在白天隔2 h對(duì)浸泡液進(jìn)行人工攪拌,3 d后澄清進(jìn)行液固分離,將爐渣用水沖洗5次直至清洗液澄清,然后烘干待用。

1.3 試驗(yàn)方案

首先對(duì)生活焚燒垃圾爐渣按照上述方法進(jìn)行預(yù)處理,然后將預(yù)處理后的生活垃圾焚燒爐渣與河砂按照0∶5、1∶4、2∶3、3∶2、4∶1、5∶0的質(zhì)量比混合制成混合砂待用。

根據(jù)JGJ/T 98—2010《砌筑砂漿配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》設(shè)計(jì)砂漿配合比,分別設(shè)計(jì)基于河砂的M5、M10和M15三種強(qiáng)度等級(jí)砂漿,以砂漿稠度為70～80 mm、用水量為270～330 kg·m-3作為基準(zhǔn),確定不同等級(jí)砂漿用水量。然后以不同配比的混合砂100%取代河砂,通過調(diào)整減水劑用量使砂漿滿足上述基準(zhǔn)要求,得到配合比見表5。

表5 砂漿配合比設(shè)計(jì)

1.4 試驗(yàn)方法

當(dāng)下，“重理輕文”的觀念在中學(xué)教育中仍有市場，這與社會(huì)大環(huán)境的影響是分不開的。隨著社會(huì)的發(fā)展，很多理工類專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)部出現(xiàn)細(xì)分，諸如互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等崗位出現(xiàn)很多就業(yè)缺口，這部分崗位門檻很高，相對(duì)于一般文科專業(yè)，薪資更高。換言之，“重理輕文”的觀念自有其深刻的經(jīng)濟(jì)根源。

試驗(yàn)中砂的篩分與分級(jí)按照GB/T 14684—2022《建筑用砂》進(jìn)行;砂漿稠度、密度、保水性及抗壓強(qiáng)度均按照J(rèn)GJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行;采用X射線熒光光譜分析(XRF)測定物質(zhì)化學(xué)組成。通過X射線衍射分析(XRD)物相組成,并利用Rietveld軟件對(duì)結(jié)果進(jìn)行定量分析,

2 結(jié)果與討論

2.1 預(yù)處理對(duì)爐渣性質(zhì)的影響

2.1.1化學(xué)組成

預(yù)處理前后爐渣化學(xué)組成見表6?？梢钥闯?經(jīng)過Na2SO4溶液浸泡3 d和沖洗,Cl-和SO3含量顯著下降,未處理的爐渣中氯化物和硫化物含量分別為1.47%和1.97%,經(jīng)過處理后分別下降了80%和66%,其含量僅為0.3%和0.67%,剩余的Cl可能以不可溶氯鹽,如Friedel′s鹽為主[12]。爐渣中K和Na部分以氯化物形式存在,含量分別下降了16%和12%。此外,金屬Al經(jīng)Na2CO3處理后,Al2O3含量從8.77%變9.23%,提高了5.2%,除此以外,重金屬氧化物如Cr2O3、CuO、SrO、BaO和PbO含量并未發(fā)生大的改變,說明使用Na2CO3溶液處理爐渣時(shí)并沒有對(duì)重金屬含量造成影響。

表6 預(yù)處理前后爐渣的化學(xué)組成 %

2.1.2物相組成

爐渣預(yù)處理前后物相組成的定量分析結(jié)果見表7?？梢钥闯?預(yù)處理前后爐渣物相組成種類基本一致。堿處理后爐渣的無定形相含量顯著增加,提高了76%;SiO2、NaCl和CaSO4含量分別下降9.3%、90%和92%[13],新生成了少量硅鋁酸鹽礦相,爐渣中原本存在的水鈣硅石含量增加至13%。此外,經(jīng)堿溶液浸泡后,方解石含量反而有所降低,這可能是由于溶液中新生成的CaCO3微粒附著力較差,經(jīng)水洗過程損失導(dǎo)致。

表7 預(yù)處理前后爐渣的定量分析

2.1.3基本物理性能

爐渣經(jīng)過0.25 mol·L-1的Na2CO3溶液處理后發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng),可能會(huì)對(duì)爐渣的物理性能產(chǎn)生影響,根據(jù)GB/T 14684進(jìn)行試驗(yàn),處理后的爐渣篩分析試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 預(yù)處理后生活垃圾焚燒爐渣篩分析試驗(yàn)

