生活垃圾焚烧灰渣原始集料制备免烧免压砖试验研究

陶毅，张海镇，史庆轩，薛峰

（1.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西 西安 710055；

2.总后建筑工程研究所，陕西 西安 710032）

生活垃圾焚烧灰渣原始集料制备免烧免压砖试验研究

陶毅1，张海镇1，史庆轩1，薛峰2

（1.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西 西安 710055；

2.总后建筑工程研究所，陕西 西安 710032）

提出了不对灰渣进行研磨而直接采用其原始集料，并以水泥和生石灰为原料，水玻璃和氢氧化钠为激发剂，制备三免砖（免烧、免压、免磨）的简化制备工艺。研究了不同配合比、水玻璃模数、激发剂用量对灰渣砖强度的影响规律。试验结果表明：采用灰渣原始集料制备的灰渣砖强度可以满足MU10砌块的要求，所提出的三免砖制备方案能节约成本；采用灰渣细集料的灰渣砖强度优于采用灰渣粗集料；灰渣掺量越多，强度越低；水玻璃的最佳模数为1.2～1.4，激发剂用量过多会造成强度的迅速降低；灰渣砖密度与强度呈正比关系，并且二者之间有较好的线性关系。

生活垃圾焚烧灰渣；原始集料；灰渣砖；抗压强度；密度

人口的增长与城市化进程的加快，导致了生活垃圾的大量增加与种类的多样化[1]。近年来，生活垃圾焚烧技术因其处理量大，减容性好，无害化彻底，并且热能可回收利用，成为城市生活垃圾的主要处理方式之一。但是如何安全处置随之产生的大量含有重金属物质的焚烧灰渣（以下简称灰渣）已经成为全社会共同关心的问题[2]。此外，灰渣的资源化利用也是可持续发展的重要技术手段[3]。目前灰渣的资源化利用主要包括：生态水泥的原料、混凝土和沥青的骨料替代物、填埋场的覆盖材料以及砖砌体的制备材料[3-5]。利用灰渣为原料制备建筑材料不仅可以提升生活垃圾焚烧灰渣的资源化利用率，而且可以减轻生活垃圾焚烧灰渣无害化处理的压力。目前垃圾焚烧灰渣制备砌块均对灰渣进行研磨以增加其活性[6-10]。本文从简化制备灰渣砖的工艺入手，探讨直接使用灰渣原始集料制备三免灰渣砖（免烧、免压、免磨）的方法，并通过试验确定其力学性能，实现灰渣的建筑材料资源化利用。

1 生活垃圾焚烧灰渣的物理性质

本项目采用的灰渣取自总后建筑工程研究所中试基地生活垃圾焚烧处理系统，从焚烧炉中直接提取的灰渣含有金属、玻璃、动物骨头以及其它未燃烧充分的物质。本项目为了简化灰渣砖的制备工艺，采取只对灰渣进行筛分，而不对其进行细化碾磨的处理方案。对于潮湿的灰渣需要在筛分之前进行干燥处理。

1.1 灰渣的化学成分与矿物组成

对灰渣进行光谱半定量全分析测试，其主要化学成分如表1所示。

表1 生活垃圾焚烧灰渣的主要化学成分 %

从表1可以看出，生活垃圾焚烧灰渣的主要化学成分为SiO2、A12O3、Fe2O3和CaO，属于CaO-SiO2-A12O3-Fe2O3化学体系，除此以外，K2O、MgO、Na2O等含量也较高。这是由于城市生活垃圾中含有大量厨余垃圾[11]，导致炉渣中的无机盐含量很高。

