基于正交分析建筑與生活垃圾混合再生骨料研究★

李海濤，李文博，劉蘭君

(商丘工學院土木工程學院,河南 商丘 476000)

0 引言

生活垃圾一般指日常生活中產生的固體廢物,主要有廚余、塑料、織物、金屬、紙類等[1]。隨著經濟的高速發展,“生活垃圾圍城”現象愈加明顯,垃圾處理已成為全世界共同面對的難題。我國2021年發展改革委、住房城鄉建設部發布《“十四五”城鎮生活垃圾分類和處理設施發展規劃》提出,按照生活垃圾“減量化、無害化、資源化”的原則,到2025年全國城市生活垃圾資源化利用率達到60%左右[2]。新鄉長垣垃圾焚燒熱電聯產項目,位于河南省長垣市浦東區丹廟村以東,占地面積67 866.67 m2,總投資為4.5億元,于2016年12月獲得河南省發改委批準。該項工程分兩期建設,其中第一期工程規劃建設兩條日處理能力為600 t的生活垃圾焚燒線和兩臺12 MW中溫中壓抽凝式汽輪發電機組。該項目利用生活垃圾焚燒過程中產生的熱能行發電,所發電力就近送入電網。該項目建成投產后日處理垃圾總規模為2 400 t,其經濟效益、環境效益和社會效益較為顯著。在焚燒生活垃圾發電過程中產生了大量的爐渣和飛灰,簡稱灰渣。據統計,日處理量在500 t的垃圾焚燒廠為例,質量減少率為70%,每天將排放150 t灰渣。在GWKB 3—2000生活垃圾焚燒污染控制標準中規定:“垃圾焚燒爐渣與除塵設備收集的焚燒飛灰應分別收集、儲存和運輸;垃圾焚燒爐渣按照一般固體廢棄物處理,焚燒飛灰應按危險廢棄物處理”。在我國現行標準下,爐渣屬于無毒無害的固體廢棄物[3-5]。

與此同時,隨著城市更新換代、舊城區改造項目的開展,產生了大量的建筑垃圾,有文獻顯示,近年,我國每年建筑垃圾產量高達20億t[6-7]。如何將生活垃圾焚燒爐渣和建筑垃圾資源化利用成了學者們爭相研究的課題。試驗基于正交試驗設計方法,通過方差分析,研究在建筑垃圾、生活垃圾焚燒爐渣協同下,再生混凝土力學性能,為建筑垃圾和生活垃圾混合再生骨料推廣應用提供理論依據。

1 原材料

1)生活垃圾焚燒爐渣。為響應國家政策,充分利用生活垃圾焚燒爐渣,長垣桂能環?？萍加邢薰玖⒆阈锣l市長垣市,以服務地方經濟為根本目標,長期致力于生活垃圾焚燒灰渣研究,試圖從灰渣中分離爐渣集料用于建設工程代替天然集料。最終形成了一套成熟的加工流程,其主要步驟見圖1。

為檢測其質量,按照GB/T 25032—2010生活垃圾焚燒爐渣集料要求,做了顆粒直徑、含雜量(鐵含量、金屬物、輕漂物)、含水率、簡壓強度四個方面的檢測,均符合要求[8-10]。

2)建筑垃圾采用商丘市文友制品有限公司生產的建筑垃圾再生骨料,水泥采用新鄉市衛輝生產的32.5級粉煤灰硅酸鹽水泥,元明粉、明礬、藍礬等外加劑從建材市場購買[11]。

2 正交試驗方案

試驗考察建筑垃圾再生骨料和生活垃圾焚燒爐渣再生骨料協同作用、外加劑摻量、生活垃圾沉淀淤泥摻量等對再生混凝土力學性能的影響,設置建筑垃圾和生活垃圾焚燒爐渣混合比例、混合再生骨料摻量(等體積取代天然集料)、外加劑摻量(取代水泥)、生活垃圾沉淀淤泥(取代水泥)摻量4個因素,每個因素設置4個水平。具體見表1。

表1 正交試驗中各因素的水平取值

根據GB/T 50081—2019混凝土物理力學性能試驗方法標準的規定,進行混凝土攪拌、成型、養護28 d檢測抗壓強度[12-13]。

1)最佳配合比。各組配合比及試驗結果見表2。通過試驗結果和正交試驗分析結果可以看出,最有利組合是4311,也就是建筑垃圾再生骨料和生活垃圾焚燒爐渣再生骨料組成比例為1∶1,混合再生骨料摻量為90%,外加劑摻量為2%,生活垃圾沉淀淤泥摻量為5%。該組沒有出現在試驗所列的16組合里[14]。

