生活垃圾焚燒爐渣對混凝土抗壓性能和體積穩定性影響

章志

（1.上海市市政規劃設計研究院有限公司，上海 200031；2.上海城市路域生態工程技術研究中心，上海 201418）

生活垃圾焚燒處理是一種較為成熟的垃圾處理技術，能夠實現生活垃圾無害化、減量化、資源化[1]。隨著垃圾處置壓力的日益增大，生活垃圾焚燒處置在國內發展十分迅速。以上海市為例，其生活垃圾焚燒爐渣（后文簡稱“焚燒爐渣”或“IBA”）的排放量逐年增加，近年來達到150 萬噸/年[2]。同時，混凝土作為世界范圍內應用最廣泛的建筑材料，具有成本低，取材廣，耐久性好，高抗火性等優點[3]。但隨著國家對生態資源的保護要求提升到新高度，資源開發進一步減少，砂石材料市場供應量急劇減少，嚴重限制了混凝土等材料的工程應用。生活垃圾焚燒爐渣用于混凝土集料不僅能夠解決日益嚴重的爐渣處理處置難題，而且能夠緩解混凝土用砂石料緊缺問題。

建筑、市政工程中每年使用大量低強度混凝土，其對骨料要求相對較低。生活垃圾焚燒爐渣中一方面含有玻璃、陶瓷、熔渣等具有一定硬度的顆粒物質，可以在一定程度上替換低強度混凝土中的砂，從而達到節約天然砂的目的，國內已有不少學者進行了相關研究。劉棟[4]研究表面將爐渣作為水泥穩定碎石基層時，水泥穩定爐渣碎石的抗壓強度、劈裂強度、抗壓回彈模量和抗凍性均有所下降。張銳等[5]的研究顯示混凝土中水灰比較高時爐底渣粗骨料含量對其抗壓強度影響不大，低水灰比（＜0.55）時爐底渣粗爐渣混凝土抗壓性能隨爐渣摻量的增加逐漸降低。曹旗[6]等利用生活垃圾焚燒爐底渣替代一定量的天然骨料，制備的混凝土路面磚能夠達到C50 的強度等級。張立力等[7]將生活垃圾焚燒爐底渣經水洗、篩分等工藝處理后用于透水混凝土，隨著其摻量的增加，透水混凝土強度逐漸下降，但對透水系數影響不大。這些都是爐渣用于混凝土的有益探索，但是研究僅僅將原狀爐渣集料替代部分天然集料來使用以及非結構混凝土的應用，沒有考慮到爐渣生產工藝以及混凝土成型工藝等對爐渣混凝土力學性能的影響，欠缺爐渣混凝土體積穩定性、爐渣過高含鹽量加速鋼筋銹蝕等耐久性問題的研究，因此指導實際工程應用還有一定局限性。

基于此，本文從爐渣性質、生產工藝、成型工藝等方面探究了爐渣對混凝土抗壓性能的影響，并結合雷氏夾法、試餅法，以及加速反應和標準養護條件下的膨脹率來綜合評估爐渣混凝土的體積穩定性，并探究了爐渣混凝土體積穩定性不良的微觀機理。

1 材料和方法

1.1 材料

本文所用水泥為上海金山南方水泥有限公司生產的P·II52.5 普通硅酸鹽水泥，其基本物理性能見表1。采用埃肯國際貿易（上海）有限公司生產的硅灰作為輔助膠凝材料，其平均粒徑為0.1～0.15μm，比表面積為15～27m2/g。礦粉為S95 礦粉，滿足GB/T18046 要求。外加劑為復合外加劑，兼具減水、消泡等功能。細集料采用水洗河砂和石英砂按最大堆積密度調配而成，其最大粒徑≤1.25mm。

表1 水泥基本物理性能

生活垃圾焚燒爐渣（簡稱“爐渣”）為上海市某焚燒垃圾處理廠爐渣經后期處理得來，其物理性能見表2，外觀和顆粒級配見圖1～2。生活垃圾焚燒爐渣表觀密度與《建設用砂》規定的限值接近，高于《混凝土和砂漿用再生細骨料》的要求。

圖1 生活垃圾焚燒爐渣外觀

圖2 爐渣顆粒級配曲線

表2 生活垃圾焚燒爐渣物理性能

1.2 方法

本文試件成型方法以及抗壓強度測試方法參考《混凝土物理力學性能試驗方法標準》GB/T 50081-2019。第1～7 組以流動擴展度進行控制實驗用水量，攪拌時流動擴展度控制在500mm±20mm 之間。并使用雷氏夾法、試餅法和加速反應的24h 限制膨脹率以及14d 標準養護的自由膨脹率來驗證生活垃圾焚燒爐渣混凝土的體積穩定性。爐渣混凝土設計配合比見表3。

