生活垃圾焚燒飛灰造粒顆粒應用于瀝青混合料的研究

周 慧 周開利

生活垃圾焚燒飛灰造粒顆粒應用于瀝青混合料的研究

周 慧 周開利

（昆明公路局，云南 昆明 650200）

垃圾焚燒廠在處理垃圾的過程中會產生大量的飛灰，不加處置將會對水和土壤造成污染，甚至危害人體健康。本研究采用水泥/硅灰/粉煤灰對飛灰進行造粒處理，分析了造粒原理，并總結出造粒步驟。將造粒成功的顆粒應用到瀝青混合料中用以代替部分細集料，設計4種不同摻量方案，通過凍融劈裂試驗，并根據氯鹽對瀝青混合料水穩定性影響機理，結合凍融劈裂試驗結果，得出選擇的合適摻量為飛灰/水泥/硅灰/粉煤灰造粒顆粒的最大摻量為11.5%，即飛灰摻量為5.75%。

瀝青混合料；飛灰；造粒；水穩定性

0 概述

生活垃圾的產生量隨著人們生活質量的提高而更甚，同時對生態環境的影響程度更深。近些年，多省市建立了大型垃圾焚燒廠，將焚燒垃圾產生的熱能用于發電，達到了循環利用的目的，但是焚燒垃圾的產物飛灰中含有二惡英、重金屬和可溶性鹽類等有毒物質，若未加處理極易造成對水和土壤的污染，損害人體健康。

目前，處理飛灰的方式是將其加熱至1400℃以上，使其生成熔渣冷卻固化后填埋，此為熔固填埋法，但后續收尾工作難以處理。又或采用化學劑固結飛灰中的金屬物質，由于生活垃圾種類成分太多，無法實現一對多的關系。基于以上原因，學者開始采用水泥固化飛灰，王彩萍等[1]通過優化MgO/MgCl2的摩爾比可以進一步改善氯氧鎂水泥對飛灰的固化效果，是飛灰資源化利用的一種有效方式。季煒等[2]發現液固比為10:1、振蕩時間為20 min、沉淀時間為30min的條件下，純水對氯離子具有最佳去除效果，飛灰摻量10%以內對固化體強度增長有促進作用。Nabajyoti Saikia[3]等將微粒徑（0.1~0.2mm）的飛灰顆粒作為細集料應用于水泥膠漿，實現飛灰的再利用。

我國飛灰的產量巨大，若將其處理后作為細集料應用于路面材料既符合國家提倡的發展循環經濟的要求，同時又減少對天然巖石資源的開采，實現建設資源節約型社會的目標。在這個方向，李菁若[4]、譚巍[5]等采用水泥固化飛灰制成細集料，水洗飛灰作為填料添加到瀝青混合料中，總結出影響瀝青混合料性能的因素主要為飛灰的理化性質。

故此，本研究采用水泥、硅灰、粉煤灰作為飛灰造粒的原材料，研究飛灰/水泥/硅灰/粉煤灰造粒顆粒的摻量對瀝青混合料路用性能的影響。

1 造粒研究

1.1 造粒原理

城市生活垃圾焚燒飛灰/水泥造粒時會始終存在一些較大的孔隙，而且水化后會在內部形成毛細微孔，飛灰中的重金屬會通過這些孔隙滲透浸出，并且水也會通過這些微孔浸入瀝青混合料內部，溶解可溶鹽，在瀝青混合料內部產生鹽類侵蝕，從而影響瀝青混合料的水穩定性。為了避免這種問題，通過模仿瀝青集料的密級配堆積原理，把不同粒徑微粉（飛灰/水泥/硅灰/粉煤灰）混合固化，達到密級配堆積效果，并且小粒徑的硅灰可以與水化產物C-S-H反應生成硅酸鈣凝膠，可以有效填充水泥顆粒的空隙，改善界面結構和粘結力，形成有效密實結構。而且由于顆粒密堆積，產生的毛細通道比較少，可以有效地減少水的滲透，結構密實，同時阻止了水的進入和重金屬的浸出，對飛灰有著良好的包裹效果，而且提高了造粒顆粒的早期強度。粉煤灰的加入可以進一步提高造粒顆粒的致密性和早期強度。從這幾點來看，飛灰/水泥/硅灰/粉煤灰造粒顆粒在密實性、早期強度和內部微孔率上要優于飛灰/水泥造粒顆粒。

