生活垃圾焚燒底渣在巖土工程中的應用

溫振才

一、前言

隨著經濟的飛速發展，人民物質生活水平的顯著提高，人口密度增大，生活垃圾產量也迅速增加。根據數據統計，全球每年產生的生活垃圾約20億噸，2016年我國生活垃圾清運量為2億噸，如圖1所示，同比增長5.99%。傳統的生活垃圾處理方法主要有堆肥處理和集中衛生填埋法。但是堆肥處理存在周期長、衛生條件問題以及二次污染等問題，衛生填埋常常受填埋場地資源限制。然而，與堆肥處理和衛生填埋相比，垃圾焚燒處理技術具有處理周期短，處理效率高，占地面積小，無害化程度高等優點。垃圾焚燒處理以其獨特的技術優勢逐漸成為比較受歡迎的垃圾處理技術。近年來，據國家統計局統計，我國生活垃圾通過焚燒無害化處理的占比從2006年的7.67%增長到2016年的36.24%。

圖1 我國近十年生活垃圾無害化處理情況

焚燒爐產生的殘渣我們稱之為焚燒灰渣，我國一般將垃圾灰渣分為底渣和飛灰兩大類，其中底渣含量較多（約占灰渣的80%左右），飛灰約占20%。國際上對生活垃圾焚燒底渣的研究已經有相當長的歷史，國內關于垃圾焚燒底渣的研究起步比較晚。章驊和何品晶較全面地介紹了垃圾焚燒灰渣的主要組分，對基本的無機化學性質、有機化學性質和重金屬浸出毒性等化學性質都做了相關研究。

二、焚燒底渣基本的物理性質

1.比重

固體比重是指該物質在完全密實狀態下的密度與在標準大氣壓下4℃時純水的密度的比值，是無量綱的值，一般情況下會受到溫度和壓力的影響。比重可以代表土體的相對密度，工程中常用于計算土體的密實度。

由試驗結果可知，該垃圾焚燒底渣的平均比重為2.71。一般情況下，砂土的比重范圍為2.65～2.69，粉土的比重范圍為2.70～2.71，粉質粘土比重范圍為2.72～2.73，粘土比重范圍為2.74～2.76。由此可知，底渣的比重與粉質粘土接近。

2.顆粒分析

顆粒級配是指圖中各個粒組的相對含量。土體的粒徑級配會影響土體的強度、滲透性以及抗凍性能等。級配良好的土可以達到更高的壓實度，具有更好的力學性能。級配不良的土孔隙較多較大，具有良好的滲透性，在工程中可運用排水結構和反濾層中。

該底渣的顆粒級配分析結果如圖2所示，該底渣的平均粒徑d50=2.0 mm，試樣中粒徑在1～60 mm范圍內的顆粒占底渣試樣總質量的52.97%，粒徑小于0.1 mm的顆粒含量為3.47%，可知該底渣為砂類土，因此屬于粗粒土。

圖2 底渣顆粒級配曲線

由計算得到該底渣的不均勻系數Cu>5，屬于不均勻類；曲率系數Cc<1，底渣粒徑不連續，從圖中可知缺少0.075～0.1mm和1～2mm兩個粒組。綜上所述，說明該底渣屬于級配不良。

3.含水率試驗

含水率指的是試樣中固體質量與水的質量的比值。由試驗結果可知該底渣的自然風干含水率為6.3%。考慮到底渣的含水率受堆置時間和地點的影響較大，因此在工程應用中含水率的影響可忽略不計。

4.界限含水率

粘性土兩種稠度之間的分界含水率稱為土的界限含水率，土塑性狀態到液性狀態的界限含水率稱為液性界限，塑性狀態和半固性狀態的界限含水率稱為塑性界限。通過界限含水率試驗可以測定土的液限和塑限，評價土的狀態，明確土的分類。

試驗結果測得該底渣的液限為26.5%，塑限為3.6%。塑性指數為22.9%，液限指數為0.11。該底渣在取樣狀態下處于硬塑狀態，可塑性不強。

三、工程應用分析

1.路堤填料

在公路建設中需要大量的土方填充做路基路面。而由前述的篩分試驗和擊實試驗可知，底渣具有良好的骨架性能和擊實性能。

根據公路質量驗收相關標準，高速公路、一級公里最高壓實度要求在重型擊實條件下達到96%，二級公路最高要求壓實度達到95%。由擊實試驗可知，在重型擊實試驗條件下底渣的壓實度可達到97%，已經符合了公路質量驗收標準。

2.固化摻料

在眾多淤泥處理工程中，由于淤泥含水量高、滲透性弱、強度較低等特點。使其處理效率受到很大阻礙。而垃圾焚燒底渣與淤泥不同，表面多孔，吸水性強，強度較高，還具有一定的火山灰活性。如果利用焚燒底渣的骨料性能，較高的吸水性和一定的火山灰活性，將垃圾焚燒底渣摻加到淤泥中并進行適當的固化處理，即能改善淤泥的力學性能，又能提高淤泥的處理效率。

由粒徑分析結果可知，底渣粒徑大于5mm的顆粒含量為70.15%，而小于5mm的顆粒含量僅為29.85%。因此該底渣粒徑在4.75mm以上，符合《建筑用卵石、礫石》（GB/T14685-2011）的要求。其可以用作淤泥固化中類似礫石骨料，起到良好的骨架作用。在混合土料中，底渣起到粗粒骨架作用，淤泥中的細粒起到填充作用。

3.水泥混凝土和瀝青替代骨料

通過承載比和之間試驗結果分析，底渣具有很好的局部抗壓強度，底渣粒徑2～60 mm范圍內的顆粒含量為52.97%，小于0.1mm的顆粒含量為3.47%，大顆粒含量高，能起到很好的骨架作用。根據《建筑用砂》（GB/T14684-2001）進行粗細程度和顆粒級配評估，計算細粒模度為2.5，顆粒級配在合理的范圍之內，說明底渣可以充當混凝土中礫石骨料的角色。

四、結論

本文對生活垃圾焚燒底渣進行了一系列試驗研究，分析出底渣的基本物理，并針對其在巖土工程中的資源化利用途徑進行了可行性分析，得出以下主要結論：

焚燒底渣具有與砂土相似的性質。其粗顆粒含量較高，表面疏松多孔，吸水率較高，比重約為2.71，重型擊實條件下可達到不低于95%的壓實度，有效CBR不低于72.96%，在最佳含水率處達到最高。

底渣與不同材料配合，可以表現出較好的工程性質。底渣與細顆粒土配合，用于道路路堤填料，由于底渣本身具有很好的可壓實性，改良后粒徑級配更好，擊實效果也明顯提高。另外，底渣可用于淤泥固化的骨料以及水泥混凝土和瀝青材料的替代骨料。