摘要:

測(cè)試、分析了龍海市生活垃圾焚燒熔渣的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，探討利用焚燒熔渣作為混凝土替代骨料的可行性。研究表明：生活垃圾焚燒熔渣的部分理化性質(zhì)具有細(xì)骨料特質(zhì)，沒(méi)有放射性和重金屬危害。但是，與天然河砂相比，熔渣的顆粒形貌、級(jí)配、粒徑分布較差，密度小，吸水率高，并且無(wú)機(jī)鹽及堿含

量偏高。熔渣并非理想的細(xì)骨料，不宜直接使用，需要對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理或考慮與天然骨料復(fù)配使用。

1引言

隨著城鎮(zhèn)化的快速推進(jìn)和人民生產(chǎn)、生活的發(fā)展，大量增加的生活垃圾已成為一個(gè)嚴(yán)重的社會(huì)問(wèn)題。發(fā)達(dá)國(guó)家的發(fā)展歷程表明，垃圾焚燒處理及綜合利用是實(shí)現(xiàn)垃圾減量化、無(wú)害化和資源化最有效手段。目前在福州、廈門(mén)、漳州等城市，生活垃圾焚燒廠已經(jīng)運(yùn)行或正在建設(shè)。通過(guò)焚燒可使垃圾減量80%～85%，減容約90%，但仍將殘留總重約10%～20%的焚燒爐渣。焚燒爐渣是目前排放量最大的垃圾焚燒廢渣，但是利用率僅約10%，大部分焚燒爐渣進(jìn)入填埋場(chǎng)進(jìn)行填埋處置，這將顯著增加城市周邊填埋庫(kù)容的壓力，占用大量的土地，二次污染環(huán)境。因此，探求生活垃圾焚燒爐渣的綜合利用技術(shù)仍是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)[1]-[5]。

與此同時(shí)，大規(guī)模的城鎮(zhèn)化和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)對(duì)于混凝土的需求量穩(wěn)定增長(zhǎng)，制備混凝土所需的砂石骨料及水泥原材料資源日趨緊張。我國(guó)許多地區(qū)，尤其沿海地區(qū)出現(xiàn)了天然河(江)砂資源減少、質(zhì)量下降、限采或禁采的困境，不得不采用混合砂、機(jī)制砂或者淡化海砂。如果能將焚燒爐渣就地建材資源化利用，不僅能夠解決環(huán)境污染問(wèn)題，還能夠開(kāi)發(fā)出新的混凝土替代原材料。

生活垃圾焚燒爐渣包括飛灰和爐渣。焚燒飛灰是指在煙氣凈化系統(tǒng)收集而得殘余物，屬于危險(xiǎn)廢棄物;而焚燒爐渣是由熔渣、鐵和其他金屬、陶瓷類(lèi)碎片、玻璃和一些不燃物及未燃有機(jī)物組成的不均勻混合物，約占爐渣總量的80%左右，屬于一般固體廢物。其中，熔渣約占78%，是焚燒爐渣的主要組分，也是本文研究的重點(diǎn)。作者以福建省龍海市的生活垃圾焚燒熔渣(以下簡(jiǎn)稱(chēng)熔渣)為研究對(duì)象，測(cè)試、分析三組不同批次熔渣樣品的理化特性，探討利用熔渣作為混凝土替代骨料的可行性。

2熔渣的理化特性分析

2.1熔渣的物理性質(zhì)分析

(1)顏色、氣味與外觀

原狀生活垃圾焚燒爐渣由于含有水分，呈黃褐色，風(fēng)干后為灰色。原狀焚燒爐渣的顏色和外觀如圖1所示，與砂石渣土相似，同時(shí)具有比較濃烈的酸澀性氣味。除去爐渣中的玻璃、石子、磚塊等大塊物質(zhì)即為熔渣。將熔渣置于烘箱中烘干后呈淺灰色，酸澀性氣味有所減弱。圖2顯示，烘干后的熔渣外觀類(lèi)似于粗質(zhì)草木灰，但質(zhì)地比草木灰重，顆粒形狀不規(guī)則，表面粗糙，沒(méi)有天然砂子那么光滑和接近球形，粉狀物質(zhì)較多。