1.2 造粒步驟

①對飛灰、水泥、粉煤灰進行粒徑分析，由于條件關系，只能使用目篩對其進行篩分，飛灰的粒徑一般在0.065mm~0.075mm之間，而水泥的粒徑集中在小于等于0.038mm，粉煤灰的粒徑小于等于0.15mm，但大部分在0.038mm以下。

②根據密級配堆積原理和各微粉的粒徑初步擬定各個材料的比例，結合經濟性和適用性已知微粉的粒徑，初擬比例為飛灰/水泥/硅灰/粉煤灰=1:0.62:0.2:0.18。

③造粒步驟與生活垃圾焚燒飛灰/水泥造粒步驟相同。試驗所用水泥為P·O 42.5，粉煤灰為二級粉煤灰，飛灰為重慶某垃圾廠去除了≧95%的二惡英的飛灰，硅灰為SiO2含量≥93%的中品質硅灰，水的摻量為30%。對初擬比例的造粒顆粒與飛灰/水泥造粒顆粒對比分析其密實狀態。

圖1 造粒外觀

2 原材料

2.1 SBS改性瀝青

試驗采用SBS改性瀝青，其技術性質見表1。

表1 SBS改性乳化瀝青技術性質

2.2 集料

本試驗中粗集料選用玄武巖，細集料選用云峰石灰巖，根據相關規范測定其性能指標，見表2、3。

表2 粗集料技術性質

表3 細集料技術性質

本試驗采用級配為SMA-13，級配曲線見圖2。

圖2 SMA-13級配曲線圖

2.3 纖維

SMA中添加纖維可以有效地改善瀝青混合料的路用性能，可以提高瀝青混合料的耐久性和水穩定性。采用市購絮狀木質素纖維，相關技術指標見表4。

表4 纖維技術性質

2.4 造粒顆粒技術性質

用飛灰/水泥/硅灰/粉煤灰造粒顆粒取代SMA-13的細集料部分，對其技術性質進行測試，結果見表5。

表5 造粒顆粒技術性質

飛灰/水泥/硅灰/粉煤灰造粒顆粒細集料的各項性能指標（除棱角性）都不能滿足相關規范要求，尤其砂當量和含泥量遠遠超出規范標準。在制備顆粒過程中，采用的是人工破碎的方法，在破碎過程中，總會有一些破碎粒徑較小的粉末粘附在顆粒表面，從而導致造粒顆粒的含泥量和砂當量遠遠超過規范標準，而且人工破碎的顆粒，表面構造不均勻，多凸起，粗糙度大，這也是棱角性大于規范和石灰巖細集料的原因。所以飛灰/水泥/硅灰/粉煤灰造粒顆粒只能部分代替細集料。

3 造粒顆粒應用于瀝青混合料摻量研究

3.1 造粒顆粒滴定處理

本研究主要通過AgNO3滴定法對飛灰/水泥=1:1造粒顆粒和飛灰/水泥/粉煤灰/硅灰=1:0.62:0.18:0.2造粒顆粒的浸出液進行滴定，分析造粒處理后顆粒的氯離子浸出，試驗步驟如下：