灰渣的矿物组成主要为α-SiO2、方解石和钙长石。从化学成分与物质组成分析可知，灰渣含有无机非金属氧化物，这也说明利用灰渣制砖是可行的。

1.2 灰渣重金属含量与毒性浸出分析

灰渣重金属含量如表2所示，灰渣的毒性浸出试验结果如表3所示。

表2 生活垃圾焚烧灰渣的重金属含量 mg/kg

从表2和表3可以看出，灰渣的有害物质浸出含量远小于安全浓度限量标准值，不属于有毒废物，因此可以在简单防护措施下对灰渣进行再利用。同时也应注意即使生活垃圾焚烧灰渣有毒物含量较小，但其中含有的Ba、Cd、Cr、Cu、Ti、P、Pb和Zn等有害重金属元素会造成水体和土壤污染，因此对灰渣的回收利用也将对环境保护产生积极的影响。

1.3 灰渣的基本力学指标

根据GB/T 25032—2010《生活垃圾焚烧炉渣集料》测试分析生活垃圾焚烧灰渣的基本力学指标，包括粒径分布规律、密度、含水率、轻漂物含量。

粒径分布：生活垃圾焚烧灰渣的粒径分布如表4所示，通过对每级粒径物质组成进行分析得出，需要筛除未完全燃烧物和其它杂质，因此，在使用灰渣前需将粒径＞10 mm的杂质筛除。试验中使用的粗集料指粒径大于0.45 mm的集料。细集料指粒径小于0.45 mm的集料。

表4 生活垃圾焚烧灰渣的粒径分布

密度：本试验采集的灰渣干密度（粒径＜10 mm）约为2100 kg/m3。

含水率：本试验灰渣的含水率为25%，符合GB/T 25032—2010中总含水率小于28%的要求。

轻漂物含量：经过测试，采集的灰渣轻漂物含量为0.15%，符合GB/T 25032—2010中轻漂物含量不大于0.2%要求。

2 试验

2.1 原材料

灰渣：生活垃圾焚烧灰渣，基本性质如第1章所示。

激发剂：将市售水玻璃（模数2.3，各成分含量：Na2O13.6%；SiO231.4%，水55%）与NaOH片碱（纯度＞99%）按一定质量比配制成激发剂溶液，即对水玻璃进行适当改性（调整水玻璃模数），并将激发剂溶液密封后放置在室内陈化24 h。

水泥：盾石牌P·O32.5水泥。

生石灰（CaO）：市售，CaO含量85%～95%，白度≥90%。

砂：市售普通河砂，中砂，细度模数2.4，含泥量＜3%。

水：自来水。

2.2 试验设计

本次研究以制备强度符合要求的灰渣砖为目标，采用抗压强度为考核指标，设计试验探讨灰渣的替代率、集料类型、水玻璃模数和用量对于灰渣砖抗压强度的影响。试验各组配合比设计如表5所示。

表5 灰渣砖配合比设计

2.3 三免灰渣砖的制备工艺

首先按照各组设计配合比称量各固相原料，倒入双卧轴混凝土搅拌机中，搅拌2min，为防止先加入激发剂造成聚集成块而无法搅拌的现象，首先加入拌合水量的80%搅拌1min，然后加入激发剂溶液和余下的水再搅拌2min，将拌合物装入标砖（240mm×115mm×53mm）试模中，振动成型2 min以尽可能的排出水化反应产生的气泡。常温养护[温度（20±3）℃]24h后脱模，继续在常温条件下养护28d，脱模后砖表面覆盖黑棉布，并连续7d每天定时浇水2次。制备好的三免灰渣砖如图1所示。

图1 三免灰渣砖

三免灰渣砖的抗压强度按照GB/T 4111—2013《混凝土砌块和砖试验方法》进行测试。

3 试验结果与分析

3.1 激发机理

灰渣中的活性氧化硅及氧化铝被封闭于大量玻璃体中，激发最重要的就是将固态的硅铝相加碱水解，使硅铝相分离，并从固体表面溶解释放出类离子态硅铝单体[12]。灰渣受到水泥水化产生的碱与水玻璃（Na2SiO3）的碱激发共同作用，使得灰渣活性得以发挥。Na2SiO3水解时产生大量OH－，使得灰渣中玻璃体表面的Si—O和Al—O键断裂，Si—O—Al网络聚合体的聚合度降低，表面形成游离的不饱和活性键，灰渣中的活性物质SiO2等与水泥水化产生的Ca（OH）2反应生成水化硅酸钙和水化硅酸铝等胶凝性产物。反应式如下：

