预处理垃圾焚烧灰的胶凝性能研究

2020-12-16孙保金苏州市相城区建设工程质量检测站有限公司江苏苏州215000

建材技术与应用 2020年6期

□□ 孙保金 (苏州市相城区建设工程质量检测站有限公司，江苏苏州 215000)

引言

垃圾焚烧飞灰(以下简称“飞灰”)是生活垃圾焚烧烟气净化系统收集而得的残余物，因含有一些重金属等污染成分，若处理不当，将会造成重金属迁移，进而污染地下水、土壤及空气，因此如何安全有效地处置垃圾焚烧飞灰已成为急需解决的环境问题之一[1-5]。本文以苏州市城市垃圾焚烧飞灰为主要研究对象，采用水洗、酸洗、盐洗等方式对其进行预处理，进而部分替代水泥制成飞灰-水泥复合体系，测定其凝结时间、净浆抗压强度等物理力学性能，同时采用红外光谱法对该体系的水化过程进行分析探讨，以期为该地区垃圾焚烧飞灰预处理及其应用提供参考依据。

1 原材料

焚烧飞灰取自苏州市七子山垃圾焚烧厂，为淡灰色干燥粒状粉末，运用化学全分析的方法分析原样飞灰的化学组成，其主要化学组成分见表1。由表1可知，其化学成分中SiO2和CaO的含量较高，两者之和为51.48%。

表1 原样飞灰的化学成分 %

试验中选用小野田P·Ⅱ 52.5水泥，比表面积为374 m2/kg，其他物理性能见表2。

表2 水泥的物理性能

胶砂强度试验所需的标准砂用市售黄砂代替，其细度模数为2.34，属于中砂，物理性能检测结果见表3。

表3 砂子物理性能

另外，预处理飞灰试样时所用的冰醋酸、磷酸、FeSO4溶液均为市售；成型过程所用的聚羧酸盐减水剂(固含量为38.4%)来自于苏州兴邦化学建材有限公司。

2 飞灰的预处理

采用自来水、磷酸、冰醋酸、硫酸亚铁分别对飞灰进行处理，平行制成4份分析样。各处理过程具体为：

(1)水处理飞灰。将飞灰与水以1∶8的固液比置于容器内，搅拌1 min，洗3次后取下层浆体倒入托盘放进烘箱，设置烘箱温度为105 ℃。因烘干后飞灰呈大块状，故将大块飞灰置于球磨机内研磨10 min后取出，最后把磨细的飞灰置于自封密封袋中保存。

(2)磷酸处理飞灰。平均1 kg飞灰用30 g磷酸处理。将飞灰与磷酸溶液以1∶6的固液比置于容器内，搅拌1 min，静止12 h后取下层浆体，在设定温度为105 ℃的烘箱内烘干。之后的操作同水处理过程。

(3)冰醋酸处理、FeSO4溶液处理过程与磷酸处理过程相同。

3 预处理飞灰对水泥力学性能的影响

将不同方法预处理所得飞灰以30%掺量替代小野田水泥后，制成飞灰水泥的胶砂试样，搅拌后进行跳桌实验，记录其流动度数据见表4，然后置于胶砂试模中成型，标准养护至相应龄期后，测定抗折、抗压强度结果见表4。其中，试验采用了非标准砂，根据成型过程中的实际情况，将胶砂比调整为1∶2.5，同时，为了成型需要，各组试样在成型过程中均外加7‰的聚羧酸盐减水剂。

其中，胶砂流动度试验参照标准GB/T 2419—2004《水泥胶砂流动度测定方法》；胶砂强度试验参照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》。

表4 飞灰水泥的物理力学性能

由表4可以看出，基准水泥的流动度为180 mm，当掺有飞灰时，由于飞灰吸水性较大，水泥砂浆的流动度降低，但其中水处理和冰醋酸处理的飞灰却不同程度地增大水泥砂浆的流动度，这是因为经过水处理和冰醋酸处理的飞灰需水性减小。基准水泥与非标准砂制成的水泥试块28 d抗压强度只有47.1 MPa，比基准水泥与标准砂制成的水泥试块28 d强度52.7 MPa低了5.6 MPa。掺入未处理飞灰后的水泥试块3个龄期的强度均有所降低，且降幅较大。由表4还可看出，经过不同方法预处理后，飞灰的性能发生了较大改变，其中水处理的效果较好，主要表现在水泥强度方面，水处理的飞灰掺入水泥后，水泥强度得到了很大提高。各组试样的抗折强度随着龄期的增长而增大，但掺入原样飞灰的水泥7 d抗折强度增幅最小，仅从1.8 MPa增长到1.9 MPa，这可能是由于未处理飞灰所含的非活性物质较多，故而强度增长较小[6-7]。经FeSO4溶液处理后的飞灰制成的试块抗压强度比酸处理的飞灰试块抗压强度略高。磷酸和冰醋酸两种酸洗方法对比，发现此两种酸处理对试件强度的改善效果相似，冰醋酸处理后的飞灰所制试样的流动度较大，利于成型，且从经济方面考虑，选冰醋酸成本较低。

4 水化过程机理分析

对水化过程机理进行分析前需要制备水化样。水化样的制备过程为：将所制的胶凝材料净浆试样放入标准养护室内，分别养护至所需龄期后，将其立即破碎，取其核心部分浸泡于无水乙醇中以终止水化，之后用行星磨磨细，抽滤、烘干，密封保存待用。

选用不同预处理方式的飞灰，进而制备飞灰-水泥复合体系，固定水灰比为0.38，在标准养护条件下养护至7 d、28 d，制备水化样进行IR分析，其中不同预处理后的飞灰红外光谱如图1所示，飞灰-水泥复合体系7 d和28 d水化样的红外光谱分别如图2和图3所示。

图1 各预处理飞灰红外光谱图

图2 7 d水化样红外光谱图

图3 28 d水化样红外光谱

图1中3 550～3 720 cm-1收缩频率范围符合无水碱性氢氧化物(OH-)的伸缩频率范围，由此可以确定四种飞灰中OH-的存在，推测可能是Ca(OH)2中的OH-；硅酸根的红外光谱中，出现了两个范围的吸收谱带，均位于860～1 175 cm-1范围；SO42-的吸收谱带范围分别位于1 210～1 040 cm-1、1 036～960 cm-1、680～580 cm-1，从而推测飞灰中可能含有CaSO4[8]。

由图2和图3可以看出，随着水化龄期的增长，相同波数处的峰值发生变化。波数为998 cm-1处的峰是由于C3S随龄期的增长不断水化生成水化硅酸钙；波数为1 440 cm-1处的峰是由于C3A不断水化生成大量的水化铝酸钙，很显然掺入飞灰后的飞灰-水泥体系中C3A含量较少，随着水化龄期的延长，在1 120 cm-1处均有吸收峰，且并没有发生峰值的变化。其他相同波数处峰的峰值大小则出现小幅度偏移。其中，随着水化龄期的延长，波数为970 cm-1处的峰因C3S不断水化移至水化硅酸钙出现(波数为998 cm-1)，这是由于飞灰里面的活性物质与水泥水化产物Ca(OH)2发生反应，影响了飞灰-水泥体系的胶砂强度[9-10]。