垃圾焚燒爐渣在綠色墻體材料制備中的應用

中國城市建設研究院有限公司廣東分院 王洺鍇

大量的生活垃圾已成為眾多城市亟待解決的問題之一。目前國內外處理生活垃圾主要有三種常見方式，分別是填埋、焚燒和堆肥，其中焚燒方式因具有減容迅速、處理量大、無害化徹底且燃燒產生的高溫能回收利用的優點，在我國大多數城市中得到了應用。但隨之而來也產生了龐大固體殘渣的問題，在這些固體殘渣中，爐渣約占80%-90%，面對如此多的爐渣，還需進一步進行資源化利用。爐渣從化學成分來看，主要由眾多的硅質材料組成，其與水泥混凝土中的硅質混合材料類似，礦物組成也和建筑天然材料相似。因此，將爐渣應用到墻體材料制備上有著巨大的資源化利用潛力。另外，由于焚燒爐渣屬于一般固體廢料，可直接丟棄、填埋或經過簡單處理后用于墻體材料。本文綜述了國內外生活垃圾焚燒爐渣在綠色墻體材料上的應用現狀，為爐渣的資源化、綠色化、效益化利用提供方向。

一、爐渣的主要特性

生活垃圾焚燒后產生的爐渣主要由碎玻璃、碎陶瓷、碎瓷磚、沙土、金屬制品以及少量塑料等混合雜物組成。其中碎玻璃、碎陶瓷、碎瓷磚和沙土等不能燃燒的干垃圾可由粉碎機或篩子進行處理，將爐渣顆粒大小降到5mm以下，其作用不會影響墻體材料的性能。金屬制品雜物主要來自于人們的日常生活用品，如紙箱圖釘、螺釘、不銹鋼盆等，含單質鐵的金屬制品在垃圾焚燒時會發生氧化反應，生成氧化物，對墻體材料的性能有一定程度的影響。塑料等雜物是由于垃圾在焚燒過程中溫度未達其燃點或焚燒不夠徹底而殘留下的。以上這些混合雜物可經過預處理去除，得到可以用于墻體材料的爐渣。

處理后的焚燒爐渣呈深灰色或黑褐色，其主要和焚燒的生活垃圾有關，垃圾中含碳量越高，顏色越深。爐渣顆粒結構松散，形狀不規則，細度模數在2.9至3.0之間，密度約為1200kg/m3，含水率與空氣潮濕度、存放時間等因素有關，其值為非固定值，吸水率主要受爐渣堆積密度的影響，大約為37%。焚燒爐渣富集了諸多化學元素，如Si、Ca、Na、Fe等，其表現為堿性特征，PH值為10.5左右。

垃圾焚燒爐渣應用到墻體材料中需要從以下兩個方面進行考量：一是產品的合格性，即將爐渣應用到建筑材料中后，產品是是否安全，是否符合建筑材料技術規范標準；二是產品的經濟性，即所生產出來建筑材料的成本及價格是否具有市場競爭力和經濟效益。

二、綠色墻體材料

（一）綠色墻體材料的定義

綠色墻體材料是建筑生態持續、健康發展的重要基礎，根據美國綠色建筑委員會（U.S Green Building Council）在2011年綠色建筑（LEED）的評價體系中，明確規定了綠色建筑材料的使用標準，如材料和資源利用與回收，室內環境質量控制等[2]。當前針對綠色墻體材料已形成一整套標準評定體系，具體包括以下三個方面。

（1）節約資源和材料：使用可再生的以及可循環利用的資源和材料，如用農業、工業廢棄物或生活垃圾焚燒爐渣為原材料，減少其他不可再生資源的使用。

（2）清潔無害：綠色墻體材料在使用中不產生或極少產生對人有害的氣體以及有機整合日光和新風，符合環境友好型發展理念。

（3）再生利用：超過使用年限后，可當作其他材料或再生資源進行循環使用，如此既節約了經濟成本，又保護了環境。

（二）綠色墻體材料的類型

綠色墻體材料滿足評價標準的同時，也要滿足不同功能的要求，如：某些墻體材料要求重量輕、耐腐蝕、硬度高、抗高溫、隔音好、防蟲害、殺毒菌、易安裝、易拆卸、絕滲漏等。目前我國建筑行業使用的綠色墻體材料主要有以下五種類型。

