生活垃圾焚烧底灰在疏浚淤泥固化中的应用

林云杰，陈 萍，马美玲，高炎旭，王天超

（浙江理工大学建筑工程学院，浙江 杭州 310018）

生活垃圾焚烧底灰在疏浚淤泥固化中的应用

林云杰，陈 萍，马美玲，高炎旭，王天超

（浙江理工大学建筑工程学院，浙江 杭州 310018）

针对生活垃圾焚烧底灰和疏浚淤泥处置难的问题，提出将焚烧底灰作为骨架材料与疏浚淤泥混合固化的处理技术。分别以石灰、石膏、水泥为固化剂开展淤泥—焚烧底灰混合固化试验，通过无侧限抗压强度及耐水性测试，研究各固化剂的固化效果。结果发现：焚烧底灰对淤泥固化具有良好的促进作用；水泥的固化效果最好，掺量仅为4%的固化土7 d无侧限抗压强度可达到400 kPa，且耐水性较好，满足填土要求。

焚烧底灰；疏浚淤泥；固化；无侧限抗压强度

1 问题的提出

我国生活垃圾焚烧量近几年呈快速增加趋势，“十二五”期间垃圾焚烧设施增加262座，日焚烧能力达21.9万t以上，且每年以10%的速度增长[1]。生活垃圾焚烧的主要产物是焚烧底灰，约占垃圾总重量的20% ～ 30%，主要由熔渣、金属、陶瓷、玻璃碎片和其它一些不可燃物质组成，除去其中的大宗物质后，其颗粒级配与砂类土相近，具有骨料特性[2-3]。生活垃圾焚烧底灰是经高温灼烧后水淬降温而成，表面疏松多孔，含有一定量的活性SiO2和Al2O3成分[4]，因此具有一定的吸水性和火山灰活性。将焚烧底灰作为骨料的资源化应用研究国内外均有许多报道，胡艳军等[5]通过对焚烧底灰进行工程特性表征，分析了焚烧底灰再生转化为建筑材料的潜在价值。张涛等[6]将30%质量的焚烧底灰代替水泥掺入混凝土，验证了焚烧底灰具有火山灰性，并且发现底灰的掺入可以改善混凝土的耐久性。

另外，江河湖泊的疏浚产生了大量的淤泥，疏浚淤泥黏粒含量多，含水率高，渗透性能差，排水固结缓慢并含有多种有害污染物，无法直接用于实际工程。近些年来，对淤泥进行化学固化的处理方法倍受国内外学者的关注。化学固化是指通过向疏浚淤泥中添加胶凝材料（如水泥、石灰、石膏等），或掺入改善疏浚淤泥颗粒级配的骨架材料（如砂土等），使疏浚淤泥、水、固化材料之间发生一系列的水解水化反应，通过胶结和骨架作用，改善疏浚淤泥的土力学性能[7]。孟庆山[8]等将水泥作为主要固化材料，石膏、粉煤灰作为辅助固化材料，当疏浚淤泥含水率为60%，掺入水泥量为风干土和水总重的20%，粉煤灰掺入量为水泥量的3倍，石膏为水泥量的30%时，固化土的7 d无侧限抗压强度达2.5 MPa左右；桂跃[9]等将磷石膏与疏浚淤泥预先混合成基质土，再添加水泥进行固化，当磷石膏与疏浚淤泥质量比为1∶3.50 ～ 1∶0.83时，掺100 kg/m3的水泥，固化土7 d无侧限抗压强度可达300 ～ 350 kPa。上述淤泥固化技术水泥及其他固化剂掺量均较大，不利于推广应用。

针对焚烧底灰及疏浚淤泥存在的处置问题，根据生活垃圾焚烧底灰的骨料性能、吸水性能及一定的火山灰活性等特点，秉着“以废治废”的理念，提出将焚烧底灰加入疏浚淤泥中，分别选用石灰、石膏、水泥等固化剂，对其进行固化处理，使其转化为填土材料再次利用的新型处理技术。通过对固化土的抗压强度试验及耐水性试验，探索不同龄期时固化剂种类、掺量对固化土强度和耐水性能的影响。

2 固化试验

2.1 试验原材料

试验所用的疏浚淤泥取自苏南运河三级航道疏浚工程，其土力学性能指标见表1。根据SL 237 — 1999《土工试验规程》和GB/T 40145 — 2007《土的工程分类标准》，该疏浚淤泥属于淤泥质黏土。

表1 试验用疏浚淤泥土力学性能指标表

试验所用焚烧底灰取自杭州市某生活垃圾焚烧发电厂，除去大宗物质后其物理成分见表2。通过X射线能谱分析，焚烧底灰的化学成分见表3。

表2 焚烧底灰物理成分表

表3 焚烧底灰化学成分表

通过X衍射分析，底灰的矿物组成主要有石英、方解石、羟磷灰石、钙铝黄长石和透长石等。试验前将焚烧底灰过10 mm圆孔筛，其中粒径大于4.75 mm的占21%，小于4.75 mm的约占79%。对小于4.75 mm的细颗粒按GB/T 14684 — 2001《建筑用砂》进行粗细程度和颗粒级配评定，细度模数为3.44，级配良好；对照GB/T 14685 —2011《建筑用卵石、碎石》，粒径4.75 mm以上的颗粒符合对5 ～ 10 mm颗粒连续级配的要求，可以起到良好的骨架作用。焚烧底灰气干状态下的含水率为11.7%，吸水率（饱和含水率）为45.5%，具有良好的吸水性。

