生活垃圾焚燒爐底渣對干硬性混凝土力學性能及干燥收縮影響研究

章志，陳寧，王娟，董慶廣，曹黎穎

（1.上海市市政規劃設計研究院有限公司，上海 200031；2.上海市建筑科學研究院有限公司，上海 200032；3.上海寶鋼新型建材科技有限公司，上海 200199；4.上海城市路域生態工程技術研究中心，上海 201418）

0 引言

近年來，隨著人們生活水平的提高，城市生活垃圾產生量大幅增加。2019年全國城市生活垃圾產生量為3.43億t，比2018年增長6.2%。目前國內對城市生活垃圾主要的處理方式還是填埋，但是此種處理方式占用大量的土地資源；生活垃圾焚燒處理可有效減少垃圾體量（70%～80%）[1]，相比傳統的填埋處理方式有巨大的優越性。此外，城市生活垃圾焚燒處理過程中也會產生一定的熱能，再加上各級地方政府陸續出臺垃圾焚燒中長期規劃[2]，因此全國范圍內出現大量的垃圾焚燒廠或垃圾焚燒發電廠。城市生活垃圾焚燒發電過程中雖然能夠使得其達到減量化、無害化的目的，但是其焚燒后仍然會有20%～30%的質量以灰渣（飛灰和底渣）的形式留存[1]。有文獻指出，2019年全國共焚燒處理生活垃圾5932萬t，產生了520萬～780萬t焚燒爐底渣以及13萬t飛灰[3]。飛灰是危險廢物，必須按照規定進行管理和處置；但是燃燒充分的爐渣產品屬于一般固體廢棄物，其物理、力學性能等工程性質與天然的輕質骨料類似，說明其資源化利用具有一定的可行性[4-6]。

關于爐底渣的組成、成分的研究國內外已有很多報道。由于地理位置的不同，其組成、成分有一定的差異。但是大體上主要是一些熔渣、陶瓷或玻璃碎片、黑色或有色金屬、未燃盡的有機物以及一些不可燃物等組成[1，5-6]。主要晶體組成為石英（SiO2）、方解石（CaCO3），部分地區還含有Ca（OH）2和CaSO4[5-6]。城市爐底渣主要應用于道路工程中的路基路面[7-8]、水泥混凝土摻合料[8-9]等方面。爐底渣用于墻體材料主要是將其作為天然骨料的替代品，胡艷麗等[10]通過實驗確定底渣與水泥用量的比值控制在2.5左右時，抗壓強度能夠達到39.81 MPa，但是其比值超過2.5后強度急劇降低；且由于底渣為蜂窩狀顆粒，隨著底渣與水泥用量比值的增大，其導熱系數逐漸減小。楊媛等[11]利用硅酸鈉等堿激活劑、水泥、爐底渣等材料，制備出強度可達到20.56 MPa的免燒磚。爐底渣在預拌砂漿中也有類似應用，賈春林等[12]通過實驗確定灰渣摻量控制在25%以內時，隨其摻量的增加，砂漿的流動度、泌水度和密度逐漸減小，尺寸變化率逐漸增大，抗折和抗壓強度先提高后降低。以上研究表明，通過合理的控制爐底渣摻量及性能調節，爐底渣在建材領域一定程度上能夠實現資源化利用。

干硬性混凝土由于其配合比以及獨特的成型方式，能以較低的成本使水泥基材料達到較高的強度。在成型時干硬性混凝土拌合物具有極低的坍落度且成型過程中需要強力振搗，而以往的研究主要集中在砂漿或水泥摻合料等具有較大流動度的產品上，成型工藝相對簡單，對干硬性混凝土參考意義不大。因此，將爐底渣用于干硬性混凝土時需要經過嚴格的實驗驗證。本文采用強力擠壓成型方式，研究爐底渣對干硬性混凝土力學性能及干燥收縮的影響，并通過SEM和EDS分析了這種影響的內在機理。

