粉煤灰-水泥体系对重金属铅的固化/稳定效果研究

汪毅，徐兵，康明

（1.宝钢发展有限公司，上海 201900；2.上海宝钢新型建材科技有限公司，上海 201900）

粉煤灰-水泥体系对重金属铅的固化/稳定效果研究

汪毅1，徐兵1，康明2

（1.宝钢发展有限公司，上海 201900；2.上海宝钢新型建材科技有限公司，上海 201900）

研究重金属Pb对纯水泥和粉煤灰-水泥体系抗压强度、水化程度、毒性浸出以及孔径分布等性能的影响，结果表明，纯水泥和粉煤灰-水泥均可以有效固化/稳定重金属Pb。重金属Pb对水泥的水化反应影响较小，对纯水泥试样的强度发展以及孔分布影响较弱；Pb的添加可以促进粉煤灰的火山灰反应程度，但是反应产物对样品强度的贡献有限，从而明显减缓粉煤灰-水泥试样的强度发展。

固化；稳定；重金属；粉煤灰；水泥

0 引言

钢铁冶炼过程中会形成Zn、Cu、Pb等重金属污染物[1]，这些污染物最终落户于企业空气污染治理所得粉尘或污泥、轧屑回收污泥、水处理污泥以及场地土壤等处，并形成属于国家危险废物名录列表的危险废物，由于其平均含量＜100 mg/kg，回收利用成本高、难度大，国际上通常采用固化/稳定方法进行处理，以利于后续资源化利用或处置[2-3]。20世纪80年代起，固化/稳定技术被用于美国25%以上的大规模工矿区的有害废物处理。随着我国城市污泥和生活垃圾焚烧项目的不断落地，国内对焚烧灰渣中重金属固化也开展研究，部分研究表明[4-7]，通过固化可以有效控制重金属环境风险。在众多固化/稳定技术中，粉煤灰与水泥的混合材料由于原料易得、成本低廉以及便于规模化实施等原因，而被广泛应用。但是，也有研究表明，重金属对火山灰反应具有一定程度的阻碍作用[8-9]。为了明确粉煤灰-水泥混合材料对重金属固化/稳定的适应性，本研究选取钢铁冶炼与冷轧过程中常见的重金属铅作为研究对象，通过分析其在纯水泥与粉煤灰-水泥2种固化/稳定体系中的迁移行为，以及对火山灰反应的影响特点，为重金属的固化/稳定材料选取提供理论支撑。

1 试验

1.1 原材料

水泥：宁国水泥厂P·Ⅱ52.5R水泥，比表面积360 m2/kg，密度3.16 g/cm3。

粉煤灰：上海吴泾电厂的Ⅱ级F型粉煤灰，45 μm方孔筛筛余20%，烧失量6%。

重金属Pb：采用GR级分析纯Pb（OH）2，纯度99.5%。毒性动态浸出溶液的pH值用AR级醋酸调配。

1.2 实验仪器和设备

微机屏显液压万能试验机MC009-WEW-300B：上海研润光机科技公司；N7/H型马弗炉：德国Nabertherm；AL204型电子天平：梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司；振荡设备：恒温摇床TS-2102C，上海科辰实验设备有限公司；PM33GT-17压汞仪：美国Quantachrome公司。

1.3 试验方法

根据表1配合比制备25 mm×50 mm的样品，在25℃、相对湿度100%的养护箱内养护28 d和90 d。样品中Pb含量按1份含铅高炉尘泥（平均含铅4.1%）配6份固化/稳定剂计。样品抗压强度取3个测试值的平均值，抗压强度测试所得碎块，按照HJ557—2010《固体废物浸出毒性浸出方法水平振荡法》进行浸出试验。采用粉煤灰水化程度和动态浸出（DLT）试验[10]来表征重金属铅对火山灰反应的影响。含有粉煤灰的样品水化程度采用苦味酸-甲醇溶解法方法测试。采用丙酮终止样品水化后，利用PM33GT-17压汞仪测试样品的孔分布。

表1 固化/稳定试验的质量配合比

2 试验结果与分析

2.1 抗压强度（见表2）

表2 不同固化/稳定试样的抗压强度

从表2可以看出，含重金属铅的固化/稳定试样28 d、90 d抗压强度均低于不含重金属铅的试样，其中纯水泥试样C在2个龄期的抗压强度均降低约15%；而掺加Ⅱ级F型粉煤灰的试样，固化/稳定重金属铅后，28 d抗压强度降低35%，90 d抗压强度降低约46%。由此可以看出，重金属铅对于纯水泥水化反应的影响有限，但是对于粉煤灰的火山灰反应的影响则比较明显。

2.2 水化程度

水化程度试验结果显示，养护28 d后，不含重金属铅的CFA试样、含重金属铅的CFA-Pb试样粉煤灰水化程度分别为23.94%、27.19%；养护90 d后，CFA试样、CFA-Pb试样粉煤灰水化程度分别为37.31%、47.38%。由于水化程度测试方法不适用于纯水泥样品，故没有纯水泥试样的水化程度数据。

