生活垃圾焚烧炉渣集料基本性质及其对水泥稳定碎石性能影响的研究

2021-04-08张绪国

城市道桥与防洪 2021年3期

苏凯，张绪国

（1.上海市市政规划设计研究院有限公司，上海市200031；2.上海城投研究总院，上海市200031）

0 引言

目前，城市生活垃圾清运量逐年上升，中国城市环境卫生协会2016 年统计，我国每年产生近10 亿t垃圾，其中生活垃圾产生量约4 亿t，建设垃圾5 亿t左右，此外，还有餐厨垃圾1 000 万t 左右。处理城市生活垃圾的主要方法主要有三种[1-3]，分别为填埋法、堆肥法以及焚烧法。虽然填埋法和堆肥法处理成本低廉，技术要求低下，但它们都有一个共同的缺点——占地面积巨大。在城市生活垃圾日益增多，土地资源也日益紧张的形势下，现行的填埋、堆肥等处理方法已远远不能满足处理需求。焚烧法在垃圾燃烧同时还能用于火力发电，实现能量回收，并且垃圾燃烧的主要副产物——炉渣[4-7]，具有一定的强度、级配以及水化特性，经过处理之后可以代替部分天然集料应用于道路工程中。

为了探明炉渣集料代替天然集料应用于道路工程中的可能性，范晓平、邢介明、童琳等人[8]采用SEM 电镜扫描了炉渣，发现焚烧炉渣中Ca、Fe、Si、Al 等元素含量较高，与天然集料的元素组成十分相似。章骅、何品晶、邵立明等人[9]研究了炉渣的浸出特性，发现炉渣的重金属浸出毒性远低于国家标准，属于一般固体废弃物，回收再利用时，对环境危害小，炉渣中的重金属元素在自然条件下较为稳定，不会对环境造成较大危害。王琎晨[10]发现，掺炉渣的沥青混合料有着良好的应用前景，但目前投入实际应用较少，主要原因在于推广时会遇到以下三种问题：（1）混合料的设计沥青用量偏高（0～9.5 mm 炉渣掺量每增加10.0%，设计沥青用量增加约0.7%）、（2）炉渣利用率偏低（15%以下）；（3）炉渣沥青混合料的性能不甚稳定。刘栋，李立寒，崔华杰[11]等人发现，水泥稳定炉渣碎石的抗压强度、劈裂强度、抗压回弹模量、抗冻性均低于水泥稳定碎石。

综上，炉渣集料无毒无害，并且在物理特性以及化学特性上类似于天然集料。炉渣产量极大，如果能代替天然集料掺入沥青混合料或者水泥稳定碎石混合料中，具有较高的经济价值，实现固体废弃物的再利用，符合绿色经济环保的可持续发展理念。然而炉渣集料的基本性能不如天然集料，并且变异性较大。在沥青混凝土道路结构中，基层一般为水泥稳定碎石半刚性基层，性能要求相对于面层更低，更加适合掺加炉渣集料[12]，而炉渣集料基本性能对水泥稳定碎石的强度性能的影响尚不明晰，阻碍了炉渣集料在道路工程中的应用推广。为了更好地实现炉渣的再利用，本文研究分析了炉渣水泥稳定碎石的击实特性与强度特征，并采用相关性分析的统计学方法，研究了炉渣基本性能对炉渣水泥稳定碎石性能的影响。

1 试验材料

1.1 炉渣集料

水泥稳定炉渣碎石采用源自不同产地的2 种干法炉渣集料（G1、G2）和 5 种湿法炉渣集料（S1、S2、S3、S4、S5），各炉渣集料的级配组成见表1。

表1 炉渣集料筛分试验结果

1.2 石灰岩集料

水泥稳定炉渣碎石采用4 档石灰岩集料。由于水泥稳定炉渣碎石制样时间存在差异，因此，水泥稳定干法炉渣碎石和水泥稳定湿法炉渣碎石采用的石灰岩集料的级配略有差异。水泥稳定干法炉渣碎石采用的石灰岩集料的粒级为：0~4.75 mm、4.75~9.5 mm、9.5~19 mm 和19~31.5 mm；水泥稳定湿法炉渣碎石采用的石灰岩集料的粒级为：0~3 mm、3~5 mm、5~15 mm 和15~25 mm。各档石灰岩集料的级配组成见表2。

1.3 水泥

水泥稳定炉渣碎石采用江苏太仓生产的海螺牌32.5 级复合硅酸盐水泥。水泥用量为4.5%。

2 试验方案

2.1 炉渣集料基本性能试验

炉渣集料的密度、吸水率、压碎值和烧失量等基本性能参照《公路工程集料试验规程》（JTG E20—2005）[13]中的相应试验方法执行。

2.2 击实试验

水泥稳定炉渣碎石中炉渣集料的掺量分别为0%、10%和30%。依据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51—2009）[14]中的击实法试验T0804—1994 确定水泥稳定炉渣碎石的最佳含水率和最大干密度。

