垃圾焚燒飛灰在綠色超高性能混凝土中的應用

李文娟，華先樂，李良偉，趙而法，侯東帥

(青島理工大學土木工程學院，青島 266033)

隨著城市化進程的加快，人口不斷增加，城市生活垃圾量也隨之增加。截止2019年，垃圾清運量達到24 206.2萬t[1-3]，并且垃圾產量仍以每年8%～10%的增長率增加。我國處理城市生活垃圾的技術手段主要有堆肥法、填埋法和焚燒法，焚燒法在我國的應用最為廣泛。生活垃圾經過焚燒處理后產生的固體殘渣大約占垃圾質量的30%～35%，其中飛灰約占固體殘渣的17%，底渣大約占83%[4]。城市生活垃圾焚燒飛灰(municipal solid waste incineration fly ash,MSWI-FA)主要包含化學藥劑、煙灰和化學反應產物，其物化性質隨焚燒廠煙氣凈化系統類型的不同而有所差異[5]。城市生活垃圾焚燒技術能夠減少約90%的垃圾體積，從而降低填埋垃圾所用的空間[6]。然而，MSWI-FA中含有重金屬離子，若直接進行填埋處理，會對填埋場周圍的環境造成危害[7]。

鄧芳等人[8]研究了摻加MSWI-FA對普通混凝土的影響，但是目前MSWI-FA對超高性能混凝土(ultra high performance concrete,UHPC)的影響研究仍未得到關注。UHPC是一種新型建筑水泥基復合材料[9]，其具有超高的強度和優異的耐久性[10,11]，因此在工程界有廣泛的應用前景。UHPC通常以水泥、粉煤灰、硅灰和細骨料作為原材料進行配制而成[12]。Park等人[13]研究發現在UHPC中摻加平直鋼纖維可以顯著提高其抗壓強度。此外，相較于普通混凝土，UHPC擁有致密的微結構和極低的滲透性，因此對MSWI-FA中重金屬離子的固化能力較強。綜上所述，UHPC對解決MSWI-FA中重金屬浸出問題比普通混凝土更具優勢[14,15]。研究MSWI-FA在UHPC中的應用有利于緩解城市環境污染問題。

該研究對不同硅灰摻量下飛灰UHPC的性能進行研究。通過對力學性能、微觀結構和重金屬浸出濃度進行測試分析，探究硅灰對飛灰UHPC的作用機制。

1 試 驗

1.1 原材料

1)水泥：取自江南小野田公司的PⅡ52.5普通硅酸鹽水泥，其主要化學成分如表1所示。

2)MSWI-FA：取自南京環境再生能源有限公司的焚燒飛灰。

3)粉煤灰：取自深圳道特科技有限公司的超細粉煤灰。

4)硅灰：取自埃肯國際貿易(上海)有限公司的95級硅灰，其主要化學成分如表1所示。

表1 水泥和硅灰的化學組成 w/%

5)鋼纖維：取自上海真強纖維有限公司的高強微細鋼纖維，其長徑比為65，直徑為0.2 mm，長度為13 mm，抗拉強度約為3 000 MPa。

6)減水劑：取自西卡(江蘇)建筑材料有限公司的聚羧酸減水劑，其減水率為30%，固含量為40%。

7)細集料：取自細度模數為2.6的天然河砂。

8)水：取自南京市本地自來水。

1.2 樣品制備

表2為UHPC的配合比，在保持MSWI-FA摻量占膠凝材料10%不變的條件下，分別以0、12.5%和25%的硅灰等質量取代水泥，將試樣分別命名為M1、M2和M3。其中，UHPC試塊的養護制度是在90 ℃條件下蒸汽養護3 d，然后再進行標準養護3 d。UHPC試塊的制備步驟首先是將PⅡ52.5 水泥、粉煤灰、MSWI-FA、硅灰和河砂干拌混合均勻。其次，將減水劑緩慢加入自來水中，順時針攪拌得到均勻的水溶液。最后，將制備好的水溶液緩慢加入到混合好的干料中。其中，將水溶液加入混合料時，調節旋轉式混合攪拌機的工作參數進行混合，轉速為140 r/min下攪拌30 s，再在轉速為285 r/min下攪拌60 s；將速度調至轉速140 r/min，緩慢加入鋼纖維，再攪拌60 s。混合均勻后裝模，模具尺寸為40 mm×40 mm×160 mm。

表2 UHPC的配合比 /(kg·m-3)

1.3 方法

依據《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》(GB/T17671—1999)測試UHPC的抗壓強度和抗折強度。采用SEM表征MSWI-FA和UHPC的微觀形貌。分別采用X射線衍射分析(XRD)和X射線熒光分析(XRF)表征MSWI-FA的化學性質。采用壓汞試驗(MIP)測試UHPC的孔隙結構。根據《固體廢物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法》(HJ/T 299—2007)測試UHPC中重金屬離子的浸出情況，并用電感耦合等離子體質譜法(ICP-MS)對濾液進行分析。

2 結果與分析

2.1 MSWI-FA的微觀表征

表3為MSWI-FA的主要化學成分，表4為MSWI-FA中的重金屬含量。從表3中可以看出MSWI-FA的主要化學成分同水泥的主要化學成分(如表1所示)接近，均含有Fe2O3、Al2O3、CaO和SiO2，這表明MSWI-FA的化學成分與粉煤灰等膠凝材料接近。通過魯劉磊[16]等人的研究發現MSWI-FA的燒失量較高，說明MSWI-FA中含有部分未燃盡的有機物和大量揮發性物質存在。

