生活垃圾焚烧熔渣作为混凝土替代骨料的理化特性分析

　　摘要:

　　测试、分析了龙海市生活垃圾焚烧熔渣的物理性质和化学性质，探讨利用焚烧熔渣作为混凝土替代骨料的可行性。研究表明：生活垃圾焚烧熔渣的部分理化性质具有细骨料特质，没有放射性和重金属危害。但是，与天然河砂相比，熔渣的颗粒形貌、级配、粒径分布较差，密度小，吸水率高，并且无机盐及碱含量偏高。熔渣并非理想的细骨料，不宜直接使用，需要对其进行预处理或考虑与天然骨料复配使用。

　　1引言

　　随着城镇化的快速推进和人民生产、生活的发展，大量增加的生活垃圾已成为一个严重的社会问题。发达国家的发展历程表明，垃圾焚烧处理及综合利用是实现垃圾减量化、无害化和资源化*有效手段。目前在福州、厦门、漳州等城市，生活垃圾焚烧厂已经运行或正在建设。通过焚烧可使垃圾减量80%～85%，减容约90%，但仍将残留总重约10%～20%的焚烧炉渣。焚烧炉渣是目前排放量*大的垃圾焚烧废渣，但是利用率仅约10%，大部分焚烧炉渣进入填埋场进行填埋处置，这将显著增加城市周边填埋库容的压力，占用大量的土地，二次污染环境。因此，探求生活垃圾焚烧炉渣的综合利用技术仍是一项艰巨的任务-。

　　与此同时，大规模的城镇化和基础设施建设对于混凝土的需求量稳定增长，制备混凝土所需的砂石骨料及水泥原材料资源日趋紧张。我国许多地区，尤其沿海地区出现了天然河砂资源减少、质量下降、限采或禁采的困境，不得不采用混合砂、机制砂或者淡化海砂。如果能将焚烧炉渣就地建材资源化利用，不仅能够解决环境污染问题，还能够开发出新的混凝土替代原材料。

　　生活垃圾焚烧炉渣包括飞灰和炉渣。焚烧飞灰是指在烟气净化系统收集而得残余物，属于危险废弃物;而焚烧炉渣是由熔渣、铁和其他金属、陶瓷类碎片、玻璃和一些不燃物及未燃有机物组成的不均匀混合物，约占炉渣总量的80%左右，属于一般固体废物。其中，熔渣约占78%，是焚烧炉渣的主要组分，也是本文研究的重点。作者以福建省龙海市的生活垃圾焚烧熔渣为研究对象，测试、分析三组不同批次熔渣样品的理化特性，探讨利用熔渣作为混凝土替代骨料的可行性。

　　2熔渣的理化特性分析

　　2.1熔渣的物理性质分析

　　颜色、气味与外观

　　原状生活垃圾焚烧炉渣由于含有水分，呈黄褐色，风干后为灰色。原状焚烧炉渣的颜色和外观如图1所示，与砂石渣土相似，同时具有比较浓烈的酸涩性气味。除去炉渣中的玻璃、石子、砖块等大块物质即为熔渣。将熔渣置于烘箱中烘干后呈浅灰色，酸涩性气味有所减弱。图2显示，烘干后的熔渣外观类似于粗质草木灰，但质地比草木灰重，颗粒形状不规则，表面粗糙，没有天然砂子那么光滑和接近球形，粉状物质较多。

　　图1原状焚烧炉渣图2烘干后的焚烧熔渣

　　粒径分布

　　通过筛分试验发现，熔渣颗粒粒径集中在4.75mm以下的范围，其中小于0.15mm的粉状颗粒居多，约占33%。从粒径大小判断，熔渣适合作混凝土细骨料，但是粉状物质明显偏多，可能会给其在混凝土中的应用带来负面影响。

　　粗细程度与颗粒级配

　　3组熔渣的筛分试验结果列于表2、细度模数和级配)

　　由表2可知，熔渣的细度模数为2.45，在中砂范围;级配曲线在规定的三个级配区Ⅱ区，粒径在0.3和0.15之间比较多，整体偏细。试验结果说明熔渣不宜单独使用，要想满足混凝土骨料要求，可以考虑将熔渣与天然河砂复合配制使用。为此，将熔渣样品1：天然砂子按照5:5进行了混合复配，复配后的混合骨料筛分析结果如表3所示。

