垃圾焚烧飞灰-废玻璃地聚合物砌筑砂浆的制备与性能研究

2022-12-06冉新陈娇陈岗鲁宁

新型建筑材料 2022年11期

冉新，陈娇，陈岗，鲁宁

（重庆科技学院，重庆 401331）

0 前言

我国每年产生的废弃玻璃为450～700万t[5]，玻璃因自身特点回收率小，造成废玻璃的大量堆积。国内外学者将玻璃应用在地聚合物材料制备中，取得了显著的成果。张西玲[6]发现，玻璃粉掺量从0增加至30%，粉煤灰地聚合物抗压强度呈提高的趋势。Vafaei[7]发现，玻璃粉增强了地聚合反应，形成更多的N-A-S-H凝胶，进一步密实晶体网状结构而提高抗压强度。建筑材料中，玻璃颗粒被证实可替代天然砂作为砂浆的细骨料；Du[8]发现，当玻璃粉粒径小于300μm时，在玻璃粉制备的砂浆试件当中不会产生碱硅酸反应。

针对地聚物固化飞灰效果好，能够抑制重金属外迁的特点，同时结合废玻璃污染环境、占用土地的问题。将玻璃颗粒参与制备的地聚合物砌筑砂浆对飞灰进行稳固化处理，实现以废治废，对保护环境、节约资源具有极大的意义。本文以垃圾焚烧飞灰、废玻璃粉为原材料，经碱激发制备地聚合物砌筑砂浆。讨论了胶凝材料配比对净浆性能的影响，讨论了玻璃粉掺量、NaOH浓度、碱液比、液固比对地聚合物砌筑砂浆性能的影响。

1 试验

1.1 原材料

垃圾焚烧飞灰：重庆某垃圾焚烧厂，浅灰色，d50=57.3μm；粉煤灰：由河南巩义净水材料厂提供，为Ⅱ级低钙粉煤灰，d50=6.1μm；玻璃粉：将废弃绿色啤酒瓶清洗干净后，由粉碎机磨至粒径小于0.3 mm；主要化学成分见表1，3种原材料的SEM照片见图1。

图1 原材料的SEM照片

表1 原料的主要化学成分 %

砂：厦门艾思欧标准砂有限公司标准砂；氢氧化钠：分析纯；水玻璃：钠水玻璃模数为2.2，溶液中SiO2占30%，波美度50°Be。

1.2 垃圾焚烧飞灰预处理

飞灰作为水泥基材料固化时，在成型初期会产生体积膨胀，随着飞灰掺量的增加膨胀现象越明显。有研究表明[9]，金属铝是引起早期（24 h内）体积膨胀的原因，空隙和裂缝会严重影响固化体的致密性和力学性能，降低固化重金属浸出率。通过水浸泡处理可以解决飞灰浆体膨胀问题[10]，本试验的飞灰需要经过水浸泡，具体操作如下：将水与飞灰混合，具有一定流动性，浸泡超过72 h，为防止飞灰中重金属和可溶性盐损失，浸泡液不经过滤在105℃下干燥48 h（含水率＜20%），得到预处理飞灰。飞灰预处理前后净浆固化体见图2，说明水浸泡可以解决浆体的膨胀问题。

图2 飞灰预处理前后净浆固化体对比

1.3 试验设计与方法

为确定胶凝材料中飞灰的合适掺量，需要先进行净浆试验，见表2。得出合适胶凝材料配比，采用正交试验以确定高性能地聚合物砌筑砂浆的最佳配比。在正交试验中，以玻璃粉掺量（A）、NaOH浓度（B）、碱液比（C）和液固比（D）为四因素进行正交试验设计（见表3）。

表2 净浆试验质量配合比设计

表3 正交试验因素水平

试验采用的复合碱激发剂是将固体NaOH配制成不同浓度溶液，按照特定碱液比加入水玻璃中，陈化24 h得到复合碱激发剂。在相对湿度高于50%，温度为（20±3）℃的实验室内制备。先称量原材料，干混搅拌均匀，加入复合碱激发剂，搅拌3 min，倒入45 mm×45 mm×45 mm的模具中，放在砂浆混凝土振动台上振动2 min，排出净浆中的气泡后用袋子密封，放置24 h后脱模，在自然环境（20～35℃）下，密封养护至相应的期龄后测试其性能。砂浆样品采用的模具为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm立方体模具，胶砂比采用1∶1.3，m（飞灰）∶m（粉煤灰）=3∶7，玻璃粉代替砂掺入，其余操作步骤与净浆一致。