试验所用固化剂分别为：水泥PO42.5（上海奉贤海螺水泥厂生产）、生石灰、建筑石膏。

2.2 试验方案

根据陈萍等[7]的研究，确定焚烧底灰与疏浚淤泥的比例为3∶7，分别采用水泥、生石灰和建筑石膏为固化剂进行固化试验，探讨各固化剂的固化效果。材料用量见表4。

表4 试验材料用量表

材料拌合采用立式砂浆搅拌机进行，先将固化剂和焚烧底灰搅拌均匀，再加入疏浚淤泥拌匀，最后加水搅拌，搅拌时间共计5 min。试件采用三瓣模成型，直径为39.1 mm，高80.0 mm。试件成型后用塑料膜包裹密封后置于室内进行自然养护，3 d后脱模在相同条件下密封于室内养护，到规定龄期（7 d、14 d、21 d、28 d）时采用DW -1型电动应变式无侧限压力仪进行无侧限抗压强度测试，试验方法按照《土工试验方法标准》进行。无侧限抗压强度试验结束后，取各组试样中较为完整的部分立即进行耐水性试验。

3 试验结果

3.1 无侧限抗压强度

研究7 d、14 d、21 d、28 d不同掺量的固化剂对焚烧底灰—淤泥固化土无侧限抗压强度的影响，水泥、石膏、石灰在不同掺量下的固化土无侧限抗压强度与龄期的关系分别见图 1（a）、（b）、（c）。

图1 固化土无侧限抗压强度与龄期关系图

可见，固化土的无侧限抗压强度均随着固化剂掺量的增大而增大。水泥固化土的无侧限抗压强度最高，掺量为4%的7 d强度即可达400 kPa，石灰、石膏的固化强度较低，掺量为16%的28 d无侧限抗压强度分别为400，900 kPa。在固化剂掺量不同的情况下，固化土的强度随龄期也有不同程度的增长，但石膏固化土21 d内增长幅度较小，随后强度急剧增长，这可能与该龄期内钙钒石的形成有关，该现象在冯彬[11]关于污泥固化的研究中也有同样的发现。

研究不同掺量下，各固化土的含水率随龄期的变化规律。图 2（a）、（b）、（c）分别表示固化剂为水泥、石膏、石灰的固化土含水率与龄期的关系。可知，随着固化剂掺入量的增大，固化土含水率逐渐降低。这是由于将固化剂掺入到淤泥中后,随即发生一系列水解水化反应，大量的自由水转变为吸附水和结合水。固化剂掺量越大，消耗自由水越多，含水率越低。其中石灰固化土的含水率最低，水泥固化土次之，石膏固化土含水率最高。随着龄期的增长，淤泥固化土含水率有不同程度的降低。这说明试验龄期内，固化反应持续进行。0 ～ 7 d内，含水率降低的幅度较大，说明该时间段内水化反应相对剧烈。石膏固化土21 ～ 28 d含水率降低显著，这与该时期钙钒石（3CaO · Al2O3· 3CaSO4· 31H2O）的形成，大量自由水转变为结合水有关。

图2 含水率与龄期关系图

研究各固化土的无侧限抗压强度与含水率的关系见图3。图3（a）、（b）、（c）分别表示固化剂为水泥、石膏、石灰的固化土含水率与无侧限抗压强度的关系。石灰及石膏固化土无侧限抗压强度与含水率有较好的相关性，随着含水率的降低，无侧限抗压强度升高。而水泥固化土的无侧限抗压强度与含水率之间相关性不大。其原因可能是石灰固化效果主要体现在减水作用中；石膏21 d前的强度增长也主要体现在减水作用方面，而21 d后的强度增长是钙钒石的形成与减水作用共同影响的结果；水泥的固化效果与减水作用的相关性不大，而是胶凝作用对固化土的强度贡献较大。

3.2 耐水性能

无侧限抗压强度试验结束后，取破碎试样中较完整部分立即进行泡水试验，每隔10 min观察试件形貌变化。得出水泥固化土的耐水性能最好，这是因为水泥固化过程中生成了较多的水硬性胶凝物质，即水化硅酸钙凝胶。石灰、石膏的耐水性能均较差。同种固化剂，相同龄期的固化土，固化剂掺量越小，崩解速度越快；同种固化剂，相同龄期的固化土，固化剂掺量越小，崩解速度越快；泡水试验试样体积越大，其崩解越缓慢。图4(a) ～ (c)分别表示了不同固化剂的固化土的泡水结果。图4(a)显示了生石灰掺量为16%的28 d龄期固化土试样，放入水中后即刻产生大量气泡，10 ～ 30 min有少量碎裂，40 ～ 60 min有大量碎裂，80 min后趋于稳定；4(b)显示了石膏掺量为16%，龄期为28 d的固化土泡水后即刻产生少量气泡并很快产生崩解现象，15 min时轻振容器，试样粉碎散开；4(c)显示了水泥掺量仅为4%，龄期仅为7 d的试样，泡水30 min后，只出现细小裂纹，振荡容器后试样无破坏，完整性很好。