　　可以看到，相较于熔渣，复配后的混合砂，整体偏粗，细度模数为2.50，在中砂范围，颗粒级配属Ⅱ区,满足混凝土细骨料要求。

　　密度与空隙率

　　检测了三组熔渣的表观密度和堆积密度，并且计算了各组熔渣的空隙率，结果列于表4。

　　与河砂相比，熔渣的两种密度值均偏低，其表观密度不到2g/cm3。如果将熔渣替代一部分粗、细骨料，一方面会减轻混凝土质量，但是另一方面又会加大混凝土的用水量，所以*好采用等体积法替代。

　　从空隙率计算结果来看，熔渣的空隙率较小，符合混凝土细骨料空隙率不超过47%的要求。

　　吸水率

　　材料的吸水率可以反映材料内部的孔隙结构、孔隙的大小与数量，它直接影响其制备建筑材料时的需水量。为了便于比较，同时测试了熔渣和天然砂子的吸水率，结果如表5所示。比较二者的吸水率可以发现，熔渣的吸水率平均值为42.6%，相较于天然河砂的15.6%，熔渣的吸水性大，如果充当细骨料则会明显增加混凝土用水量，从而直接影响混凝土的和易性和强度。从吸水率结果判断，熔渣不宜单独作为细骨料使用。

　　坚固性

　　骨料在气候、环境变化或其他物理因素作用下抵抗破坏的能力称为坚固性。它反映骨料的耐久性，常用硫酸盐饱和溶液浸泡法测定其质量损失百分率p。熔渣的坚固性试验结果如表6所示，熔渣的坚固性良好，满足标准要求。

　　放射性

　　采用隳芷滓、铅室设备，按照GB6566-2010《建筑材料放射性核素限量》对熔渣进行放射性检测，检测结果如表7。

　　放射性检测结果表明，熔渣为非放射性物质。龙海熔渣的内照射指数与外照

　　射指数分别为0.2和0.3，均低于GB6566-2010规定的标准限量。从放射性角度考量，熔渣在混凝土中使用是安全的。

　　2.2熔渣的化学性质分析

　　元素组成

　　采用电子探针精确测试了熔渣的化学元素组成，结果列于表8。

　　在龙海熔渣样品中，元素含量由多到少依次是氧、硅、钙、铝、氯、铁、钾、钠等，而铅、汞、镉等有害重金属元素未见。但是，其较高的氯含量应该引起重视。龙海市位于东南沿海，生活垃圾来源多以海产品为主，氯元素可能是由于食盐、海鲜等食物残渣带入。高氯含量可以认为是城市生活垃圾焚烧熔渣的一个主要特征，熔渣中的C1元素大约40%～50%源自垃圾中塑料物质的燃烧。

　　化合物组成

　　根据元素组成进而推算出各元素的化学存在形式，即化合物组成。经过计算，熔渣中的上述元素主要以氧化物形式存在，占比重较大的依次为SiO2、CaO、Al2O3、Fe2O3，另外含有少量的K2O、Na2O、MgO、SO3及Cl。熔渣的化学组成分析结果详见表9。

　　表9显示，熔渣中的CaO、MgO、K2O、Na2O等碱性氧化物与SiO2、Al2O3等酸性氧化物含量基本持平，预示着熔渣的化学稳定性较好，活性较差。值得关注的是熔渣中有两种成分含量偏高：一是SO3及Cl含量偏高，在钢筋混凝土中，氯离子容易引起钢筋锈蚀，硫酸根离子则可能导致水泥发生腐蚀，二者均产生体积膨胀，进而导致混凝土保护层开裂、脱落，严重影响混凝土结构的耐久性和使用的安全性，两者含量均偏高，意味着熔渣不能直接应用于混凝土中;二是一价碱金属氧化物含量亦不低，碱性组分有可能引起碱-骨料反应，同样导致硬化混凝土体积膨胀，乃至开裂。

　　矿物组成

　　采用X射线衍射分析方法得到熔渣的矿物组成，如图4所示。

　　可以看出，熔渣中有较强衍射峰的物质有石英、方解石、石盐、赤铁矿及单质硅等晶体矿物成分。XRD图谱中并未出现像粉煤灰那样比较宽大的衍射特征峰，说明熔渣的结构致密，玻璃化程度偏低，而玻璃化程度决定了材料的活性程度，即活性SiO2含量低。分析结果进一步证实熔渣的化学稳定性高，活性很低或者说基本不具备火山灰活性，说明熔渣并不适合作为水泥的替代材料，比较适合于作为替代骨料使用。