2.3 毒性浸出

毒性浸出试验结果显示，养护28 d后，纯水泥试样C-Pb、含粉煤灰的CFA-Pb试样中Pb浸出浓度分别为0.12、2.71 mg/L；养护90 d后，C-Pb、CFA-Pb试样中Pb浸出浓度分别为0.89、0.05 mg/L。C-Pb、CFA-Pb试样中Pb的浸出率均远小于5 mg/L，满足毒性浸出安全控制指标。

Pb在DLT试验中的累积浸出率见图1。

图1 Pb在DLT试验中的累积浸出率

由图1可见，对于养护28 d的试样，Pb的累积浸出率均随着浸出时间的延长而增加，纯水泥试样C-Pb中Pb的累积浸出率远大于含粉煤灰的试样CFA-Pb；养护90 d后，纯水泥试样C-Pb中Pb的累积浸出率几乎为0，含粉煤灰的试样CFA-Pb中的最大累积浸出率为0.37%。

2.4 孔径分布

对养护90 d的纯水泥试样C、C-Pb、C-Pb-DLT（经过DLT浸出的C-Pb试样）、含粉煤灰的试样CFA、CFA-Pb、CFA-Pb-DLT（经过DLT浸出的CFA-Pb试样）孔径分布进行测试，结果分别见图2、图3。

图2 纯水泥试样的孔径分布

图3 含粉煤灰试样的孔径分布

由图2、图3可见，重金属Pb对纯水泥试样的孔径分布影响很小，经历DLT浸出后的纯水泥试样仅增加了0.01～2μm内的孔。对于含粉煤灰的试样，添加重金属Pb后，CFA-Pb的孔呈减小趋势，但是经历DLT浸出后，CFA-Pb-DLT试样在0.01～20 μm内的孔显著增加。

2.5 试验结果分析

重金属Pb对纯水泥试验的强度发展影响较小，说明Pb对C-S-H凝胶的形成影响较小，试样孔径分布的结果也证明了这一点。但是随着养护龄期延长，纯水泥试样中Ca（OH）2的供应减缓，进而导致90 d养护的纯水泥试样Pb浸出比粉煤灰-水泥试样高。这说明纯水泥固化/稳定化重金属Pb的过程中，化学稳定的作用不容忽视。结合DLT的结果可以得出，虽然纯水泥对于重金属Pb的固化/稳定效果非常好，但是当固化/稳定试样破损后，重金属Pb的浸出率会明显提高。

虽然添加重金属Pb可以使粉煤灰-水泥样品的抗压强度发生明显降低，但水化程度结果显示，添加Pb（OH）2能够促进粉煤灰中火山灰性物质的溶解与反应，而孔径分布结果也显示，添加Pb（OH）2后粉煤灰-水泥试样的孔隙率会降低。这意味着Pb（OH）2能够与粉煤灰中具有火山灰性的玻璃相物质发生反应。但是这种反应物可能与C-S-H凝胶不同，在试样中主要充当填充孔隙的物质而对试样强度产生的贡献较小。所以在经由动态连续浸出（DLT）后，试样中的孔体积显著增加，累积Pb浸出率也较高。

试验结果表明，在粉煤灰-水泥固化/稳定体系中，重金属Pb可以阻碍粉煤灰的火山灰反应，进而影响反应产物，无法有效形成网状致密的结构。因此，在利用粉煤灰-水泥材料固化/稳定重金属过程，应该通过有效的碱性激发方法[11]，促使粉煤灰优先反应形成网状致密结构，从而可以利用粉煤灰中玻璃相与重金属的反应，以及粉煤灰孔隙对重金属的物理吸附，而实现对重金属的有效固化/稳定。

3 结论

（1）水泥以及粉煤灰-水泥混合材料均可以用作固化/稳定重金属Pb的材料。

（2）重金属Pb能够阻碍粉煤灰的火山灰反应，但对硅酸盐水泥强度发展的阻碍作用相对较弱。

（3）利用粉煤灰-水泥作为重金属Pb的固化/稳定材料，必需注意采用措施加快粉煤灰的火山灰反应。

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Effect of fly ash-cement on the solidification/stabilization of lead

WANG Yi1，XU Bing1，KANG Ming2
（1.Baosteel Development Co.Ltd.，Shanghai 201900，China；2.Shanghai Baosteel New Building Materials Technology Co.Ltd.，Shanghai 201900，China）

This research investigated the influence of Pb（OH）2on the compressive strength，hydration degree，toxic leaching and pore size distribution of cement and fly ash-cement samples.The results showed that both cement and fly ash-cement materials are appropriate for the solidification/stabilization of lead.Pb（OH）2had little effect on the cement hydration，the strength development and pore size distribution of cement sample.The addition of Pb（OH）2accelerated the hydration degree of fly ash，however，the hydration products showed a little contribution on the strength of sample and，therefore，obviously lowered down the strength development.

solidification，stabilization，heavy metal，fly ash，cement

TU528.09

A

1001-702X（2016）07-0053-03

2015-11-02；

2016-03-05

汪毅，男，1973年生，上海人，硕士，工程师，主要从事钢铁工业固废处置利用管理和研究工作。