圖1原狀焚燒爐渣圖2烘干后的焚燒熔渣

(2)粒徑分布

通過(guò)篩分試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，熔渣顆粒粒徑集中在4.75mm以下的范圍，其中小于0.15mm的粉狀顆粒居多，約占33%。從粒徑大小判斷，熔渣適合作混凝土細(xì)骨料，但是粉狀物質(zhì)明顯偏多，可能會(huì)給其在混凝土中的應(yīng)用帶來(lái)負(fù)面影響。

(3)粗細(xì)程度與顆粒級(jí)配

3組熔渣的篩分試驗(yàn)結(jié)果列于表2(累計(jì)篩余(%)、細(xì)度模數(shù)和級(jí)配)。

由表2可知，熔渣的細(xì)度模數(shù)為2.45，在中砂范圍;級(jí)配曲線在規(guī)定的三個(gè)級(jí)配區(qū)Ⅱ區(qū)，粒徑在0.3和0.15之間比較多，整體偏細(xì)。試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明熔渣不宜單獨(dú)使用，要想滿(mǎn)足混凝土骨料要求，可以考慮將熔渣與天然河砂復(fù)合配制使用。為此，將熔渣樣品1：天然砂子(細(xì)度模數(shù)2.45)按照5:5進(jìn)行了混合復(fù)配，復(fù)配后的混合骨料篩分析結(jié)果如表3所示。

可以看到，相較于熔渣，復(fù)配后的混合砂，整體偏粗，細(xì)度模數(shù)為2.50，在中砂范圍，顆粒級(jí)配屬Ⅱ區(qū),滿(mǎn)足混凝土細(xì)骨料要求。

(4)密度與空隙率

檢測(cè)了三組熔渣的表觀密度和堆積密度，并且計(jì)算了各組熔渣的空隙率，結(jié)果列于表4。

與河砂相比，熔渣的兩種密度值均偏低，其表觀密度不到2g/cm3。如果將熔渣替代一部分粗、細(xì)骨料，一方面會(huì)減輕混凝土質(zhì)量，但是另一方面又會(huì)加大混凝土的用水量，所以最好采用等體積法替代。

從空隙率計(jì)算結(jié)果來(lái)看，熔渣的空隙率較小，符合混凝土細(xì)骨料空隙率不超過(guò)47%的要求。

(4)吸水率

材料的吸水率可以反映材料內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)、孔隙的大小與數(shù)量，它直接影響其制備建筑材料時(shí)的需水量。為了便于比較，同時(shí)測(cè)試了熔渣和天然砂子的吸水率，結(jié)果如表5所示。比較二者的吸水率可以發(fā)現(xiàn)，熔渣的吸水率平均值為42.6%，相較于天然河砂的15.6%，熔渣的吸水性大，如果充當(dāng)細(xì)骨料則會(huì)明顯增加混凝土用水量，從而直接影響混凝土的和易性和強(qiáng)度。從吸水率結(jié)果判斷，熔渣不宜單獨(dú)作為細(xì)骨料使用。

(5)堅(jiān)固性

骨料在氣候、環(huán)境變化或其他物理因素作用下抵抗破壞(碎裂)的能力稱(chēng)為堅(jiān)固性。它反映骨料的耐久性，常用硫酸鹽飽和溶液浸泡法測(cè)定其質(zhì)量損失百分率p。熔渣的堅(jiān)固性試驗(yàn)結(jié)果如表6所示，熔渣的堅(jiān)固性良好，滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

(6)放射性

采用γ能譜儀(HJJ62-1)、鉛室(HJG23)設(shè)備，按照GB6566-2010《建筑材料放射性核素限量》對(duì)熔渣進(jìn)行放射性檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表7。

放射性檢測(cè)結(jié)果表明，熔渣為非放射性物質(zhì)。龍海熔渣的內(nèi)照射指數(shù)與外照

射指數(shù)分別為0.2和0.3，均低于GB6566-2010規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)限量。從放射性角度考量，熔渣在混凝土中使用是安全的。

2.2熔渣的化學(xué)性質(zhì)分析

(1)元素組成

采用電子探針精確測(cè)試了熔渣的化學(xué)元素組成，結(jié)果列于表8。

在龍海熔渣樣品中，元素含量由多到少依次是氧、硅、鈣、鋁、氯、鐵、鉀、鈉等，而鉛、汞、鎘等有害重金屬元素未見(jiàn)。但是，其較高的氯含量應(yīng)該引起重視。龍海市位于東南沿海，生活垃圾來(lái)源多以海產(chǎn)品為主，氯元素可能是由于食鹽、海鮮等食物殘?jiān)鼛?。高氯含量可以認(rèn)為是城市生活垃圾焚燒熔渣的一個(gè)主要特征，熔渣中的C1元素大約40%～50%源自垃圾中塑料(主要是PVC)物質(zhì)的燃燒[6]。