1 實驗

1.1 原材料

水泥：萬安P·O42.5；爐底渣：上海市某環保材料有限公司提供；石屑：常規礦山石屑；水：自來水。水泥的物理力學性能見表1；石屑和爐底渣的顆粒級配見圖1，物理性能見表2；水泥、石屑和爐底渣的主要化學成分見表3。

表1 水泥的物理力學性能

圖1 石屑和爐底渣的顆粒級配曲線

表2 石屑和爐底渣的物理性能

表3 石屑、爐底渣和水泥的主要化學成分 %

由圖1、表2和表3可見，爐底渣與石屑的顆粒級配曲線比較接近，二者細度模數均為3.4。由于爐底渣中含有有機物的焚燒灰燼以及未燃盡的煤渣等密度較小的顆粒，其密度小于天然石屑。同時，爐底渣和石屑的主要化學成分均為SiO2、CaO、Al2O3，均屬于硅質材料，化學成分比較接近。

1.2 實驗方法

1.2.1 試塊制備

原材料均在實驗室環境（溫度20℃、相對濕度60%）中放置1d后進行實驗。干硬性混凝土基準配合比（kg/m3）為：m（水泥）∶m（石屑）∶m（水）=290∶1826∶195，采用爐底渣等質量取代石屑。

按配合比稱量好物料，將干物料（爐底渣、石屑和水泥）倒入攪拌鍋慢速攪拌30 s，再加入稱量好的水，先慢速攪拌2 min，再快速攪拌2 min。攪拌完成后，稱量一定質量的物料分3次倒入涂過油的模具中，每次放入后用搗棒搗實，放入全部物料后蓋上模具的蓋子，加壓至10 MPa（對應荷載為20 kN），待模具上下2塊底板與圓柱形模具平齊后緩慢卸載。最后在脫模機上脫模。將所有的試塊放入托盤中，蓋上塑料紙（防止養護期間淋水）放入混凝土標準養護室內養護至加載齡期。實驗用模具如圖2所示，試塊尺寸為Φ50 mm×50mm。

圖2 實驗用模具示意

1.2.2 用水量

按上述過程拌合，調節干硬性混凝土的用水量，使維勃稠度控制在39～31 s，研究不同爐底渣取代率對干硬性混凝土用水量的影響。維勃稠度參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》進行測試。

1.2.3 抗壓強度

抗壓強度參照GB/T 50081—2019《混凝土力學性能試驗方法標準》進行測試，采用TYE-300型萬能壓力機進行加載，加載速度為0.5 kN/min，每組3個試塊，取平均值。

1.2.4 干燥收縮

干燥收縮實驗參考GB/T 4111—2013《混凝土砌塊和磚試驗方法》進行，每組3個試塊，取平均值。

1.2.5 微觀分析

抗壓實驗測試之后，分別在爐底渣取代率為0、30%的圓柱體試塊上切取小塊試塊，放入無水乙醇中終止水化3d，然后放入65℃烘箱中烘干，切割成豆粒大小備用，利用SEM觀察其微觀形貌，并利用EDS分析其元素組成。

2 實驗結果與分析

2.1 爐底渣取代率對干硬性混凝土用水量的影響

（見表4）

表4 爐底渣取代率對干硬性混凝土用水量的影響

由表4可知，控制維勃稠度為39～31 s時，用水量隨著爐底渣取代率的增加而逐漸增多。爐底渣取代率小于30%時，爐底渣對干硬性混凝土拌合物的用水量影響較小。不摻爐底渣的空白組用水量為174 kg/m3；爐底渣取代率為20%和30%時用水量基本與空白組相當；當爐底渣取代率超過30%時，用水量增幅變大，爐底渣取代率為40%和50%時用水量較空白組分別增大8.0%和17.8%。