图3 无侧限抗压强度与含水率关系图

图4 不同固化土耐水试验现象图

4 结 语

生活垃圾焚烧底灰因其骨架作用、吸水性和火山灰活性在疏浚淤泥的固化中，起到一定的促进作用，掺入少量的固化剂即可达到良好的固化效果；在焚烧底灰—淤泥的混合固化技术中，水泥的固化效果最好，掺量仅为4%(约80 kg/m3)时，固化土7 d强度达到400 kPa，满足填土材料50 kPa的强度要求，且较桂跃[9]的固化方法固化材料更省，固化效果更好，具有推广价值；石膏固化土和石灰固化土的耐水性能较差，不适用于近水填土工程中；石膏固化土的早期强度低，21 ～ 28 d强度增长迅速，这可能与钙钒石的形成有关，其强度增长机理有待于进一步研究。

[1] 孟冬.城市垃圾之患[J].生命世界，2009，(10)：38 - 41.

[2] Chandler A J，Eighmy T T，Hartltn J，et al.Municipal solidwaste incinerator residues[M].The Netherlands：Elsevier Science，1997：15 - 21.

[3] Gress D L，Zhang X，Tarr S，et al.Municipal solid waste combustion ash as an aggregate substitute in asphalticconcrete[C]// JJJM Goumans，HAVD Sloot，TG Aa lbers.Waste Materials in Construction.The Netherlands：Elsevier，1991：161 - 175.

[4] 张乔，田一光.X射线荧光光谱法测定垃圾焚烧炉渣中主要成分[J].分析科学学报, 2009，25(2)：177 - 180.

[5] 胡艳军，李国建.城市垃圾焚烧底灰资源化处理的可行性研究[J].环境污染与防治，2011，33(12)：42 - 69.

[6] 张涛，赵增增.城市生活垃圾焚烧底灰混凝土耐久性研究[J].混凝土与水泥制品，2014，5(5)：84 - 87.

[7] 陈萍，高炎旭.疏浚淤泥与焚烧底灰混合固化方法的试验研究[J].水利学报，2015，46(6)：749 - 756.

[8] 孟庆山，杨超.武汉东湖淤泥早强固化试验研究[J].岩土力学，2010，31(3)：707 - 712.

[9] 桂跃，余志华.固化磷石膏 — 疏浚淤泥混合土的工程性质研究[J].四川大学学报(工程科学版)，2014，46(3)：147 - 153.

[10] 朱伟，张春雷，刘汉龙.疏浚泥处理再生资源技术的现状[J].环境科学与技术，2002，25(4)：39 - 41.

[11] 陈萍，冯彬.以垃圾焚烧底灰为骨料的脱水污泥固化试验[J].中国环境科学，2014，34(10)：2624 - 2630.

（责任编辑 黄 超）

Experimental Research on Solidification of Dredged Sludge Mixed with Bottom Ash of MSWI

LIN Yun - jie，CHEN Ping，MA Mei - ling，GAO Yan - xu，WANG Tian - chao
(Zhejiang Sci - Tech University，a.School of Civil Engineering and Architecture，Hangzhou 310018，Zhejiang，China)

In consideration of the disposal dif fi culties of bottom ash of municipal solid waste incinerator (MSWI) as well as dredged sludge，a new solidi fi cation method of dredged sludge mixed with bottom ash as skeleton material is proposed. The consolidation test of dredged sludge mixed with MSWI bottom ash were carried out by adding three kinds of cementitious materials in different dosage respectively，and then uncon fi ned compressive strength (UCS) and water resistance of solidi fi ed sludge were tested to analyze the solidi fi cation effect. The experimental result shows that the bottom ash contributes to the sludge solidi fi cation and the most effective binding material is cement. The strength of solidi fi ed sludge mixed with 30% bottom ash and 4% cement can reach 400kpa with good water resistance ability at the age of 7 - days，which can meet the the requirement of fi lling material，and this solidi fi cation method is worth putting into practice.

MSWI bottom ash；dredged sludge；solidi fi cation；uncon fi ned compressive strength

X705

：A

：1008 - 701X(2017)01 - 0089 - 04

10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2017.01.028

2016-08-06

国家自然科学基金面上项目(51578508)；国家自然科学基金青年基金项目(51208470)；浙江省科技厅项目(2013C33012)。

林云杰(1995 - )，男，本科在读，主要从事污泥固化处理的研究。

陈 萍(1972 - )，女，副教授，博士，主要从事固体废弃物的资源化利用工作。E - mail：chenp@zstu.edu.cn