(2)化合物組成

根據(jù)元素組成進(jìn)而推算出各元素的化學(xué)存在形式，即化合物組成。經(jīng)過(guò)計(jì)算，熔渣中的上述元素主要以氧化物形式存在，占比重較大的依次為SiO2、CaO、Al2O3、Fe2O3，另外含有少量的K2O、Na2O、MgO、SO3及Cl。熔渣的化學(xué)組成分析結(jié)果詳見(jiàn)表9。

表9顯示，熔渣中的CaO、MgO、K2O、Na2O等堿性氧化物與SiO2、Al2O3等酸性氧化物含量基本持平，預(yù)示著熔渣的化學(xué)穩(wěn)定性較好，活性較差。值得關(guān)注的是熔渣中有兩種成分含量偏高：一是SO3及Cl含量偏高，在鋼筋混凝土中，氯離子容易引起鋼筋銹蝕，硫酸根離子則可能導(dǎo)致水泥發(fā)生腐蝕，二者均產(chǎn)生體積膨脹，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土保護(hù)層開(kāi)裂、脫落，嚴(yán)重影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性和使用的安全性，兩者含量均偏高，意味著熔渣不能直接應(yīng)用于混凝土中;二是一價(jià)堿金屬氧化物含量(K2O、Na2O)亦不低，堿性組分有可能引起堿-骨料反應(yīng)，同樣導(dǎo)致硬化混凝土體積膨脹，乃至開(kāi)裂。

(3)礦物組成

采用X射線衍射分析方法得到熔渣的礦物組成，如圖4所示。

可以看出，熔渣中有較強(qiáng)衍射峰的物質(zhì)有石英(α-SiO2)、方解石(CaCO3)、石鹽(NaCl)、赤鐵礦(Fe2O3)及單質(zhì)硅(Si)等晶體礦物成分。XRD圖譜中并未出現(xiàn)像粉煤灰那樣比較寬大的衍射特征峰，說(shuō)明熔渣的結(jié)構(gòu)致密，玻璃化程度偏低，而玻璃化程度決定了材料的活性程度，即活性SiO2含量低。分析結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)熔渣的化學(xué)穩(wěn)定性高，活性很低或者說(shuō)基本不具備火山灰活性，說(shuō)明熔渣并不適合作為水泥的替代材料，比較適合于作為替代骨料使用。

(4)酸堿度

水泥混凝土是一種偏堿性的材料，正因?yàn)槿绱耍拍軐?duì)包裹其中的鋼筋起到很好的保護(hù)作用。為了確定熔渣是否適合在混凝土中使用，檢測(cè)了3組熔渣樣品的pH值，結(jié)果列于表12。

數(shù)據(jù)顯示，熔渣樣品的pH值為11.56，是一種偏堿性的材料，對(duì)鋼筋腐蝕不會(huì)造成影響，適合在水泥混凝土中使用。

(5)環(huán)境危害性

相關(guān)研究表明，熔渣中含有多種重金屬,如鉛、鎘、銅、鋅、錫、鉻、鎳、硒、砷等。除了混入的一些工業(yè)固體廢物以外，重金屬主要來(lái)自于顏料、塑料(穩(wěn)定劑)、報(bào)紙、木塊、織物、橡膠、蓄電池和合金物等。垃圾中的重金屬物質(zhì)在焚燒過(guò)程中不能被生成和破壞，只能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和遷移轉(zhuǎn)化，其中一部分以爐渣的形式排出。