主要歸因于爐底渣中含有未燃盡煤炭等疏松多孔顆粒以及較多的粉末狀顆粒等吸水率較高或比表面積較大顆粒，導致干硬性混凝土達到一定維勃稠度時的需水量增加。另外，由于爐底渣的堆積密度小于石屑，因此爐底渣等質量替代石屑時實際上使用的細集料體積越來越大，導致拌合過程中需要更多的水來浸潤物料表面。將爐底渣取代率控制在0～30%時，干硬性混凝土用水量的增幅可以控制在一定范圍內（2%以下）。

2.2 爐底渣取代率對干硬性混凝土抗壓強度的影響

爐底渣取代率對干硬性混凝土7 d、28 d抗壓強度的影響見表5。

表5 爐底渣取代率對干硬性混凝土抗壓強度的影響

由表5可見，隨著爐底渣取代率的增加，干硬性混凝土的7 d、28 d抗壓強度均先降低后提高。爐底渣取代率低于30%時，雖然爐底渣對干硬性混凝土用水量的影響不大，但是相比于石屑，爐底渣中不僅含有碎玻璃、陶瓷等性質良好顆粒，同時含有未燃盡的有機物、熔渣等工程性質較差的顆粒，所以隨著爐底渣摻量的增加，干硬性混凝土的抗壓強度降低。取代率超過30%之后，爐底渣使干硬性混凝土的需水量急劇上升，控制用水量不變的情況下，干硬性混凝土中用于水泥水化的水減少（即實際上水灰比降低），從而導致干硬性混凝土的抗壓強度有小幅度的提高，但仍低于空白組。爐底渣取代率為30%時，干硬性混凝土的7 d、28 d抗壓強度較空白組分別降低了21.6%和22.1%；當取代率為40%時，7 d、28 d抗壓強度較空白組只分別降低了10.8%、14.1%。由于實際應用時必須考慮干硬性混凝土的工作性能，所以隨著爐底渣取代率的增加，必然導致用水量增加，從而導致水灰比也相應的有較大幅度的增加。干硬性混凝土中水泥的用量有限，水灰比增大對干硬性混凝土的強度有很大的影響。因此，干硬性混凝土中爐底渣取代石屑的取代率宜控制在30%以下。

為研究爐底渣對干硬性混凝土長齡期抗壓強度的影響，選取爐底渣取代率為30%試件進行長齡期抗壓強度測試，并與空白組進行對比，結果見表6。

表6 爐底渣干硬性混凝土長齡期抗壓強度

由表6可見，爐底渣取代率為30%的干硬性混凝土抗壓強度隨齡期的發展趨勢與空白組相似，只是摻加爐底渣使干硬性混凝土的早期和晚期抗壓強度都變低。爐底渣取代率為30%的干硬性混凝土7、28、56、200 d抗壓強度較空白組分別降低了21.6%、22.1%、24.0%、19.3%。相比于空白組，爐底渣取代率為30%的干硬性混凝土短期強度（28 d之前）發展較慢，7～28d的強度平均增長速度為0.25MPa/d，小于空白組的0.30 MPa/d。另一方面，爐底渣取代率為30%的干硬性混凝土56～200d之間的強度增長（強度平均增長速度為0.014MPa/d）要快于空白組（強度平均增長速度為0.006MPa/d）。這主要是因為爐底渣具有較高的吸水率，使摻30%爐底渣的干硬性混凝土中參與水泥水化反應的水比不摻爐底渣的對照組少，這限制了爐底渣干硬性混凝土中水泥的水化速度；隨著養護齡期的延長，對照組中水泥的水化程度比爐底渣干硬性混凝土中的水泥水化程度高，外部水分進入水泥顆粒未反應的核心時需要穿越的C-S-H凝膠層更厚，且水泥顆粒未反應的核心的表面積更小，使空白組干硬性混凝土后期的強度增長慢于爐底渣干硬性混凝土。