將預(yù)處理后的生活垃圾焚燒爐渣與天然河砂按照0∶5、1∶4、2∶3、3∶2、4∶1、5∶0的質(zhì)量比混合制成砂漿細(xì)骨料,其粒徑分布如圖1所示,基本性能見表9?？梢园l(fā)現(xiàn),天然河砂細(xì)度模數(shù)偏小是1.7,屬于連續(xù)級(jí)配的細(xì)砂(2.2～1.6),在1.18～2.36 mm粒徑范圍內(nèi)分布較少,存在空隙率較大的問題,屬于三區(qū)砂,符合建設(shè)用砂標(biāo)準(zhǔn)的Ⅱ類砂。值得注意的是,因?yàn)闋t渣和河砂性質(zhì)具有差異,隨著混合砂中爐渣取代率發(fā)生變化,混合砂的表觀密度有所降低,當(dāng)爐渣取代率為80%時(shí),并不滿足建設(shè)用砂要求,但滿足再生細(xì)骨料Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn);堆積密度先增加后降低,空隙率先降低后提高,這是因?yàn)楹由皩儆诩?xì)砂而爐渣屬于粗砂范圍,兩者在合適比例下混合時(shí),顆粒之間相互搭配填充空隙,有利于改善級(jí)配降低空隙率,提高混合砂性能;爐渣摻量為40%、60%和80%時(shí)混合砂屬于中砂,級(jí)配在3.0～2.3之間。除此之外,因?yàn)闋t渣飽和面干吸水率遠(yuǎn)高于河砂,所以隨著爐渣摻量增加,飽和面干吸水率呈上升趨勢。

圖1 生活垃圾焚燒爐渣混合砂粒徑分布

表9 混合砂基本性能

2.2 技術(shù)可行性

2.2.1拌合物砂漿性能變化

生活垃圾焚燒爐渣和河砂相比,存在孔隙率大和吸水率高的問題,在保證水膠比相同的前提下,通過調(diào)整減水劑的用量對(duì)砂漿的稠度進(jìn)行調(diào)節(jié)。試驗(yàn)中砂漿的稠度控制在(75±5)mm的范圍內(nèi),M5、M10和M15砂漿的減水劑用量隨爐渣摻量的改變而發(fā)生的變化趨勢如圖2所示?？梢园l(fā)現(xiàn),在保證稠度處于一定范圍時(shí),減水劑用量隨著爐渣摻量的增加呈遞增趨勢;隨著水泥用量的增加減水劑用量呈現(xiàn)遞減的趨勢。爐渣摻量對(duì)減水劑影響較大,這與爐渣內(nèi)部結(jié)構(gòu)相關(guān),爐渣孔隙率大,飽和面干吸水率大,單位體積用水量相同時(shí),要想達(dá)到同樣的稠度則需要提高減水劑的用量。

圖2 爐渣不同摻量對(duì)減水劑用量的影響

M5、M10和M15砂漿的表觀密度隨爐渣摻量的改變而發(fā)生的變化趨勢如圖3所示。由圖3可知,M5、M10和M15砂漿表觀密度變化趨勢大致相同,都表現(xiàn)出:爐渣砂漿的密度變化規(guī)律與爐渣質(zhì)量摻量成負(fù)相關(guān)關(guān)系,砂漿表觀密度隨著爐渣摻量的不斷增加而減小。原因在于:爐渣的表觀密度以及松散堆積密度均低于河砂;同一強(qiáng)度等級(jí)下且砂漿稠度一定時(shí),單位體積內(nèi)水泥質(zhì)量不變,水灰比不變;同樣體積時(shí),河砂密度大于爐渣密度,導(dǎo)致生活垃圾焚燒爐渣砂漿拌合物密度降低。

圖3 爐渣不同摻量對(duì)砂漿表觀密度的影響

M5、M10和M15砂漿的保水性隨爐渣摻量的改變而發(fā)生的變化趨勢如圖4所示。由圖4可知,加入爐渣后砂漿的保水性得到提高。在水膠比和骨膠比不變的情況下,M10和M15砂漿保水率呈現(xiàn)隨著爐渣摻量的增加而增加的趨勢,主要是由于爐渣飽和面干需水量較大,所以可以有效提高砂漿的保水性。而M5砂漿保水性先降低后增加,在爐渣摻量為60%時(shí)達(dá)到最低值83%,可能是M5砂漿中骨料較多,漿體較少不易包裹骨料,這是由于爐渣和河砂相比,棒狀顆粒較多,細(xì)度模數(shù)大,骨料總表面積減少,當(dāng)砂漿中骨料占比偏大時(shí),這些不利影響會(huì)使砂漿不能有效保水[14]。