有關(guān)研究者采用不同方法測(cè)定重金屬的浸出值,以此來(lái)評(píng)價(jià)其環(huán)境安全性。劉學(xué)慧利用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)試了熔渣浸出液中的重金屬濃度，測(cè)試結(jié)果表明：熔渣浸出液中的重金屬濃度非常低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于固體廢棄物浸出毒性鑒別標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)環(huán)境無(wú)危害，可直接處置，或送至垃圾填埋場(chǎng)進(jìn)行填埋，或用作路基和建筑材料[12]。林奕明按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)HJ/T300-2007對(duì)不同粒徑的飛灰和熔渣進(jìn)行毒性浸出實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：得出當(dāng)用蒸餾水作為浸提劑時(shí)，Pb元素超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)GB5085.3–2007中所規(guī)定的值，而當(dāng)用2#溶液(pH值2.64±0.05)作為浸提劑時(shí)，Cd元素超過(guò)了該標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的值，而所有粒徑熔渣中的重金屬元素都沒(méi)有超出標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的值，因此建議可將熔渣進(jìn)行適當(dāng)處理后可進(jìn)行資源化回收利用[14]。宋立杰采用危險(xiǎn)廢物浸出毒性浸出方法標(biāo)準(zhǔn)一水平振蕩法浸出程序(HVEP)和毒性浸出程序(TCLP)浸出毒性的實(shí)驗(yàn)研究表明：垃圾焚燒爐渣是沒(méi)有浸出毒性的一般廢物，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染,具有穩(wěn)定性和長(zhǎng)期安全性[14]。

根據(jù)化學(xué)分析結(jié)果，綜合大多數(shù)研究者的研究結(jié)果，作者認(rèn)為熔渣在混凝土中使用不會(huì)對(duì)混凝土造成重金屬危害，資源化利用的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較小。

2.3熔渣的微觀形貌分析

從微觀形貌上看，熔渣顆粒結(jié)構(gòu)松散、多孔，單個(gè)顆粒呈不規(guī)則形狀、多棱角、表面粗糙，球形顆粒比較少。與天然砂子相比，熔渣的顆粒形貌不盡人意，如果用熔渣替代部分細(xì)骨料，必然導(dǎo)致混凝土用水量增加或水膠比增加，從而對(duì)于混凝土的工作性、力學(xué)性能和耐久性均產(chǎn)生不良影響。因此，如果要將熔渣作為混凝土的替代原材料，需要采取相應(yīng)措施防止用水量的增加，對(duì)此需要開(kāi)展深入研究。

3結(jié)論

(1)生活垃圾焚燒熔渣的顆粒粒徑、粗細(xì)程度、堅(jiān)固性、放射性等滿(mǎn)足混凝土細(xì)骨料基本要求。但是，與天然砂相比，熔渣的顆粒形貌較差，粉狀顆粒較多，級(jí)配不合格，整體偏細(xì)，并且密度小、吸水率偏大。因此，熔渣并非理想的細(xì)骨料，不宜直接使用，可以考慮與天然骨料復(fù)合配制使用。

(2)熔渣中的化學(xué)元素由多到少依次是氧、硅、鈣、鋁、氯、鐵、鉀、鈉等，而鉛、汞、鎘等有害重金屬元素未見(jiàn);化學(xué)組成包括SiO2、CaO、Al2O3、Fe2O3，含有少量的K2O、Na2O、MgO、SO3及Cl;酸堿度測(cè)試表明熔渣是一種偏堿性材料，適合在混凝土中使用。相關(guān)研究亦證實(shí)，熔渣不會(huì)對(duì)混凝土造成重金屬危害。值得關(guān)注的是熔渣中的氯鹽、硫酸鹽及堿含量偏高，會(huì)對(duì)混凝土造成鋼筋腐蝕及堿骨料反應(yīng)危害。如果作為混凝土替代骨料使用，需要預(yù)先進(jìn)行除鹽、除堿處理。

(3)熔渣的礦物組成主要含有石英(α-SiO2)、方解石(CaCO3)、石鹽(NaCl)、赤鐵礦(Fe2O3)及單質(zhì)硅(Si)等晶體成分。熔渣的結(jié)構(gòu)致密，玻璃化程度低，所以其活性低，化學(xué)穩(wěn)定性高，適合作為替代骨料使用。

綜上所述，生活垃圾焚燒熔渣的部分理化性質(zhì)具有細(xì)骨料特質(zhì)，但是與天然河砂相比，熔渣的顆粒形貌、級(jí)配、粒徑分布較差，密度小，吸水率高，并且無(wú)機(jī)鹽含量超標(biāo)。所以，熔渣并非理想的細(xì)骨料。如果作為混凝土的替代骨料使用，不僅要對(duì)熔渣進(jìn)行預(yù)處理，而且需要考慮將熔渣與天然骨料進(jìn)行復(fù)配，對(duì)此需要開(kāi)展進(jìn)一步研究。

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