2.3 爐底渣對干硬性混凝土干燥收縮的影響（見表7）

表7 爐底渣對干硬性混凝土干燥收縮的影響

由表7可知，爐底渣取代率為30%的干硬性混凝土的干燥收縮值均比空白組小，7、14、28d齡期時，爐底渣取代率為30%的干硬性混凝土干燥收縮值較空白組分別減小了2.24%、8.73%、9.04%。隨著齡期的延長，干燥收縮值減小的幅度越來越大。

爐底渣中含有玻璃等非晶質SiO2，具有較高的吸水率，使得爐底渣取代率為30%的試塊平衡含水率高于空白組。此外，由于其具有較高的濕度，使得試塊中具有發生類似于堿-集料反應的化學環境。因此，失水較慢和類似于堿-集料反應的膨脹性反應使得爐底渣取代率為30%的試塊干燥收縮值小于空白組。

2.4 微觀機理分析

空白組及爐底渣取代率為30%的干硬性混凝土的SEM照片見圖3。

由于石屑的主要成分為天然巖石，水泥摻量較低時即使骨料存在一定的堿活性，也難以發生危害性的堿-骨料反應。所以不摻爐底渣的試塊中水泥能夠在正常的堿性環境中水化，由圖3可見，空白組中含有較多的鈣礬石和水化硅酸鈣等水泥水化產物；而爐底渣取代率為30%的干硬性混凝土中含有類似于堿-硅酸反應產物的花瓣狀堿-硅凝膠，其具有一定的吸水膨脹性，而且其反應過程可能使得集料表面產生一些微裂縫。進一步解釋了摻30%爐底渣使干硬性混凝土抗壓強度和干燥收縮值減小的現象。

圖3 干硬性混凝土的SEM照片

利用EDS能譜分析花瓣狀凝膠元素組成，如表8所示。

表8 花瓣狀堿-硅凝膠元素含量 %

由表8可見，花瓣狀凝膠化學成分組成比較復雜，由O、Si、Ca、C、Na、及Al組成。雖然它與一般的堿-集料反應產物形貌相似，但是其化學組成有所差別。這可能是因為爐底渣化學成分相對復雜，其產生花瓣狀凝膠時反應產物中同時夾雜爐底渣中本身含有的物質，如晶相的碳酸鈣或焚燒渣中參與的碳元素。根據表8中各元素比例，其主要成分可能是水泥熟料C2S、C3S水化反應產生的C-S-H凝膠、堿-硅酸反應生成的堿-硅凝膠（Si—ONa）及爐底渣中殘留的煤炭；其中的鋁元素可能來自于水泥熟料C3A的水化產物，但是凝膠中并未觀察到C3A典型的六方板狀晶體，可能是因為花瓣狀凝膠對C3A水化產物的吸附作用比較強，導致其無法結晶生成六方板狀晶體。

3 結論

（1）爐底渣的部分工程性質以及化學組成與天然石屑類似，作為干硬性混凝土細集料具有一定可行性。

（2）隨著爐底渣取代率的增加，干硬性混凝土達到一定的工作狀態時的需水量逐漸增加。爐底渣取代率超過30%時，干硬性混凝土的需水量急劇上升。

（3）在水固比保持不變時，干硬性混凝土的抗壓強度隨著爐底渣取代率的增加先降低后提高，爐底渣取代率為30%的干硬性混凝土28 d抗壓強度最低?？紤]到爐底渣取代率超過30%時用水量顯著增加，所以取代率控制在30%以內。

（4）7、14、28 d齡期時，爐底渣取代率為30%的干硬性混凝土干燥收縮值較空白組分別減小了2.24%、8.73%、9.04%。隨著齡期的延長，干燥收縮值減小的幅度越來越大。

（5）摻爐底渣的試塊中含有類似于堿-集料反應的膨脹性反應，導致干硬性混凝土抗壓強度和干燥收縮值比空白組小。試塊中生成了類似于堿-骨料反應的花瓣狀堿-硅凝膠，而空白組中更多的是水泥水化的鈣礬石和水化硅酸鈣。