基于堿處理技術的生活垃圾焚燒底灰部分取代水泥方案研究

陳 楠，許峻寧

（成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059）

0 引言

隨著我國城市化建設的快速發展，每年產生的城市生活垃圾也在急劇增長。據統計，2017年我國僅202個城市，總共產生生活垃圾2.02億t，而且呈逐年上漲趨勢［1］。目前已證明，焚燒是一種效率較高成本低的城市垃圾處理方法，同時還能利用焚燒過程中產生的大量的熱能用以發電［2］，達到節約土地資源、有效利用再生資源的目的。城市垃圾中約有85%為有機物［3］，焚燒后的灰渣主要是飛灰和底灰，其中底灰約占85%［4］，飛灰只占15%。陸近濤［5］分別用XRF技術測出垃圾焚燒底灰主要由CaO，SiO2，SO3，Al2O3，Fe2O3和Na2O等組成，而且不同地區的垃圾焚燒底灰的化學含量有所差異，但是這些成分與普通硅酸鹽水泥成分相接近，可以部分或者全部代替膠凝材料。相關研究表明將垃圾焚燒灰作為水泥直接摻入材料中，試件出現膨脹、開裂、力學強度低等現象，是由于焚燒灰中含有金屬鋁與水泥發生水化反應產生氫氣，導致了試件發生膨脹，孔隙增大［6］。

本研究用不同的堿處理方案對城市垃圾焚燒底灰進行預處理，將城市生活垃圾底灰在砂漿中作為部分水泥代替料進行了實驗，并對其物理力學性能進行研究。

1 實驗部分

1.1 實驗原材料

1.1.1 城市垃圾焚燒底灰

底灰樣品取自西南地區某垃圾焚燒廠焚燒爐排渣口，樣品中不包含焚燒飛灰。主要包括熔渣、陶瓷、玻璃碎片、金屬制品和一些不可燃物質等。用電子秤稱取約1.1 kg的焚燒底灰放在105℃的烘箱中，將底灰烘至恒重后取出，參照規范《建設用砂》（GB/T 14684—2011）對底灰進行粒徑分析，圖1為垃圾焚燒底灰的篩分粒徑分布曲線。由圖1可知，底灰的粒徑分布較寬，其中，0.08～1.00 mm，2.00～5.00 mm和5.00～9.50 mm所占比例分別為32.0%，26.4%和32.1%。從顆粒粒徑方面來看，焚燒底灰可以代替水泥或砂漿的骨料，本次試驗選取粒徑小于5 mm的灰渣進行研究。

1.1.2 水泥

圖1 生活垃圾焚燒底灰粒篩分徑分布曲線

在成都市建材市場中購買的42.5級基準水泥，屬于P.I型硅酸鹽水泥，符合GB 8076—2008附錄A的規定。

1.1.3 骨料

采用的砂漿骨料為中國ISO標準砂，在成都建材市場購得，標準砂的含濕量和顆粒粒徑分布均符合GB/T 17671—1999的相關規定。

1.1.4 水

取自于成都理工大學基礎力學實驗室的普通自來水。

1.1.5 化學試劑

NaOH，Na2CO3，Ca（OH）2。

1.2 實驗過程

1.2.1 預處理城市垃圾焚燒底灰

表1詳述了3種預處理方案，提前去除底灰中的活性金屬，減少其對砂漿產生不利影響。分別采用如表1中所示的化學試劑配制對應濃度的溶液，控制液固比不小于5。在處理結束時將底灰和處理液用濾紙過濾，將濾渣放在烘箱中于105℃條件下烘干24h，然后收集烘干后的生活垃圾焚燒底灰。最后用行星式球磨機將預處理后的焚燒底灰進行研磨。收集小于80μm的底灰微粉密封保存備用。預處理過程及處理前后的底灰如圖2所示。

表1 生活垃圾焚燒底灰預處理方案

圖2 預處理主要過程

1.2.2 城市垃圾焚燒底灰水泥砂漿配合比設計

表2是城市垃圾焚燒底灰水泥砂漿配合比設計。根據國家推行標準GB/T 17671—1999和建筑工業行業標準JG/T 315—2011附錄A中的相關規定，本試驗采用40 mm×40 mm×160 mm的標準模具，水灰比均為0.5。其中S0為對照組，不摻入生活垃圾焚燒底灰微粉，S1，S2，S3，S4為試驗組，均用生活垃圾焚燒底灰微粉替代30%的膠凝材料等［7］，其余材料用量與對照組相同，不同的是S1的底灰按照方案1預處理，S2的底灰按照方案2預處理，S3的底灰按照方案3用飽和Ca（OH）2溶液預處理，S4使用未經化學溶液處理的磨細垃圾焚燒底灰替代水泥。