①按細集料的級配比例取23.6g飛灰/水泥=1:1造粒顆粒和飛灰/水泥/粉煤灰/硅灰=1:0.62:0.18:0.2造粒顆粒，用1000g水浸泡。

②在強力攪拌器下攪1h（轉速500r/mim左右）防止轉速太大使造粒顆粒破碎影響氯離子的浸出。

③攪拌或者震蕩結束后，沉淀或靜置24h左右，直至上清液不再渾濁，取100ml上清液進行滴定。

④加入3~4滴酚酞指示劑溶液，用氫氧化鈉與稀硝酸調節pH，使紅色剛好變為無色。加入10~20滴鉻酸鉀指示劑溶液，在不斷搖晃下，滴加制備好的硝酸銀溶液，直至出現磚紅色沉淀，記錄真實硝酸銀溶液滴加前后的讀數。

表6 飛灰造粒顆粒Cl-滴定

飛灰/水泥/粉煤灰/硅灰造粒顆粒的氯離子的浸出量6.77%，相對于原樣飛灰中16.56%的氯離子含量減少了9.97%，說明造粒預處理對飛灰中的可溶鹽有一定的包裹和抑制作用，其包裹效果和密實程度以及抑制可溶鹽的浸出更優，并且飛灰/水泥/粉煤灰/硅灰造粒顆粒的毛細微孔也較少。

3.2 造粒顆粒摻量研究

本試驗以飛灰/水泥/硅灰/粉煤灰造粒顆粒取代SMA-13中0.15mm~1.18mm粒徑全部細集料為基礎，依次增加2.36mm~4.75mm、0.075mm部分的取代量，之后擊實馬歇爾試件，進行凍融劈裂試驗，以凍融劈裂強度比大于80%為目標，得出飛灰/水泥/硅灰/粉煤灰造粒顆粒的最大摻量，再通過浸水馬歇爾試驗進一步驗證造粒顆粒瀝青混合料的水穩定性，試驗設置4種不同方案的摻量，4.75~13.2mm粒徑顆粒和礦粉摻量不變，具體摻量見表7。隨后進行凍融劈裂強度試驗，其結果見表8。

表7 造粒顆粒摻入情況

表8 凍融劈裂試驗試驗結果

可以看出1#、2#的凍融劈裂強度比大于80%，符合規范對水穩定性的要求，4#相比較于2#，在2.36mm粒徑中增加了1.2%的摻入量，但水穩定性卻遠遠下降，只達到73.29%，3#和2#中飛灰/水泥/硅灰/粉煤灰造粒顆粒的摻量相同，但3#的凍融劈裂強度比卻遠低于2#，由具體摻入情況分析，3#造粒顆粒增加了0.075mm粒徑0.8%的摻量，而2#增加了2.36mm粒徑0.8%的摻量，這說明，小粒徑的飛灰/水泥/硅灰/粉煤灰造粒顆粒對飛灰的包裹效果較差，從而造成了飛灰中可溶鹽的浸出，影響水穩定性。綜合分析4種摻量下馬歇爾試件的凍融劈裂強度比，可以得出飛灰/水泥/硅灰/粉煤灰造粒顆粒的最大摻量為11.5%，即取代0.15mm~1.18mm和0.8%2.36mm粒徑的細集料，飛灰摻量為5.75%，但在此摻量下，飛灰/水泥/硅灰/粉煤灰造粒顆粒瀝青混合料的水穩定性仍舊良好，但由于飛灰量不足，無法進一步研究更大摻量下的飛灰/水泥/硅灰/粉煤灰造粒顆粒瀝青混合料的水穩定性。因此本研究采用飛灰/水泥/硅灰/粉煤灰造粒顆粒的最大摻量為11.5%，即飛灰摻量為5.75%。

3.3 飛灰對水穩定性的影響機理分析

生活垃圾焚燒飛灰資源化問題主要集中在重金屬離子二惡英的危害作用，一旦處理不當，就會造成環境污染。將飛灰應用在瀝青路面，通過水泥和瀝青的雙層包封作用，可以使飛灰中的重金屬有效地固化、穩定化，減少了重金屬的浸出，但是飛灰中可溶鹽的存在可導致瀝青混合料在凍融情況下的水損害和開裂。因此在本研究中，主要通過對飛灰在瀝青路面的水穩定性進行研究分析，從而得到飛灰造粒顆粒和水洗預處理飛灰在瀝青混合料中的最大摻量，從試驗數據中可以看出，無論是造粒顆粒還是水洗飛灰都增加了飛灰在瀝青混合料中的最大摻量。

