垃圾焚烧炉渣作为水泥混合材的水化性能及安全性研究

曹晓非 徐觉慧 李和平 刘静(江苏省水泥产品质量监督检验中心，江苏 徐州 221000)

1 引言

针对随着我国各地城镇化进程的加快，北京、上海、广州等大中城市已建成多个垃圾焚烧发电站，以每吨垃圾产生0.32吨焚烧灰渣来计算，预计我国焚烧灰渣的累计年产量会达到350万吨[1-3]。垃圾焚烧炉渣相对于焚烧飞灰产生量大且重金属含量较低，属于一般废物可直接进行利用[4-6]。目前我国主要采用直接填埋的方式对其进行处理，不仅占用大量土地资源，还会对环境造成严重的二次污染，因此焚烧炉渣的资源化再利用问题迫在眉睫。水泥由于能有效固化有害组分，是国内外使用广泛的消纳处理废渣的有效途径[7-9]。本文将垃圾焚烧炉渣作为水泥混合材，重点讨论其水化活性、工作性能和环境安全性，为炉渣在水泥中的无害化再利用提供研究基础。

2 试验

2.1 试验原料来源及成分

生活垃圾焚烧炉渣取自徐州市金山桥垃圾焚烧发电厂，筛拣后在105±1℃下烘干并用试验小磨磨至比表面积为（380±10）m2/kg待用。将磨细炉渣在蒸馏水中浸泡48h，每隔8h换一次水，浸泡完毕后在105℃下烘干得到水洗炉渣。水泥方面利用徐州市某大型干法旋窑水泥厂生产的42.5水泥熟料与天然二水石膏在试验小磨中共磨至比表面积（380±10）m2/kg后得到PI型硅酸盐水泥。粉煤灰使用徐州市某电厂的III级灰，比表面积为400m2/kg。利用ARL9800XP+型X射线荧光光谱仪分析各种原料的化学组成如表1所示。

表1 不同原材料的化学组成

2.2 试验分析方法

根据GB/T12957-2005《用于水泥混合材的工业废渣活性试验方法》进行垃圾焚烧炉渣及水洗炉渣的活性分析。根据GB6566-2010《建筑材料放射性核素限量》利用FYFS-2002低本底多道γ能谱仪测定炉渣的放射性。根据GB175-2007《通用硅酸盐水泥》测定掺炉渣水泥的物理性能。根据GB/T7023-2011《低、中水平放射性废物固化体标准浸出试验方法》对标准养护成型28d的水泥胶砂试件进行浸渍，使用POEMS（II）型电感耦合等离子光谱质谱联用仪（ICP）测试其在3d、7d、28d的重金属浸出量。使用JSM-6380型扫描电子显微镜观察水泥水化试样的微观形貌。

3 结果和讨论

3.1 焚烧炉渣的性质

垃圾焚烧炉渣呈黑褐色，烘干后为灰色，含水率为10%～20%。热灼烧率反应了物质中有机质含量[10]，炉渣与水洗炉渣的热灼烧率分别为0.185%和0.107%，表明二者有机质含量均较低。焚烧炉渣的放射性检测实际结果为内照射指数IRa=0.31，外照射指数Ir=0.56，低于GB6566-2010的规定限制要求，因此属于飞放射性物质。

3.2 焚烧炉渣的水化活性

垃圾焚烧炉渣作为一种固体废弃物用作水泥混合材时，首先要从潜在水硬性、28d抗压强度等方面对其活性进行综合判定。潜在水硬性是指材料单独磨细加水后水化硬化极慢，但在石灰、熟料、石膏等的激发作用下能加快水化，形成水硬性化合物的性能[11]。将炉渣细粉与石膏细粉按4：1的质量比混合均匀后，加水制成试饼，将试饼在（20±1）℃、相对湿度大于90%的养护箱内养护7d后放入（20±1）℃的水中浸水3d。实际结果表明：试饼能凝结为一个边缘清晰的完整试体，但强度极低，用铁锤轻砸可碎，且试饼内部疏松。这表明焚烧炉渣具有一定的潜在水硬活性，但活性很弱，这可能与其矿物组成所含的少量类C2S矿物有关[12]。在P I硅酸盐水泥中掺入30%焚烧炉渣，成型并标准养护28d后测得其抗压强度为36.3MPa，硅酸盐水泥基准样28d抗压强度为58.5MPa，两者比值为62.05%，低于GB/T2847-2005要求的不低于65%。综合分析可知，垃圾焚烧炉渣仅具有微弱的潜在水硬活性，28d抗压强度比也不符合要求，因此不适合用作活性混合材，但仍可用作普通混合材。

3.3 焚烧炉渣对水泥物理性能的影响

将炉渣及水洗炉渣用作混合材按7.5%、15.0%的质量比掺杂制成不同水泥试样，检测其物理性能并与基准水泥试样进行比较。水泥试样的凝结时间随炉渣掺量的变化趋势如图1所示，水泥强度随炉渣掺量的变化趋势如图2所示。