2.3 无侧限抗压强度试验

水泥稳定炉渣碎石的无侧限抗压强度参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51—2009）[14]中相应试验方法 T0805—1994 执行。根据击实试验结果，以98%压实度成型试件。试样尺寸为Φ10 cm×10 cm，在标准养生条件下养生28 d 后，进行无侧限抗压强度的测试。根据试验结果，按式（1）计算水泥稳定炉渣碎石的无侧限抗压强度。

式中：Rc为试件的无侧限抗压强度，MPa；P 为试件破坏时的最大压力，N；A 为试件的截面积，mm2。

3 试验结果与讨论

3.1 炉渣集料基本性能试验结果

表3 为炉渣集料的表观相对密度、吸水率、压碎值和烧失量试验结果。由表3 可见，四种炉渣集料的表观相对密度分布在2.270~2.428 之间，明显小于天然集料的表观相对密度。炉渣集料的吸水率为4.00%~7.94%，变异系数为0.293。炉渣集料的吸水率明显高于天然集料，这主要是由于炉渣集料中含有多孔熔渣和高吸水性的砖石所致。同时，不同产地的炉渣集料的物质组成（玻璃、陶瓷、砖石、熔渣等比例）存在差异，这也造成了不同产地炉渣集料吸水率的变异性。四种炉渣集料的压碎值分布在29.7%~41.7%，明显高于天然集料，这也是由于炉渣集料中含有易碎的玻璃、陶瓷等物质所致。炉渣集料的600℃烧失量分布在2.10%~9.07%、950℃烧失量分布在6.16%~18.04%，表明炉渣集料中含有较多的有机质、矿物成分和碳酸盐等。

表2 石灰岩集料筛分试验结果

表3 炉渣集料的基本性能试验结果

3.2 水泥稳定炉渣碎石配合比设计与击实特性

水泥稳定炉渣碎石的级配组成曲线如图1 所示。水泥稳定炉渣碎石的击实试验结果见表4。由表4 可见，与水泥稳定碎石相比，水泥稳定炉渣碎石的最佳含水率增加、最大干密度减小，且随着炉渣集料掺量的增加，水泥稳定炉渣碎石的最佳含水率进一步增大、最大干密度进一步减小。这主要是由于炉渣集料的密度小于天然集料、吸水率高于天然集料所致。当以不同产地炉渣集料制备水泥稳定炉渣碎石时，水泥稳定炉渣碎石的击实特性存在一定的差异。当掺加10%炉渣集料时，水泥稳定炉渣碎石最佳含水率的变异系数为0.092、最大干密度的变异系数为0.007；当掺加30%炉渣集料时，水泥稳定炉渣碎石最佳含水率的变异系数为0.195、最大干密度的变异系数为0.027。这主要是由于不同产地炉渣集料的密度、吸水率存在差异所致。

3.3 水泥稳定炉渣碎石强度特征

图1 水泥稳定炉渣碎石级配组成曲线

表4 水泥稳定炉渣碎石击实试验结果

水泥稳定炉渣碎石的无侧限抗压强度结果如图2 所示。由图2 可见，水泥稳定炉渣碎石的无侧限抗压强度一般均小于对照组水泥稳定碎石的无侧限抗压强度。同时，随着炉渣集料掺量的增加，水泥稳定炉渣碎石的无侧限抗压强度进一步减小，这主要是由于炉渣集料的压碎值较高、炉渣集料与水泥间的粘附性能较差所致。当掺加干法炉渣集料时，水泥稳定炉渣碎石的无侧限抗压强度明显高于掺加湿法炉渣集料的水泥稳定炉渣碎石的无侧限抗压强度。这主要是由于干法炉渣集料和湿法炉渣集料的处理工艺不同，二者的强度性能和胶凝性能的差异所致。

对于干法炉渣集料而言，掺加G1 炉渣时的无侧限抗压强度略高于掺加G2 炉渣的强度。当G1 炉渣掺量为10%和30%时，水泥稳定炉渣碎石的无侧限抗压强度依此为对照组水泥稳定炉渣碎石的89%和77%。对于湿法炉渣集料而言，掺加S2 炉渣时的无侧限抗压强度略高于掺加S1 炉渣的强度。当S2 炉渣掺量为10%和30%时，水泥稳定炉渣碎石的无侧限抗压强度依此为对照组水泥稳定炉渣碎石的80%和62%。