在1933年发表了《岑嘉州系年考证》(1933年《清华学报》第8卷第2期)一文后，闻一多的唐诗研究开始着重“综合的工作”，撰写《唐诗杂论》，以诗论诗，相继发表了《类书与诗》《贾岛》《宫体诗的自赎》《四杰》和《孟浩然》五篇文章，依朱自清说:“那经济的字句，那完密而短小的篇幅，简直是诗。”［9］闻一多在清代朴学考据的基础上更进一步，运用近代科学方法条理唐代诗歌，他的《唐诗杂论》可谓是“顶峰上的顶峰”。

1.4 测试与表征

抗压强度依据JGJ/T70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》进行测试；净浆初凝时间参照GB/T 1346—2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》进行测试；砂浆保水性、稠度参照JGJ/T 70—2009进行测试；重金属浸出根据HJ/T 300—2007《固体废物浸出毒性浸出方法醋酸缓冲溶液法》进行测试；使用S-3700N型扫描电子显微镜、SmartLab-9型X射线衍射仪对固化体的微观结构进行表征。

2 结果与讨论

2.1 飞灰掺量对净浆性能的影响（见表4）

表4 飞灰掺量对净浆性能的影响

由表4可知，飞灰掺量从10%增加至20%，净浆的抗压强度从3.6 MPa提高到3.8 MPa，这可能是浆体中引入的CaO造成的；飞灰掺量从20%增加至40%，净浆抗压强度从3.8MPa降低到3.4 MPa，飞灰中活性胶凝物质含量不足，浆体中发生地聚合反应的原料减少，抗压强度降低。

初凝时间直接影响工程施工，是砂浆重要的工作性能参数。由表4可知，净浆初凝时间随着飞灰掺量增加不断缩短。飞灰掺量从10%增加至40%，初凝时间从400 min缩短至67 min，缩短了83.3%。这是由于飞灰的颗粒边缘较为粗糙，比表面积大，吸附水分的能力强造成的。综合考虑对抗压强度和初凝时间的影响，为量化处理固废飞灰，后续正交试验飞灰掺量选择为30%。

2.2 正交试验结果与分析（见表5）

表5 正交试验结果

2.2.1 砂浆保水性极差分析（见表6）

表6 砂浆保水性极差分析

保水性是指砂浆保持水分的能力，是砌筑砂浆重要参数。由表6可见，玻璃粉掺量、NaOH浓度、碱液比和液固比对地聚合物砂浆的保水性影响不大，试验结果误差不超过0.1%。玻璃粉掺量对保水性的影响相比其他三因素更为显著，玻璃粉掺量增加，砂浆的保水性增加，说明玻璃粉参与有利于增强砂浆保水性。JGJ/T98—2010《砌筑砂浆配合比设计规程》中规定预拌砂浆的保水性应不低于88%，均满足此标准。保水性最优组合为A3B1C1D2，即玻璃粉掺量为30%，NaOH浓度为8 mol/L，碱液比为2.0，液固比为0.5。

2.2.2 砂浆稠度极差分析（见表7）

表7 砂浆稠度极差分析

根据JGJ/T 223—2010《预拌砂浆应用技术规程》的规定，预拌砌筑砂浆的稠度在30～120 mm，由表5可知，各组砂浆稠度符合该标准要求。由表7可知，砂浆的稠度随NaOH溶液浓度增大而增大，随着碱液比升高而减小，随着液固比增大先增大后减小。其中玻璃粉掺量和液固比对砂浆稠度影响显著，一般来说，液固比增加，砂浆的流动性增加，稠度上升。玻璃粉掺量从10%到30%，砂浆稠度从93.0 mm下降到75.7 mm，下降了18.6%。这是由于废玻璃粉呈不规则的棱角状、薄片状，长宽比大，颗粒之间易产生摩擦，对浆体的流动产生阻碍作用，从而降低浆体的流动性[11]。基于稠度的最优组合为A1B3C1D3，即玻璃粉掺量为10%，NaOH浓度为12 mol/L，碱液比为2.0，液固比为0.53。