（1）混凝土空心磚塊、加氣混凝土磚塊：其具有重量輕、隔熱好、防燃燒、施工簡單、環境友好、作業強度低等優點。

（2）蒸壓灰燒磚，其類型大小通常為240mm*115mm*53mm，主要特性表現為硬度高、外觀規范、防水性好、干縮率低。

（3）加氣混凝土磚塊條板：其具有重量輕、抗高溫、施工快、易生產等優點，但在抗風化性和抗腐蝕性功能上沒有普通混凝土效果好，通常在施工作業時需要進行一定的憎水處理。

（4）蒸壓纖維增強水泥板和硅酸鈣板：蒸壓纖維增強水泥板與硅酸鈣板的不同之處在于前者的容量高于后者，隔熱效果好，易于生產加工。

（5）新型泰柏板、3E輕質墻板等：其具有硬度高、重量輕、隔熱好、防地震、耐腐蝕，建設簡單、施工難度低、環境友好等特點，并且可以使用焚燒爐渣、工業廢棄物等為原材料加工生產，這樣降低了成本，節約了資源，減少了污染。

當前，建筑市場上應有的綠色墻體材料較多，除了以上介紹外，還有如工業石膏墻材、水泥基珍珠巖輕質陶瓷，陶粒粉煤灰空心磚塊、泡沫聚苯乙烯顆粒輕集料新型墻材等都屬于綠色墻體材料。

三、爐渣在綠色墻體材料中的應用

（一）水泥和混凝土材料

水泥混凝土材料是建筑工程中最為常見的用料，其主要化學成分和垃圾焚燒爐渣相似，包括CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3等 含氧化物。因此將焚燒爐渣作為水泥制備的原材料在原理上是可行的，其不僅可以降低水泥的使用量，減少煤炭等自然資源的消耗和溫室氣體的排放，同時可以對焚燒爐渣進行資源化利用，節省經濟成本，促進綠色健康發展。為此，國內外很多學者致力于將焚燒爐渣應用到水泥混凝土材料上，并取得了諸多研究成果，其主要有兩種應用形式：一是將焚燒爐渣作為制備水泥的原材料；二是作為水泥摻雜物混合使用。

經過預處理后的生活垃圾焚燒爐渣達到環保標準，具有一定的活性，可直接應用在水泥和混凝土材料的制備上。陳新疆等以焚燒爐渣和石英尾礦作為主要原材料用來制備蒸壓加氣混凝土板材，通過控制工藝參數和設計工藝配比，進行四組不同占比的實驗對照，最終實驗結果證明，當焚燒爐渣和石英尾礦成分占比為39%和30%時，所制備的蒸壓加氣混凝土性能最佳，抗壓強度高達B05、A3.5等級，符合相應標準要求，說明此工藝配比可用于制備蒸壓加氣混凝土板材；張軍和胡艷麗采取正交試驗法，以生活垃圾焚燒爐渣、水泥、石灰等為原材料，分析研究由這些原料制備而成的混凝土抗壓強度及抗折強度性能，對照不同爐渣顆粒直徑、催化劑對混凝土制品性能的影響，并探索其在熱加工時的表現情況，實驗結果表明，影響混凝土制品的主要因素為焚燒爐渣與水料配比，當配比為0.14%時，實驗結果達到最優，另外八組爐渣大小對照實驗結果證明，爐渣顆粒直徑對混凝土在力學上的性能有一定程度的影響，其具體組別爐渣大、中、小顆粒直徑成分占比分別為5%、50%及45%時，此時混凝土的抗壓強度和抗折強度性能最佳。通常水泥中摻雜焚燒爐渣會影響水泥的力學性能，但可以通過設置爐渣和水泥的配比來提高水泥的力學性能。黃健等[6]探索了將城市生活垃圾焚燒爐渣作為配料摻和于水泥生料中的技術，并研究不同爐渣占比下對混合材料力學性能的影響程度，當爐渣占比為7.5%時，其制備的混凝土體積穩定性良好，同時和純熟料水泥相比，兩者在力學性能和適應性上表現相差不大。