3.4 水泥稳定炉渣碎石性能与炉渣集料基本性能的关联性分析

3.4.1 击实特性

图3 为水泥稳定炉渣碎石最佳含水率与炉渣集料基本性能的相关性分析。如图3 所示，水泥稳定炉渣碎石的最佳含水率与炉渣集料的表观相对密度、吸水率呈正相关关系，与炉渣压碎值呈负相关关系。

图2 无侧限抗压强度试验结果（DZ：对照组水泥稳定碎石）

图3 炉渣水泥稳定碎石最佳含水率与炉渣集料基本性能的相关性分析

不同炉渣集料掺量下，水泥稳定炉渣碎石的最佳含水率与炉渣集料的表观相对密度和压碎值的相关性较低，这表明，炉渣集料的表观相对密度和压碎值不是影响水泥稳定炉渣碎石最佳含水率的关键因素。相反，不同炉渣集料掺量下，水泥稳定炉渣碎石的最佳含水率与炉渣集料的吸水率具有很好的相关性（R2＞0.6）。当掺加10%炉渣集料时，炉渣吸水率与水泥稳定炉渣碎石的最佳含水率的相关系数为0.640 9；当掺加30%炉渣集料时，炉渣吸水率与水泥稳定炉渣碎石的最佳含水率的相关系数增加到0.803 9。这表明，随着炉渣集料掺量的增加，水泥稳定炉渣碎石的最佳含水率与炉渣集料吸水率的关联性越来越高。此外，随着炉渣集料掺量的增加，炉渣集料吸水率对水泥稳定炉渣碎石的最佳含水率的影响逐渐增大，在图中表现为相关性曲线斜率的增加。

3.4.2 强度特性

水泥稳定炉渣碎石强度性能的差异与炉渣集料自身的密度、压碎值、吸水率等基本性能指标具有一定关系。这种相关性分析有利于更好的明晰炉渣集料基本性能对水泥稳定炉渣碎石强度的影响。由于G1、G2 和S1、S2 两组所采用的石灰岩不同，造成对照组水泥稳定碎石的无侧限抗压强度相差较大。为了消除石灰岩集料对混合料强度性能的影响，将水泥稳定炉渣碎石的无侧限抗压强度分别除以相应对照组水泥稳定碎石的无侧限抗压强度得到相对无侧限抗压强度，并用该指标进行后续与炉渣集料基本性能的相关性分析。

图4 为水泥稳定炉渣碎石的相对无侧限抗压强度与炉渣集料基本性能的相关性分析结果。如图4所示，水泥稳定炉渣碎石的相对无侧限抗压强度与炉渣集料的烧失量呈现正相关关系。炉渣的600℃烧失量和950℃烧失量可以表征炉渣集料的有机质和碳酸盐的含量。这表明，炉渣集料中的有机质和碳酸盐的存在有利于提高水泥稳定炉渣碎石的无侧限抗压强度。

水泥稳定炉渣碎石的相对无侧限抗压强度与炉渣集料的表观相对密度呈现正相关关系，相关系数达到0.7 以上。这表明随着炉渣集料密度的增加，水泥稳定炉渣碎石的相对无侧限抗压强度逐渐增大。炉渣集料密度的增加更有利于水泥稳定炉渣碎石形成密实的结构，有利于其强度的形成。

水泥稳定炉渣碎石的相对无侧限抗压强度与炉渣集料的吸水率呈现正相关关系，相关系数达到0.6以上。这表明随着炉渣集料吸水率的增加，水泥稳定炉渣碎石的相对无侧限抗压强度逐渐增大。炉渣集料中的熔渣成分具有一定的化学活性，在水的参与下可以产生水化反应，具有明显的胶凝现象。随着炉渣集料吸水率的增加，炉渣集料在水的参与下的水化反应更剧烈，更有利于水泥稳定炉渣碎石强度的形成。

图4 水泥稳定炉渣碎石强度特性与炉渣集料基本性能的相关性分析

水泥稳定炉渣碎石的相对无侧限抗压强度与炉渣集料的压碎值呈现负相关关系，相关系数达到0.8以上。这表明随着炉渣集料压碎值的增加，水泥稳定炉渣碎石的相对无侧限抗压强度逐渐减小。炉渣集料的压碎值显著高于天然集料，因此炉渣集料的压碎值大小是影响水泥稳定炉渣碎石无侧限抗压强度的关键因素。炉渣集料是由玻璃、陶瓷、砖石、熔渣等成分组成的复合材料。当炉渣集料中玻璃、陶瓷等易碎物质的含量增加时，炉渣集料的压碎值明显增加。这会导致水泥稳定炉渣碎石的结构强度明显减小，也会降低其与水泥间的黏结性能。