此外，Na2SiO3水解产生的凝胶可以与Ca2+反应生成C-S-H凝胶，也加快了灰渣与Ca（OH）2的反应。

3.2 灰渣粒径和掺量的影响

本次试验对2组相同的配合比分别使用了粗集料（A5组和B1组）和细集料（A4组和B2组）2种不同粒径的灰渣原始集料，制备的灰砂砖抗压强度如图2所示。

图2 灰渣粒径对灰砂砖抗压强度的影响

从图2可以得出，使用灰渣细集料制备的灰渣砖抗压强度大于使用粗集料制备的灰渣砖。这是由于灰渣的活性会随着灰渣粒径的降低而提升,活性较高的灰渣和碱激发剂的反应会更充分。尤其当灰渣含量较高时，即不使用细骨料（砂）的灰渣砖这种影响更为显著。

灰渣掺量对灰渣砖抗压强度的影响如图3所示，其中图3（a）为掺砂的配合比，分别对应A1、A2、A3试件，图3（b）为不掺砂的配合比，分别对应G2、F1、E1、D2、C2试件。

从图3可以看出，随着灰渣掺量的增加，灰渣砖的抗压强度逐渐降低。掺砂时，当灰渣掺量超过50%，抗压强度急剧下降，当灰渣掺量达到75%时，抗压强度仅为2.6 MPa；不掺砂时，当灰渣掺量为10%时，灰渣砖的抗压强度只有不掺灰渣时的50.9%，强度损失过半，并且随着灰渣用量的增加，抗压强度持续下降。这一规律可以归因为：由于未经碾磨的灰渣粒径相对于水泥较大，因此其活性较低，粒径较大的灰渣不能和碱激发剂充分反应，从而导致试块内部存在部分未反应的大粒径灰渣，这会在试件内部形成薄弱区，从而导致较多的微观孔隙，这些微观孔隙易发展成裂缝，最终导致试块破坏。

图3 灰渣掺量对灰渣砖抗压强度的影响

3.3 水玻璃模数的影响

图4为掺与不掺灰渣时不同水玻璃模数对灰渣砖的抗压强度的影响。

图4 水玻璃模数对灰渣砖抗压强度的影响

从图4可以看出，当水玻璃模数为1.2～1.4时，灰渣砖的抗压强度最高。灰渣砖的合成反应是固相灰渣以及水泥颗粒与液相水玻璃激发剂之间的固液两相反应。研究表明，碱激发产物主要有无机[SiO4]、[AlO4]四面体为主要骨架[13]，因此灰渣砖的强度取决于反应体系中低聚[SiO4]和[AlO4]数量[14]。其中，水玻璃模数对反应体系中硅氧四面体[SiO4]的结构有较大的影响[15]。在水玻璃中，存在着多种聚合度的硅氧四面体基团，且随着水玻璃溶液中SiO2浓度的降低，即随着水玻璃模数的降低，溶液中低聚硅氧四面体（如单聚Si1、双聚Si2和三聚Si3）的含量增加，高聚硅氧四面体的含量减少。当水玻璃模数小于1.5时，水玻璃溶液中开始出现单聚结构的基团，其比例随着模数的减少而增加[16]，因此，低模数的水玻璃溶液中低聚合度硅氧四面体的含量相对于高模数的水玻璃溶液增多，从而使得灰渣和水泥中铝硅玻璃相解聚加快，这样有利于胶体沉淀相的形成，提高灰渣砖的强度。