生活垃圾焚燒飛灰對瀝青混合料水穩定性的影響主要集中在可溶鹽對瀝青混合料的侵蝕作用，由于飛灰是直接作為填料或細集料，因此它與普通的融冰鹽破壞機理大不相同，普通的融冰鹽破壞是由于外部可溶鹽溶液經瀝青混合料的空隙滲入而引起水損害，而在摻入飛灰的瀝青混合料中，可溶鹽是存在于混合料內部，在水浸狀態下，水的浸入會溶解內部的可溶鹽，從而從內部引起水損害和開裂，對瀝青路面造成很大的損害。

可溶鹽對瀝青混合料的侵蝕主要體現在以下幾個方面：首先，氯鹽在混合料內部會與瀝青發生化學吸附形成吸附層，改變瀝青組分，加速瀝青的老化，尤其是在造粒顆粒和水洗飛灰與瀝青的結合部分，瀝青的老化更為嚴重，從而使瀝青與集料的粘附性下降，進一步影響水穩定性；其次，可溶鹽在凍融循環過程中，會不斷產生結晶體，而且可溶鹽的存在會加速瀝青混合料中的堿集料反應，生成一些硅酸鹽凝膠，這些凝膠吸水會發生結晶膨脹，在瀝青混合料內部產生應力，造成混合料內部開裂，影響瀝青混合料的穩定性；另外，可溶鹽在結晶中會放熱，這些熱量會集中在瀝青混合料內部，與外面形成溫度差，產生溫度應力，使瀝青混合料內部膨脹，而且由于可溶鹽在內部，在水滲入瀝青混合料時，內部溶液濃度較大，形成內外滲透壓，產生內應力，破壞結構，影響瀝青混合料結構穩定性。因此，飛灰要想實現在瀝青路面的資源化利用，可溶鹽的處理是必要步驟。

4 結論

本研究采用水泥/硅灰/粉煤灰對城市垃圾飛灰進行造粒能夠對飛灰中的可溶鹽起到一定的包裹和抑制作用，其密實程度較為優越，并且顆粒的毛細微孔也較少。飛灰/水泥/硅灰/粉煤灰造粒顆粒可以代替少量細集料，研究采用4種不同摻量方案進行凍融劈裂，根據氯鹽對瀝青混合料水穩定性影響機理，結合凍融劈裂試驗的結果選擇的合適摻量為飛灰/水泥/硅灰/粉煤灰造粒顆粒的最大摻量為11.5%，即飛灰摻量為5.75%。

[1]王彩萍, 周明凱, 陳瀟, et al. 氯氧鎂水泥對焚燒飛灰固化作用及影響因素[J]. 功能材料, 2013, 44(021):3186-3189.

[2]季煒，李菁若. 城市生活垃圾焚燒飛灰濕處理及其在水泥中的固化研究[J]. 環境影響評價，2015,37(3):73-76

[3]Iretskaya S , Nzihou A , Zahraoui C , et al. Metal leaching from MSW fly ash before and after chemical and thermal treatments[J]. Environmental Progress & Sustainable Energy, 2010, 18(2):144-148.

[4]李菁若,譚巍. 城市生活垃圾焚燒飛灰對瀝青混合料TSR的影響分析[J]. 中外公路(1期):250-253.

[5]譚巍, 李菁若, 季煒, et al. 城市生活垃圾焚燒飛灰在瀝青混合料中的應用[J]. 中國公路學報, 2016, 29(04):14-21.

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1007-6344（2021）04-0003-03