除了國內研究人員對焚燒爐渣作為制備材料應用在水泥混凝土材料上展開相關研究外，國外一些人員也對此進行了探索。Muhammad等研究了一種由焚燒爐渣制備生態水泥的新方法，該方法能在固體廢物燃燒時，利用燃燒爐的能量，并在較低溫度（1100℃）條件下，將爐渣與CO2發生反應，生成生態水泥，這種生態水泥需使用6%的原始添加劑，可以使其在2h后強度達到55MPa，并且其性能和28天水花后的對照普通碳酸鹽水泥（OPC）相當。為使水泥和建筑行業廢棄固體物遵循可持續性和循環經濟發展理念，Monika等將焚燒爐渣作為水泥的替代品，并對其適用性進行評估，研究結果表明，當焚燒爐渣以30%占比代替水泥時，由此組成的砂漿在力學特性上表現良好，雖然在浸出性測試中，硬化砂漿的水萃取物略微超出有限值外，但是并不會對環境造成破壞。

通過以上研究可以發現，焚燒爐渣作為水泥的替代物或摻料時，其用量占比不宜過大或過小，過大會影響基于水泥材料的性能，不利于材料的后續使用，用量過小難以處理目前大量的生活垃圾焚燒爐渣。因此需要控制合適的爐渣和水泥配比，使其滿足上述要求。

（二）陶瓷和磚塊材料

陶瓷和磚塊是建筑項目中的基礎用料，一般通過燒結法制備而成，包括燒結磚、輕骨料等。陶瓷的燒結工藝一般是將預處理后的爐渣放置在1000-1200℃的溫度下進行熔融熱處理，在該溫度下，產生的氣體會使物料體積形成陶瓷。和熔融熱處理工藝技術相比，燒結法所需的溫度更低，具有更高的經濟效益，減小了處理過程中資源的消耗，同時玻璃體的緊密構造使得物料固體形態能夠長期穩定存在。因此生活垃圾焚燒爐渣應用于陶瓷和磚塊的制備上在技術上是可行的。

傳統陶瓷和磚塊的制備原料主要為黏土，其化學成分復雜，主要包含鈣、硅、鋁等氧化物，但和焚燒爐渣組成成分類似，兩者具有一定的可替代性。伍浩然等將垃圾焚燒爐渣作為制備陶瓷的部分替代原料，應用正交分析法探究爐渣占比、燒結溫度以及恒定時間三個影響要素對陶瓷抗壓強度、膨脹率及吸水性等性能的作用。通過實驗結果分析，燒結溫度對瓷磚性能影響最大，其次為爐渣占比，最后是恒溫時間，另外預料到的是，垃圾焚燒爐渣會降低陶瓷抗壓強度，但膨脹率和吸水性沒有多少變化，最終得出結論，當燒結溫度為1100℃，且爐渣在混合料中占比為20%時，可制備性能較好的的陶瓷。周旭等將大量堆積的爐渣用于制備成磚塊，有效解決了爐渣回收不能資源化利用的問題，經過在預處理后的爐渣中加入一定比例的活化劑以及水泥、石灰等原材料，再由液壓制磚機壓鑄成型，硬度比普通磚塊高2-3倍的磚塊便制成了，既實現了爐渣資源化利用，又降低了經濟成本。城市固體廢物（MSW）已成為一個全球性問題，Deng等提出了城市垃圾焚燒爐渣再利用方案用于解決MSW持續發展問題，該方案將爐渣作為主要添加劑來制備可持續利用生態友好型陶瓷磚，經實驗測試表明，該型陶瓷磚符合中國二類瓷磚標準（GB16889-2008）。