圖4 爐渣不同摻量對(duì)砂漿保水性的影響

2.2.2硬化砂漿性能變化

根據(jù)JGJ/T 70對(duì)以生活垃圾焚燒爐渣為骨料的砂漿進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試,測試結(jié)果見表10。由表10可知,在不同齡期隨爐渣摻量增加表現(xiàn)出的變化規(guī)律存在相似處。M5砂漿隨著爐渣骨料摻量逐漸增加,3 d抗壓強(qiáng)度先下降后增加;當(dāng)爐渣摻量為60%時(shí)達(dá)到最低為1.9 MPa,爐渣摻量為100%時(shí)抗壓強(qiáng)度最大為3.3 MPa;養(yǎng)護(hù)齡期為7 d和28 d時(shí)變化規(guī)律相似,隨著爐渣摻量增加,抗壓強(qiáng)度逐漸降低,分別在爐渣摻量為100%時(shí)和80%達(dá)到最低,分別為3.0 MPa和5.6 MPa,和爐渣摻量為0的砂漿相比分別降低了23%和26%。值得注意的是,M5砂漿28 d抗壓強(qiáng)度隨爐渣摻量的增加而下降,但是28 d試件抗壓強(qiáng)度始終在5 MPa以上;對(duì)比其余不同養(yǎng)護(hù)齡期砂漿抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律,可以發(fā)現(xiàn)爐渣對(duì)7 d到28 d強(qiáng)度增長出現(xiàn)推動(dòng)作用;爐渣摻量為0時(shí),7 d強(qiáng)度分別占28 d強(qiáng)度的51%、58%、56%、54%、61%和53%,這個(gè)可能和爐渣具有火山灰活性相關(guān),使得砂漿后期強(qiáng)度得到發(fā)展。90 d抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律和28 d相似,隨著爐渣摻量的增加,強(qiáng)度增長趨勢呈現(xiàn)疲態(tài);爐渣摻量60%以上時(shí),90 d和28 d抗壓強(qiáng)度并沒有顯著差異。

M10砂漿其抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律不同于M5,各個(gè)齡期的強(qiáng)度隨著爐渣摻量的增加大致呈先增加后降低的趨勢。值得注意的是,當(dāng)爐渣摻量為80%和100%時(shí),28 d的強(qiáng)度并沒有達(dá)到10 MPa,但是強(qiáng)度均在8 MPa以上,和未摻爐渣的砂漿相比強(qiáng)度分別降低了38%和42%。砂漿試塊7 d強(qiáng)度分別占28 d強(qiáng)度的56%、59%、65%、68%、81%和66%,后期強(qiáng)度漲幅先增加后降低。當(dāng)爐渣摻量為20%和40%時(shí),相較于未摻爐渣的砂漿試塊抗壓強(qiáng)度得到改善,養(yǎng)護(hù)齡期3 d、7 d、28 d和90 d時(shí),抗壓強(qiáng)度均在爐渣摻量為40%時(shí)達(dá)到最大,和未摻爐渣的砂漿相比分別提高了43%、43%、24%和30%。

M15砂漿各個(gè)齡期的抗壓強(qiáng)度隨爐渣摻量的增加而降低,在爐渣替代率為80%和100%時(shí),砂漿試塊28 d抗壓強(qiáng)度為10 MPa以下,已不能滿足該強(qiáng)度等級(jí)砂漿28 d抗壓強(qiáng)度的要求,和未加爐渣的砂漿相比強(qiáng)度分別降低了50%和47%。這說明,水灰比越小,強(qiáng)度等級(jí)越高的砂漿中,因引入爐渣而產(chǎn)生的不利影響越明顯,強(qiáng)度損失越大。

試塊斷裂截面如圖5所示,斷面處可見斷裂的陶瓷和磚瓦碎片,這表明破壞時(shí)爐渣骨料作為薄弱相,會(huì)出現(xiàn)直接斷裂的現(xiàn)象,這也抑制了砂漿試塊的強(qiáng)度發(fā)展?？傊?爐渣和河砂相比,存在粒形差、疏松多孔吸水率較高、壓碎指標(biāo)和細(xì)度模數(shù)較大的特點(diǎn),所以爐渣作為細(xì)骨料使用時(shí),會(huì)對(duì)砂漿的成型狀態(tài)、硬化后骨料與水泥石界面處的結(jié)合以及砂漿內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成影響。當(dāng)爐渣摻量為80%以上時(shí),強(qiáng)度發(fā)展受到限制,和未摻爐渣的砂漿相比,28 d抗壓強(qiáng)度損失在40%以上,均<10 MPa。爐渣摻量為20%和40%時(shí),爐渣可以填充河砂的空間網(wǎng)格骨架從而使結(jié)構(gòu)致密;隨著水化繼續(xù)進(jìn)行,棱角性較強(qiáng)的爐渣會(huì)和水泥石之間形成更加穩(wěn)固的嵌鎖結(jié)構(gòu),減少因?yàn)橐霠t渣而產(chǎn)生的不利影響,所以爐渣摻量為40%時(shí),M10-40抗壓強(qiáng)度反而提高。

圖5 砂漿受壓破壞形態(tài)

3 結(jié)論

3.1 利用Na2CO3溶液浸泡預(yù)處理生活垃圾焚燒爐渣,可以有效減小爐渣中殘余金屬Al及硫化物含量,提高爐渣無定形相含量。

3.2 隨著爐渣摻量的增加,能夠顯著改善天然河砂級(jí)配,增大拌合物砂漿減水劑用量和保水性,減小拌合物砂漿表觀密度,但最大取代率>80%會(huì)導(dǎo)致所制備混合砂不符合建設(shè)用砂要求。

3.3 適當(dāng)爐渣取代率混合砂不會(huì)對(duì)砂漿抗壓強(qiáng)度造成顯著影響,反而有助于早期強(qiáng)度發(fā)展,M5砂漿最佳取代率為20%,M10砂漿為40%,M15砂漿不適用于爐渣取代混合砂。