3.4 激发剂用量的影响

激发剂用量对灰渣砖抗压强度的影响见图5。

图5 激发剂用量对抗压强度的影响

从图5可以看出，激发剂用量在25%～30%时，灰渣砖的抗压强度较高。当激发剂用量继续增大时，抗压强度迅速降低。当碱激发剂用量达到35%时，灰渣砖的抗压强度损失过半。由于水玻璃溶液中含有55%的水分，因此激发剂用量的增大，势必导致水量的增多，水胶比增大。而拌合水量增大会使试块硬化后残余水增多，直接导致毛细孔增多，这种弱堆积缺陷必将导致强度下降。此外，制备过程中发现拌合水量增大时，会产生大量的气泡，这也会一定程度上降低灰渣砖的强度。另一方面，碱激发剂用量过少时（15%左右），激发效果不明显，灰渣砖的抗压强度也会降低，因此，激发剂的最佳用量为胶凝材料质量的25%～30%。此时，灰渣用量达到40%，可制备出抗压强度大于10 MPa的灰渣砖。

3.5 密度与抗压强度的关系

图6为灰渣砖（未掺砂）的抗压强度与密度之间的关系。

图6 灰渣砖密度与抗压强度的关系

从图6可以看出，灰渣砖抗压强度与密度之间具有很好的线性关系。通过线性回归分析得到：灰渣砖抗压强度与密度可以用线性函数Y=-45.82+34.57X来表示，相关系数为0.91。

分析结果表明，灰渣砖密度与抗压强度呈正相关关系，即密度越大，抗压强度越高。这是由于试块的密度越大，在未使用骨料的情况下，其密实性越好，内部孔隙越少，即试块的初始缺陷越少，这就导致了抗压强度的提高。密度越小，试块内部气孔越多，试块内部布满大量气孔，如图7所示。这就使得试块密度降低，这些气孔在试块承压时成为薄弱面，进而成为裂缝的初始点，并造成内部裂缝的快速发展，强度降低。

图7 试块内剖面

4 结论

（1）使用细集料灰渣制备的灰渣砖抗压强度高于使用粗集料灰渣的灰渣砖。随着灰渣掺量的增多，灰渣砖的抗压强度随之下降。

（2）水玻璃的模数越小（大于1.2）（SiO2浓度的越小）抗压强度越高。作为碱激发的水玻璃的模数应低于1.5，最佳模数为1.2～1.4。激发剂最佳用量为胶凝材料质量的25%～30%。

（3）灰渣砖密度越大，抗压强度越高。密度与抗压强度之间具有较好的线性关系。

（4）试验中制备出了抗压强度大于10 MPa的灰渣砖，并且灰渣用量达到40%，是对垃圾焚烧灰渣的建筑材料资源化利用的有效手段。

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Experimental study on the behavior of unfired and free-pressure brick made from raw household waste slag

TAO Yi1，ZHANG Haizhen1，SHI Qingxuan1，XUE Feng2
（1.School of Civil Engineering，Xi'an University of Architecture and Technology，Xi'an 710055，China；
2.PLA General Logistics Department Construction Engineering Research Institute，Xi'an 710032，China）

This paper proposed simplifiedpreparation technology of Three-free brick（burning-free，pressure-free，grinding-free）which prepared by using original aggregate rather than grinding slag and using cement and quicklime as raw material，sodium silicate and sodium hydroxide asalkali excitant.The effects of several key parameters such as different mix proportion，sodium silicate modulus，alkali excitant content on the compression strength of brick has been investigated.The results indicate that the raw slag can be used as component of brick instead of grinded slag particles.The fine slag ash leads to a higher strength than the coarse slag ash.The more content of slag used to produce brick results in the lower strength.The optimal modulus of sodium silicate has been identified as 1.2 to 1.4 in the test，but overmuch dosage will result in rapid decrease of strength.The proportional relationship between density and strength was studied and a linear model was proposed.

raw household waste slag，original aggregate，ash brick，compressive strength，density

TU522.1

A

1001-702X（2016）11-0034-05

国家自然科学基金项目（51408478）；陕西省教育厅专项科研计划项目（14KJ1437）

2016-03-28；

2016-05-10

陶毅，男，1982年生，陕西西安人，博士，副教授，研究方向：绿色建筑材料。