图1 掺不等量焚烧炉渣的水泥试样的凝结时间变化趋势

图2 掺不等量焚烧炉渣的水泥试样的强度变化趋势

由图1、图2可见，无论是掺入炉渣还是水洗炉渣，水泥试样的凝结时间均随其掺量增加而延长，水泥胶砂在3d及28d龄期的抗折强度及抗压强度均呈下降趋势。当焚烧炉渣掺量达到15%时，试样凝结时间满足GB175-2007中42.5等级普通硅酸盐水泥的要求，而当焚烧炉渣掺量达到7.5%时，试样各龄期强度仍满足42.5普通硅酸盐水泥的指标规定。水洗炉渣用作混合材对水泥强度的削弱作用小于普通焚烧炉渣，这主要由未水洗焚烧炉渣中含量相对较高的碱及有机物等有害组分影响了水泥水化进程所致。

对掺15.0%焚烧炉渣的水泥28d水化试样进行SEM分析，结果如图3所示。

图3 掺15%焚烧炉渣的水泥试样的SEM照片

由图可见，掺入焚烧炉渣的硬化水泥石中水化产物主要为纤维网络状及团簇状的C-S-H，同时还有部分结晶良好的六方板状Ca(OH)2，无明显的炉渣颗粒单独存在。炉渣作为非活性混合材虽然对强度无贡献，但其对水泥水化产物构成影响不大，且炉渣颗粒能与水泥浆体良好结合，对浆体的整体凝胶硬化性基本无影响。

图4 掺焚烧炉渣的水泥试样在不同龄期的重金属浸出情况

由图可见，掺15%焚烧炉渣的水泥固化体中重金属的溶出主要发生在早期，其长期溶出安全性较高。水泥固化试样表面对重金属的机械固封作用较弱，早期浸渍过程中固化体与环境水间存在重金属浓度差，并伴随固—液界面反应，表层重金属离子随之扩散出来，因此浸渍溶出速率较快。而在浸渍后期，重金属浸出过程逐步转到固化体内毛细管的扩散过程，同时固化体致密度的改善进一步阻止了重金属的溶出。故试件后期的重金属浸出情况明显改善。另外，掺15%焚烧炉渣水泥试件的各浸渍龄期重金属的溶出浓度均满足III类地下水的要求，因此焚烧炉渣用作水泥混合材的环境安全性较好。

4 结论

1）生活垃圾焚烧炉渣无放射性，潜在水硬性较弱，可作为水泥的非活性混合材使用。

2）垃圾焚烧炉渣用作水泥混合材，其掺量增加会延长水泥的凝结时间，并降低水泥胶砂的各龄期强度。但当焚烧炉渣掺量为7.5%时，水泥强度仍可满足42.5普通硅酸盐水泥的指标要求，焚烧炉渣经水洗处理后其对水泥强度的劣化作用减弱。

3）掺15%焚烧炉渣的水泥制品中重金属的表面浸渍溶出主要发生在早期（0～7d），其长期溶出安全性较高，重金属溶出浓度能满足III类地下水要求。垃圾焚烧炉渣用作水泥混合材具有较好的环境安全性。

[1]QIAN Ling，HOU Hao-bo. Beneficial comprehensive utilization of municipal waste incinerator residue [J].China Resources Comprehensive Utilization，2004，(10):9-12

[2]Ferrerira C，Ribeiro A，Ottosen L.Possible applications for municipal solid waste fly ash [J].Journal of Hazardous Materials，2003，96(2-3):201-216

[3]Leo S M，Paul H B，Sebastian S.Effect of operating condition and input variation on the partition of metals in a municipal solid waste incinerator[J].Waste Management and Research，2000，18(1):4-15

[4]CHEN Dong-he，WU Xiao-mei， FAN Yueming.Characterization of municipal solid waste incineration bottom ash and its environmental impact assessment [J].Urban Environment & Urban Ecology，2006，(5):6-8

[5]Hassn B，Hermann M. Factors determing the element behavior in municipal solid waste incinerators，1，field studies [J].Environmental Science and Technolo gy，2000，34(12):2501-2506

[6]Wang K S，Chiang K Y，TSAI C C，et al.The effects of FeCl3on the distribution of the heavy metals Cd，Cu，Cr and Zn in a simulated multimetal incineration system[J].Environment International，2001，26:257-263

[7]Jakob A，Stucki S， Kuhn P. Evaporation of heavy metals during the heat treatment of municipal solid waste incinerator fly ash [J].Environmental Science and Technology，1998，29:2429-2436

[8]Lin K L，Wang K S.Tzen B Y，et al.The reuse of municipal solid waste incinerator fly ash slag as a cement substitute [J].Resource Conservation &Recycling，2003，39(4):315-324

[9]Lin K L.The influence of municipal solid waste incinerator fly ash slag blended in cement pastes [J].Cement and Concrete Research，2005，35(5):979-986

[10]Chandler A，Eighmy T，Hartlen J，et al.Municipal solid waste incinerator residues[M].The Netherlands:Elsevier Science B.V，1997:203-221

[11]Polettini A，Omi R P，Sirini P，et al.Properties of Portland cement established MSWI fly ashes [J]. Journal of Hazardous Materials，2001，B88:123-138

[12]Wang K S，Chiang K Y，Perng J K，et al.The Characteristics study on sintering of municipal solid waste incinerator ashes [J].Journal of Hazardous Materials，2001，59:201-210