表3 爐渣混凝土配合比

2 結果與討論

2.1 抗壓性能

圖3 為不同生活垃圾焚燒爐渣摻量對爐渣混凝土的需水量的影響，隨著爐渣與膠凝材料比值的增加，爐渣混凝土的水固比維持在相對穩定的水平，約在0.12～0.13之間；但水膠比急劇增加，當爐渣/膠凝材料由1.39 增加至5.33 時，水膠比由0.36 增加至0.77，兩者近似呈線性關系。可以判斷爐渣摻量對爐渣混凝土的用水量起決定性作用。這是因為生活垃圾焚燒爐渣的疏松多孔結構導致其具有較大的孔隙率和吸水率。

圖3 爐渣摻量對混凝土用水量影響

圖4 為不同生活垃圾焚燒爐渣摻量對爐渣混凝土抗壓強度的影響。當爐渣摻量較低（爐渣/膠凝材料＜1.39）時，爐渣混凝土強度隨養護齡期的增加有較大的幅度的增長；但隨著爐渣摻量的增加，爐渣混凝土強度隨齡期的增長越來越慢。

圖4 爐渣摻量對混凝土抗壓性能影響

當爐渣/膠凝材料介于2.17 和3.22 之間時，爐渣混凝土抗壓強度在7d 之后幾乎無增長；當爐渣/膠凝材料＞5.33 時，爐渣混凝土抗壓強度在3d 之后幾乎無增長。且隨著生活垃圾焚燒爐渣摻量的增加，爐渣混凝土的抗壓強度急劇降低。

當爐渣/膠凝材料為1.39 時，爐渣混凝土28d 抗壓強度為70.8MPa；而當爐渣/膠凝材料增加至2.17 時，爐渣混凝土28d 抗壓強度為21.5MPa；爐渣/膠凝材料為5.33 時，爐渣混凝土28d 抗壓強度僅有6.2MPa。一方面是因為爐渣摻量的增加導致水膠比增加以及膠凝材料相對含量減少；另一方面，爐渣的疏松多孔結構導致爐渣混凝土內部孔隙含量增加，且爐渣本身強度相對天然集料較低（爐渣壓碎值為30，而天然河沙壓碎值僅有2 左右），十分不利于爐渣混凝土的強度形成。因此導致爐渣摻量過高時爐渣混凝土強度過低。

2.2 體積穩定性

本文采用雷氏夾法、試餅法、沸煮環境下的限制膨脹率法以及自由膨脹率實驗來驗證爐渣混凝土的體積穩定性（表4）。雖然使用雷氏夾法和試餅法測試爐渣混凝土體積安定性時表現正常，主要是因為這兩種方法原本為測試水泥安定性檢測方法且試件較小，用于評估爐渣混凝土體積穩定性存在一定局限性。加速反應的24h限制膨脹率（1.309%）以及標準養護的14d 自由膨脹率（0.56%）遠超過普通混凝土（分別為0.04%和-0.01%），表現出嚴重的體積穩定性不良問題（圖5）。這主要是由爐渣中含有鋁、鐵、Cl-、SO42-、玻璃等物質與混凝土中水泥、堿金屬離子等發生不良反應導致，如SO42-在沸煮環境中以及混凝土后期會生成鈣礬石，導致混凝土體積膨脹甚至破壞混凝土的微觀結構，導致開裂等現象；鋁會在混凝土的堿性環境中發生反應生成氫氣，導致體積膨脹；玻璃等非晶態的硅也會與混凝土中的堿-骨料反應導致體積膨脹甚至開裂。

圖5 生活垃圾焚燒爐渣混凝土膨脹開裂現象

表4 生活垃圾焚燒爐渣混凝土體積穩定性

3 結論

（1）隨著爐渣摻量的增加，爐渣混凝土的需水量呈線性增加，而爐渣混凝土的抗壓強度急劇降低，爐渣混凝土中爐渣/膠凝材料由1.39 變為5.33 時，爐渣混凝土28d 抗壓強度由70.8MPa 降至21.5MPa 再降至6.2MPa。這主要是因為膠凝材料過少以及爐渣的疏松多孔結構導致的爐渣壓碎值過大導致的。

（2）爐渣混凝土存在嚴重的體積穩定性不良問題，且用于水泥安定性的測試方法由于試件尺寸的原因不適于評價爐渣混凝土的體積穩定性。采用加速反應的限制膨脹率以及14d 標準養護自由膨脹率分別達到1.309%和0.56%。