摘要:

測試、分析了龍海市生活垃圾焚燒熔渣的物理性質(zhì)和化學性質(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)具有細骨料特質(zhì)，沒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、級配、粒徑分布較差，密度小，吸水率高，并且無機鹽及堿含

量偏高。熔渣并非理想的細骨料，不宜直接使用，需要對其進行預(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嚴重的社會問題。發(fā)達國家的發(fā)展歷程表明，垃圾焚燒處理及綜合利用是實現(xiàn)垃圾減量化、無害化和資源化最有效手段。目前在福州、廈門、漳州等城市，生活垃圾焚燒廠已經(jīng)運行或正在建設(shè)。通過焚燒可使垃圾減量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%，大部分焚燒爐渣進入填埋場進行填埋處置，這將顯著增加城市周邊填埋庫容的壓力，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)仍是一項艱巨的任務(wù)[1]-[5]。

與此同時，大規(guī)模的城鎮(zhèn)化和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)對于混凝土的需求量穩(wěn)定增長，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)境污染問題，還能夠開發(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，屬于危險廢棄物;而焚燒爐渣是由熔渣、鐵和其他金屬、陶瓷類碎片、玻璃和一些不燃物及未燃有機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。作者以福建省龍海市的生活垃圾焚燒熔渣(以下簡稱熔渣)為研究對象，測試、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

通過篩分試驗發(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骨料，但是粉狀物質(zhì)明顯偏多，可能會給其在混凝土中的應(yīng)用帶來負面影響。

(3)粗細程度與顆粒級配

3組熔渣的篩分試驗結(jié)果列于表2(累計篩余(%)、細度模數(shù)和級配)。

由表2可知，熔渣的細度模數(shù)為2.45，在中砂范圍;級配曲線在規(guī)定的三個級配區(qū)Ⅱ區(qū)，粒徑在0.3和0.15之間比較多，整體偏細。試驗結(jié)果說明熔渣不宜單獨使用，要想滿足混凝土骨料要求，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(細度模數(shù)2.45)按照5:5進行了混合復(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，細度模數(shù)為2.50，在中砂范圍，顆粒級配屬Ⅱ區(qū),滿足混凝土細骨料要求。

(4)密度與空隙率

檢測了三組熔渣的表觀密度和堆積密度，并且計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、細骨料，一方面會減輕混凝土質(zhì)量，但是另一方面又會加大混凝土的用水量，所以最好采用等體積法替代。

從空隙率計算結(jié)果來看，熔渣的空隙率較小，符合混凝土細骨料空隙率不超過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的需水量。為了便于比較，同時測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，如果充當細骨料則會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度。從吸水率結(jié)果判斷，熔渣不宜單獨作為細骨料使用。

(5)堅固性

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)的能力稱為堅固性。它反映骨料的耐久性，常用硫酸鹽飽和溶液浸泡法測定其質(zhì)量損失百分率p。熔渣的堅固性試驗結(jié)果如表6所示，熔渣的堅固性良好，滿足標準要求。

(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》對熔渣進行放射性檢測，檢測結(jié)果如表7。

放射性檢測結(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)定的標準限量。從放射性角度考量，熔渣在混凝土中使用是安全的。

2.2熔渣的化學性質(zhì)分析

(1)元素組成

采用電子探針精確測試了熔渣的化學元素組成，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。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、海鮮等食物殘渣帶入。高氯含量可以認為是城市生活垃圾焚燒熔渣的一個主要特征，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)元素組成進而推算出各元素的化學存在形式，即化合物組成。經(jīng)過計算，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。熔渣的化學組成分析結(jié)果詳見表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，進而導(dǎo)致混凝土保護層開裂、脫落，嚴重影響混凝土結(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)果進一步證實熔渣的化學穩(wěn)定性高，活性很低或者說基本不具備火山灰活性，說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，正因為如此，才能對包裹其中的鋼筋起到很好的保護作用。為了確定熔渣是否適合在混凝土中使用，檢測了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，對鋼筋腐蝕不會造成影響，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，重金屬主要來自于顏料、塑料(穩(wěn)定劑)、報紙、木塊、織物、橡膠、蓄電池和合金物等。垃圾中的重金屬物質(zhì)在焚燒過程中不能被生成和破壞，只能發(fā)生化學反應(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定重金屬的浸出值,以此來評價其環(huán)境安全性。劉學慧利用原子吸收分光光度計測試了熔渣浸出液中的重金屬濃度，測試結(jié)果表明：熔渣浸出液中的重金屬濃度非常低，遠遠低于固體廢棄物浸出毒性鑒別標準，對環(huán)境無危害，可直接處置，或送至垃圾填埋場進行填埋，或用作路基和建筑材料[12]。林奕明按照國家標準HJ/T300-2007對不同粒徑的飛灰和熔渣進行毒性浸出實驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：得出當用蒸餾水作為浸提劑時，Pb元素超過了標準GB5085.3–2007中所規(guī)定的值，而當用2#溶液(pH值2.64±0.05)作為浸提劑時，Cd元素超過了該標準中所規(guī)定的值，而所有粒徑熔渣中的重金屬元素都沒有超出標準所規(guī)定的值，因此建議可將熔渣進行適當處理后可進行資源化回收利用[14]。宋立杰采用危險廢物浸出毒性浸出方法標準一水平振蕩法浸出程序(HVEP)和毒性浸出程序(TCLP)浸出毒性的實驗研究表明：垃圾焚燒爐渣是沒有浸出毒性的一般廢物，不會對環(huán)境造成二次污染,具有穩(wěn)定性和長期安全性[14]。