　　酸碱度

　　水泥混凝土是一种偏碱性的材料，正因为如此，才能对包裹其中的钢筋起到很好的保护作用。为了确定熔渣是否适合在混凝土中使用，检测了3组熔渣样品的pH值，结果列于表12。

　　数据显示，熔渣样品的pH值为11.56，是一种偏碱性的材料，对钢筋腐蚀不会造成影响，适合在水泥混凝土中使用。

　　环境危害性

　　相关研究表明，熔渣中含有多种重金属,如铅、镉、铜、锌、锡、铬、镍、硒、砷等。除了混入的一些工业固体废物以外，重金属主要来自于颜料、塑料、报纸、木块、织物、橡胶、蓄电池和合金物等。垃圾中的重金属物质在焚烧过程中不能被生成和破坏，只能发生化学反应和迁移转化，其中一部分以炉渣的形式排出。

　　有关研究者采用不同方法测定重金属的浸出值,以此来评价其环境安全性。刘学慧利用原子吸收分光光度计测试了熔渣浸出液中的重金属浓度，测试结果表明：熔渣浸出液中的重金属浓度非常低，远远低于固体废弃物浸出毒性鉴别标准，对环境无危害，可直接处置，或送至垃圾填埋场进行填埋，或用作路基和建筑材料。林奕明按照国家标准HJ/T300-2007对不同粒径的飞灰和熔渣进行毒性浸出实验，结果发现：得出当用蒸馏水作为浸提剂时，Pb元素超过了标准GB5085.3–2007中所规定的值，而当用2#溶液作为浸提剂时，Cd元素超过了该标准中所规定的值，而所有粒径熔渣中的重金属元素都没有超出标准所规定的值，因此建议可将熔渣进行适当处理后可进行资源化回收利用。宋立杰采用危险废物浸出毒性浸出方法标准一水平振荡法浸出程序和毒性浸出程序浸出毒性的实验研究表明：垃圾焚烧炉渣是没有浸出毒性的一般废物，不会对环境造成二次污染,具有稳定性和长期安全性。

　　根据化学分析结果，综合大多数研究者的研究结果，作者认为熔渣在混凝土中使用不会对混凝土造成重金属危害，资源化利用的环境风险较小。

　　2.3熔渣的微观形貌分析

　　从微观形貌上看，熔渣颗粒结构松散、多孔，单个颗粒呈不规则形状、多棱角、表面粗糙，球形颗粒比较少。与天然砂子相比，熔渣的颗粒形貌不尽人意，如果用熔渣替代部分细骨料，必然导致混凝土用水量增加或水胶比增加，从而对于混凝土的工作性、力学性能和耐久性均产生不良影响。因此，如果要将熔渣作为混凝土的替代原材料，需要采取相应措施防止用水量的增加，对此需要开展深入研究。

　　3结论

　　生活垃圾焚烧熔渣的颗粒粒径、粗细程度、坚固性、放射性等满足混凝土细骨料基本要求。但是，与天然砂相比，熔渣的颗粒形貌较差，粉状颗粒较多，级配不合格，整体偏细，并且密度小、吸水率偏大。因此，熔渣并非理想的细骨料，不宜直接使用，可以考虑与天然骨料复合配制使用。

　　熔渣中的化学元素由多到少依次是氧、硅、钙、铝、氯、铁、钾、钠等，而铅、汞、镉等有害重金属元素未见;化学组成包括SiO2、CaO、Al2O3、Fe2O3，含有少量的K2O、Na2O、MgO、SO3及Cl;酸碱度测试表明熔渣是一种偏碱性材料，适合在混凝土中使用。相关研究亦证实，熔渣不会对混凝土造成重金属危害。值得关注的是熔渣中的氯盐、硫酸盐及碱含量偏高，会对混凝土造成钢筋腐蚀及碱骨料反应危害。如果作为混凝土替代骨料使用，需要预先进行除盐、除碱处理。

　　熔渣的矿物组成主要含有石英、方解石、石盐、赤铁矿及单质硅等晶体成分。熔渣的结构致密，玻璃化程度低，所以其活性低，化学稳定性高，适合作为替代骨料使用。

　　综上所述，生活垃圾焚烧熔渣的部分理化性质具有细骨料特质，但是与天然河砂相比，熔渣的颗粒形貌、级配、粒径分布较差，密度小，吸水率高，并且无机盐含量超标。所以，熔渣并非理想的细骨料。如果作为混凝土的替代骨料使用，不仅要对熔渣进行预处理，而且需要考虑将熔渣与天然骨料进行复配，对此需要开展进一步研究。