將垃圾焚燒爐渣應用于制備陶瓷和磚塊材料上，實現了爐渣資源化、環保化利用，此外燒結工藝與熔融處理相比，具有污染小、能耗低、效益高等優點，是當前應用較多的墻體材料制備方法。

（三）骨料

骨料又稱為“集料”，是建筑砂漿和混凝土中一種重要的顆粒狀材料，其起到支撐結構的作用。通常分為細骨料和粗骨料，其中細骨料顆粒直徑大小在0.015cm-0.5cm之間，通常以天然沙，如河沙、海沙等為原材料，當缺乏天然沙時，亦可將固體石材碾磨成細骨料。粗骨料顆粒直徑則大于0.5cm，一般材料以堅硬碎石和輕質卵石為主，在相同環境下，前者制備的材料性能要優于后者，但堅硬碎石需要機器碾碎，其成本要高于后者。

垃圾焚燒爐渣作為部分骨料來制備墻體材料的實驗已有很多成功應用案例，例如：許俊寧利用生活垃圾焚燒爐渣與天然細骨料在物理上相似的特性，采用爐渣代替部分天然細骨料來進行研究，提出了不同替代比研究方案，實驗結果發現，當焚燒爐渣替代比為30%時，制備的砂漿與普通砂漿相關性能相差不大，抗壓強度滿足JG/T315-2011的規范要求；當焚燒爐渣替代比為10%時，制備砂漿的力學性能和普通砂漿相近或略高，但伴隨著替代比的增加，制備砂漿的性能會在某個比例處達到最大，隨后開始下降，最終得出最佳替代比在10%-20%之間。針對當前相關研究焚燒爐渣利用率不高的問題，張文將垃圾焚燒爐渣分為顆粒轉爐渣和粉狀爐渣，提出了將兩者分別作為細骨料和活性礦物替代物用于加氣混泥土磚塊或堿礦渣加氣混泥土磚塊的研究方案，實驗研究表明，當顆粒狀爐渣替代河沙的比例增加時，加氣混泥土磚塊相應性能會隨之變化，且替代比例過高時，性能有所降低，最終替代比例應不超過20%，隨著實驗的進行，加氣混泥土磚塊或堿礦渣加氣混泥土磚塊在爐渣替代比例為10%-20%之間時，兩者性能最佳，在該替代比例下，混合物制備成的產品相較于使用原材料制成的磚塊成本分別減少23.2和19.4元。

垃圾焚燒爐渣雖然能夠一定程度上替代部分細骨料，但在實際情況中，不同地區的生活垃圾焚燒爐渣有著不同的物理特性，需要根據具體成分加以分析，并最終得到應用。

（四）其他材料

垃圾焚燒爐渣還可制備成其它綠色墻體材料，例如笪俊偉等將垃圾焚燒爐渣作為部分硅質材料的替代物質，對爐渣的替代占比、顆粒大小、蒸壓時間和壓力對加氣混凝土磚塊的性能進行了研究，最終根據實驗結果得到最優配比，所制備的綠色墻體材料符合GB11968-2006規范標準。王開松等將具有光催化特性的TiO2與焚燒爐渣相混合，并在其中添加發泡劑用于制備自清潔泡沫材料，當TiO2配比為0.4%時，自清潔泡沫材料空間分析較為均勻，光降解性能最優。

四、結論

垃圾焚燒爐渣用于制備綠色墻體材料具有一定的應用價值，能減少自然資源的使用，提高爐渣資源化利用率。本文簡要介紹了生活垃圾焚燒爐渣的特性和綠色墻體材料的定義及類型，綜述了爐渣在墻體材料制備上的四種應用，其中使用爐渣制備水泥混凝土材料的應用最多。爐渣制備綠色墻體材料雖然已有很多應用成果，但仍存在著一些不足之處，如不同地區的焚燒爐渣在化學成分和物理特性上有一定的區別，使得這些應用成果泛化性能不強，需要更加深入的研究。