2)極差分析。為分析建筑垃圾和生活垃圾焚燒爐渣混合比例、混合再生骨料摻量(等體積取代天然集料)、外加劑摻量(取代水泥)、生活垃圾沉淀淤泥(取代水泥)摻量4個因素,對強度影響的顯著性,試驗對極差進行了分析。極差分析法又稱直觀分析法,可以直觀的衡量各因素對試驗結果影響的顯著程度,具有計算簡單、直觀形象、計算簡單、直觀形象、簡單易懂等優點,是正交試驗結果分析最常用的方法[15-16]。

由表2計算結果可以看出,在試驗考察的4個因素里,影響顯著程度分別為:混合再生骨料摻量>外加劑摻量>生活垃圾沉淀淤泥摻量>建筑垃圾和生活垃圾焚燒爐渣混合比例。

在實際工程中,會出現建筑垃圾和生活垃圾焚燒爐渣存量差別很大的情況,由極差分析可以知道,由于建筑垃圾和生活垃圾焚燒爐渣比例在4個因素里顯著性最低,因此,可以根據兩種再生骨料的存量進行摻配。

表2 正交實驗配合比及試驗結果

為詳細考察建筑垃圾和生活垃圾混合比例對再生混凝土強度的影響,進行了混合再生骨料比例單因素試驗。

3 建筑垃圾和生活垃圾混合比例對再生混凝土強度的影響

在正交試驗中找出的最有利組合的基礎上,改變混合再生骨料比例,混合再生骨料摻量為90%,外加劑摻量為2%,生活垃圾沉淀淤泥摻量為5%,水泥采用32.5級礦渣硅酸鹽水泥,建筑垃圾和生活垃圾混合比例分別取5∶3,4∶3,1∶1,3∶4,3∶5。按照GB/T 50081—2019混凝土物理力學性能試驗方法標準的規定,進行混凝土拌合、成型、養護,分別檢測3 d和28 d的抗壓強度。具體配合比見表3。

表3 不同再生混合料比例強度

由試驗結果可知,隨著生活垃圾焚燒爐渣占比的提高,再生混凝土強度先增大后減小,在3∶4時達到最大,其次是1∶1,兩組試驗結果接近。本研究認為,生活垃圾成分復雜,經過高溫焚燒,含有潛活性物質,在一定程度上能提高再生混凝土強度。

在單獨考察混合再生骨料的比例時,3∶4組合強度最高,1∶1組合次之,在正交試驗中,考察4種因素耦合作用,結論是1∶1最優,3∶4次之,單因素和多因素耦合作用分析結果接近。

4 實際工程項目應用

在上述理論依據支持下,商丘市文友制品有限公司利用4311組合,配置再生細石混凝土,28 d抗壓強度為34.5 MPa,此再生混凝土作為建業地產某項目地下車庫的地面層材料,以替代傳統的水泥砂漿,在建業地產某項目中作為園林景觀中的路面和石材材料。此外,文友制品有限公司利用此再生混凝土加工出再生混凝土砌塊和透水磚,分別在建業地產(虞城)、碧桂園公司、正商集團、商丘興華家園等多個建筑項目中應用,再生混凝土砌塊用于門窗口、陽臺、欄桿、樓梯扶手(剪刀梯、防火墻)固定膨脹螺絲位置,或做園林景觀透水磚、裝飾仿大理石磚、二次結構加氣塊頂部斜插磚。

經過市場調研,天然骨料108元/t(含運費),建筑垃圾、生活垃圾焚燒爐渣混合再生骨料45元/t(含運費),根據摻配比例不同,再生混凝土可節約成本25元/m3～45元/m3。

5 結論

試驗以服務地方經濟、改善地方環境條件為目的,遵循就地取材原則,將長垣桂能環?？萍加邢薰旧a的生活垃圾焚燒爐渣、商丘文友制品有限公司生產加工的建筑垃圾按照不同比例混合成再生骨料,考察了混合再生骨料比例、摻量、外加劑摻量、生活垃圾沉淀淤泥對混凝土力學性能的影響。為找出最佳配合比,試驗采用正交試驗設計方法,對極差進行分析,得出如下結論:

1)最有利組合是4311,也就是建筑垃圾再生骨料和生活垃圾焚燒爐渣再生骨料組成比例為1∶1,混合再生骨料摻量為90%,外加劑摻量為2%,生活垃圾沉淀淤泥摻量為5%。

2)通過極差分析得出,影響顯著程度分別為:混合再生骨料摻量>外加劑摻量>生活垃圾沉淀淤泥摻量>建筑垃圾和生活垃圾焚燒爐渣混合比例。

3)在單因素分析中,隨著生活垃圾焚燒爐渣占比的提高,再生混凝土強度先增大后減小,在3∶4時達到最大,其次是1∶1,兩組結果接近。本研究認為,生活垃圾成分復雜,經過高溫焚燒,含有潛活性物質。在正交試驗中,考察4種因素耦合作用,結論是1∶1最優,3∶4次之。單因素和多因素耦合作用分析結果接近。