表3 MSWI-FA的化學成分 w/%

從表4可以看出，MSWI-FA中的重金屬含量有所不同，其中Cr、Zn、 Pb、 Cu和Cd等有害重金屬離子含量占比最大。當金屬物質的蒸發點比焚燒溫度低時，重金屬物質能夠蒸發進入煙氣，這也與焚燒的溫度有一定關系。煙氣中的金屬物質，隨煙氣溫度的降低凝結成均勻的小顆粒并凝結于煙氣中的煙塵上，最后被煙氣除塵設備捕集形成焚燒飛灰[8]。

表4 MSWI-FA中的重金屬含量 /(mg·kg-1)

MSWI-FA的XRD結果如圖1所示，MSWI-FA的主要晶相為SiO2、CaCO3和CaSO4。如表1所示，硅灰的主要礦物組成為SiO2，其為制備UHPC提供了活性SiO2，其與膠凝材料能夠生成水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠。

MSWI-FA的SEM如圖2所示，MSWI-FA表面凹凸不平，顆粒較小，大多呈不規則形狀。此外，MSWI-FA的孔隙率較高，因此其比表面積較大。

2.2 UHPC的力學性能

圖3為MSWI-FA對UHPC力學性能的影響。對比硅灰摻量對于UHPC的影響可以發現MSWI-FA與膠凝材料結合能進一步提高UHPC的抗壓強度。并且，隨著硅灰摻量的增加，M1、M2和M3試塊的抗壓強度也隨之增加，這說明摻加硅灰可以進一步提高UHPC的抗壓強度。此外，膠凝材料中的粉煤灰也起到了一定的作用，粉煤灰可以使微結構更加密實，并填充孔隙。在MSWI-FA摻量為10%不變的情況下，摻硅灰的量為25%時，UHPC抗壓強度是最高的，其中最高強度可達138.2 MPa。由圖3(b)可知，試件M2和M3的抗壓強度均高于M1。摻加10%的MSWI-FA可起到成核作用，促進水泥水化產物在早期快速生成，因而抗壓強度增大[17]。同時，在UHPC中硅灰提供的活性SiO2與MSWI-FA反應生成水化產物，提高UHPC的抗壓強度。因此，在UHPC中摻加MSWI-FA是可行的。隨著硅灰摻量的增加，UHPC的抗壓強度均有明顯提高。

2.3 UHPC的微觀表征

圖4為UHPC的SEM圖像。隨著硅灰摻量的增加，UHPC的微結構變得更加密實。硅灰中的活性SiO2能夠增加水化產物的含量，并且增加C-S-H凝膠的密實程度。由圖4(a)可以發現，UHPC的微結構中孔隙較多，且尺寸較大。而對于圖4(b)而言，其微結構變得更加密實，孔隙率降低，孔徑變小。由此可見，向UHPC中摻加硅灰有益于提升其微結構的密實程度。

2.4 UHPC的孔隙結構

圖5和圖6為M1、M2和M3樣品孔徑分布和累積孔徑分布曲線圖。其中，M1、M2和M3的孔隙率分別為19.63%、15.14%和8.34%。在保持飛灰摻量為10%不變的條件下，摻加12.5%和25%的硅灰有利于降低UHPC的孔隙率。圖5可以看出M1和M2有明顯的峰值，M3無明顯峰值。未摻硅灰UHPC的孔徑主要集中分布在10 nm以下。圖6為M1、M2和M3的累積孔徑分布曲線，其中M1、M2和M3的孔體積分別為0.102 6 mL/g、0.081 8 mL/g和0.064 0 mL/g，這說明摻加硅灰能夠降低飛灰UHPC的孔隙率。

2.5 UHPC的重金屬浸出

MSWI-FA的重金屬浸出試驗結果如表5所示，MSWI-FA的浸出液中Zn、Pb、Cd和Cr的重金屬濃度均高于固廢浸出毒性鑒別標準[18]。因此必須對MSWI-FA進行固化處理。通常，溶于水的重金屬為可溶性鹽，如鹵化鹽和硫酸鹽。而對于MSWI-FA而言，其所含的重金屬常以難溶金屬化合物的形式存在。以Zn為例，MSWI-FA中重金屬存在形式是ZnO和Zn(OH)2等難溶化合物，而ZnSO4、ZnCl2等可溶性化合物已溶于水中[17]。因此，向飛灰UHPC中摻加硅灰能夠有效降低其重金屬浸出濃度。例如，在MSWI-FA中Zn的濃度為3 979.77 mg/kg，而M3試塊中Zn的浸出液濃度僅為57.35 mg/kg。據此判斷出UHPC對MSWI-FA中的重金屬浸出有顯著的固化效果。

表5 飛灰UHPC的重金屬浸出含量

3 結 論

a.MSWI-FA的主要成分是Fe2O3、Al2O3、CaO、SiO2，這反映了MSWI-FA的成分與粉煤灰等膠凝材料接近，因此可以將其用于制備UHPC。

b.隨著硅灰摻量的增加，飛灰UHPC的力學性能也隨之增加。

c.UHPC對MSWI-FA中的重金屬離子的固化穩定效果較好，可以將重金屬離子固化在UHPC的水化產物中，因此MSWI-FA能夠應用于綠色建材行業。