根據(jù)化學分析結(jié)果，綜合大多數(shù)研究者的研究結(jié)果，作者認為熔渣在混凝土中使用不會對混凝土造成重金屬危害，資源化利用的環(huán)境風險較小。

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骨料，必然導(dǎo)致混凝土用水量增加或水膠比增加，從而對于混凝土的工作性、力學性能和耐久性均產(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，對此需要開展深入研究。

3結(jié)論

(1)生活垃圾焚燒熔渣的顆粒粒徑、粗細程度、堅固性、放射性等滿足混凝土細骨料基本要求。但是，與天然砂相比，熔渣的顆粒形貌較差，粉狀顆粒較多，級配不合格，整體偏細，并且密度小、吸水率偏大。因此，熔渣并非理想的細骨料，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;化學組成包括SiO2、CaO、Al2O3、Fe2O3，含有少量的K2O、Na2O、MgO、SO3及Cl;酸堿度測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，熔渣不會對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，會對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)具有細骨料特質(zhì)，但是與天然河砂相比，熔渣的顆粒形貌、級配、粒徑分布較差，密度小，吸水率高，并且無機鹽含量超標。所以，熔渣并非理想的細骨料。如果作為混凝土的替代骨料使用，不僅要對熔渣進行預(yù)處理，而且需要考慮將熔渣與天然骨料進行復(fù)配，對此需要開展進一步研究。

參考文獻：

[1]周曉萃,徐琳瑜等.城市生活垃圾處理全過程的低碳模式優(yōu)化研究[J].環(huán)境科學學報，2012,32(2):498-505.

[2]楊媛,吳清仁,吳啟堅.資源化利用城市生活垃圾焚燒爐渣的技術(shù)途徑[A].建筑材料工業(yè)技術(shù)情報研究所.中國國際信息墻體材料節(jié)能減排高層論壇暨中國建材工業(yè)利廢國際大會會議論文集[C].廣州:2008:251-256.

[3]章驊,何品晶.城市生活垃圾焚燒爐渣的資源化利用[J].環(huán)境衛(wèi)生工程，2002.10(1)：6-7.

[4]楊媛.城市生活垃圾焚燒爐渣制備免燒墻體磚及其對環(huán)境負荷的影響[D].廣州:華南理工大學,2010.

[5]曹旗.城市生活垃圾焚燒發(fā)電廠爐渣制備混凝土路面磚及其對環(huán)境負荷的影響[D].廣州:華南理工大學,2011.

[6]孫昕,金龍.城市生活垃圾焚燒爐渣資源化利用的研究進展[J].污染防治技術(shù).2004,22(2):62-64.

[7]岳鵬,施惠生,袁玲.用城市生活垃圾焚燒爐渣制備建筑材料的研究[J].粉煤灰綜合利用.2003,28(03):28-29.

[8]章驊,何品晶.城市生活垃圾焚燒爐渣及其性質(zhì)分析[J].上海環(huán)境科學.2002.21(6):356-357.

[9]單成沖,潘莉莉,吳科等.城市生活垃圾焚燒底灰的水熱固化研究[J].新型建筑材料，2011(7):1-5.

[10]范宇杰等.城市生活垃圾爐渣作為土木工程材料的資源化利用探討[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展.2012(6):98-99.

[11]阮仁勇.城市生活垃圾資源化利用的研究與實踐[J].上海建設(shè)科技.2009(1):58-59.

[12]劉學慧.城市生活垃圾焚燒底灰的性能研究及資源化利用[D].武漢:武漢理工大學,2011.

[13]林奕明.電弧爐飛灰和垃圾焚燒灰及剩余活性污泥的部分資源化處理方法研究[D].廣州:華南理工大學,2013.

[14]宋立杰.生活垃圾焚燒爐渣特性及其在廢水處理中的應(yīng)用研究[D].上海:同濟大學,2006.