表2 城市垃圾焚燒底灰水泥砂漿配合比設計

在制備砂漿樣品時，按照GB/T 17671—1999中規定，進行攪拌。依據GB/T 2419—2005中要求的試驗方法，采用NLD-3膠砂流動度測定儀分別測定各組膠砂流動度。將樣品在飽和石灰水中固化，直到試驗期齡7天和28天測抗壓強度。

1.2.3 測試方法

依據GB/T 17671—1999中規定的試驗方法，對砂漿試塊依次進行抗折強度和抗壓強度試驗。測試試塊抗折強度時試驗機以（50±10）N/s的速率均勻加壓，測試抗壓強度時，以（2 400± 200）N/s的速率均勻加壓，直到試塊被完全破壞。

2 實驗測試結果與討論

2.1 砂漿流動度及流動度比

圖3砂漿流動度

圖3 展示了含垃圾焚燒灰的水泥砂漿和對照組砂漿的流動度及流動度比，從圖中數據可發現，與對照組相比，用不同預處理垃圾焚燒灰微粉替代30%的水泥的砂漿流動有不同程度的降低，這可能是因為底灰的吸水量比普通水泥稍高，吸收了部分拌和水，導致摻入底灰微粉的砂漿流動度降低。但是其中S1相對于S2，S3流動度明顯降低很多，這可能是由于底灰的含水量不同導致S1的流動度降低。

從試驗的結果來看，影響砂漿流動度與焚燒灰的預處理方案關系不大。在實際應用中可適當增加用水量或加入減水劑來改善。

2.2 砂漿抗折強度

圖4為各組砂漿7d，28d抗折強度對比圖，從圖4中可以知道，用30%的底灰微粉替代水泥的砂漿試塊7d和28d抗折強度均低于對照砂漿，其中，S2其7d抗折強度是3.8 MPa是所有底灰砂漿的最高值，與對照砂漿的強度4.1 MPa接近；雖然S2的后期強度發展速度明顯降低，但其28d抗折強度仍然達到對照砂漿的74%?？梢缘贸?，用Na2CO3溶液處理可以加快水泥的水化速度。S3的前7d和28d抗折強度均達到對照砂漿的70%以上，整體的抗折強度發展趨勢與對照組相似。

圖4 各組砂漿7d，28d抗折強度對比

從砂漿抗折試驗結果可以得出，采用方案2和方案3處理焚燒底灰，28d的抗折效果與未作化學處理的底灰砂將相比，砂漿的抗折強度提升了37%，效果較好。

2.3 砂漿抗壓強度

圖5為各組砂漿7d，28d抗壓強度對比圖，從圖中我們可以看到，用30%預處理焚燒底灰微粉替代水泥的砂漿試塊7d和28d抗壓強度均低于對照組的砂漿抗壓強度。其中，S2的7d抗壓強度達到23.2 MPa，與對照組S0砂漿7d抗壓強度26.2 MPa接近；但其28d抗壓強度僅為26.5 MPa，這進一步說明用Na2CO3溶液處理焚燒底灰加快水泥的水化。S3的7d抗壓強度為S0對照砂漿的74%，28d抗壓強度為S0對照砂漿的70%，也是所有底灰砂漿強度的最高值，說明采用Ca（OH）2溶液處理后的焚燒底灰有較好的火山灰活性。

圖5 各組砂漿7d，28d抗壓強度對比

3 結語

本研究通過試驗結果，可以得出以下幾點結論：

垃圾焚燒底灰經飽和Ca（OH）2溶液的處理，使底灰28d活性指數達到70%。滿足規范JG/T 315—2011規定28d活性指數大于65%的要求。表明底灰的活性是可以通過預處理繼續提高的。

當采用Na2CO3溶液對垃圾焚燒底灰進行預處理，會加快水泥的水化速度。

當底灰粒徑不大于5 mm時，用液固比不小于5的飽和Ca（OH）2溶液在常溫條件下浸泡15 d，為適合我國西南地區生活垃圾焚燒底灰的較優預處理方案，但是處理時間較長，需進一步研究適合我國西南地區城市生活垃圾焚燒底灰特性且經濟有效的預處理方案。