2.2.3 砂浆抗压强度极差分析（见表8）

表8 砂浆抗压强度极差分析

从表5可以看出，各组砂浆28 d的抗压强度在12.7～24.3 MPa，根据JGJ/T 98—2010规定，可以满足M5、M7.5、M10、M15、M20强度等级要求。

由表8可知：（1）液固比和碱液比是3 d抗压强度的重要影响因素，液固比和NaOH浓度是7 d抗压强度的重要影响因素，对28 d抗压强度的影响顺序为玻璃粉掺量＞NaOH浓度＞液固比＞碱液比，其中玻璃粉掺量和NaOH浓度是重要的因素。（2）高浓度的NaOH溶液可使3、7、28 d抗压强度提高，当NaOH浓度从8 mol/L增加到12 mol/L时，3、7、28 d抗压强度增长率分别为24.5%、35.8%、33.3%；且随着养护时间的延长，NaOH浓度的影响变得更加的明显。表8中极差值范围从3 d抗压强度的1.2 MPa上升到7 d、28 d抗压强度的2.4 MPa、5.3 MPa，分别增加了100.0%、341.7%，说明高浓度的NaOH溶液对砂浆后期强度影响较大。NaOH浓度从8 mol/L增加到12 mol/L时，28 d抗压强度平均增长率为21.4%；NaOH浓度从10 mol/L增加到12 mol/L时，28 d抗压强度平均增长率仅有9.8%，增长的速率变缓。NaOH浓度越高，会加快的溶解固体中硅铝物质，从而促进了地聚合反应，生成更多的地聚合物增多，有助于抗压强度的提高[12]。NaOH浓度进一步提高，增加硅铝物质的溶解速率，但是原材料中SiO2的含量大于Al2O3，铝物质溶解程度降低，生成地聚合物所需的铝离子缺乏，但随着时间的延长，高碱浓度会导致飞灰颗粒中的Al3+离子发生更大的浸出，发生地聚合反应[13]。（3）在一定范围内，玻璃粉掺量越多，砂浆抗压强度越大，玻璃粉掺量为10%、20%时，砂浆28 d平均抗压强度分别为16 MPa、17.9 MPa；玻璃粉掺量为30%时，强度增加到22.4 MPa。根据试验结果，最佳的玻璃粉掺量应为30%。玻璃是含有大量无定型的硅和钙物质，玻璃微粉越细，其火山灰活性越好[14]，试验中玻璃粉粒径较小，玻璃中硅钙物质可以被吸收到这些胶凝物相中对地聚合反应有积极促进作用。此外，玻璃微粉具有一定的微集料作用，细小颗粒的玻璃粉可以填充砂浆内部的空隙，提高砂浆的致密性，玻璃微粉还具有较高的硬度，可进一步提高其强度[6]。

2.3 重金属浸出

由表5可知，样品9砂浆的保水性和稠度符合JGJ/T 98—2010要求，且砂浆抗压强度最高。采用ICP-MS电感耦合等离子质谱仪测试砂浆浸出液中重金属离子的浓度，考察样品9砂浆的浸出毒性，结果见表9。

表9 飞灰中重金属浸出毒性 mg/L

由表9可知，飞灰中的重金属Cd、Pb浸出浓度分别为4.20、0.48 mg/L，均高于GB 16889—2008《生活垃圾填埋场污染控制标准》规定的浓度0.15 mg/L和0.25 mg/L限值，其余重金属浓度皆满足GB 16889—2008规定浓度要求。经过碱激发后，固化体中Cd和Pb的浸出浓度分别为0.0003、0.0114mg/L，固化Cd和Pb重金属的效率都在99%以上，浸出浓度远远低于GB16889—2008规定的浓度限值。试验结果表明，掺入玻璃粉的飞灰-粉煤灰基地聚合物砌筑砂浆重金属浸出毒性小，环境安全性高。

2.4 机理分析

2.4.1 SEM-EDS分析

图3、图4为不同玻璃粉掺量的砂浆试样养护28 d的SEM照片和对应的EDS图谱。

图3 样品2（不掺玻璃粉）、样品2和样品9的SEM照片

图4 样品2（不掺玻璃粉）、样品2和样品9的EDS图谱

样品2（不掺玻璃粉）中晶体颗粒物质多，分布散乱，与样品2对比发现，玻璃粉掺入越多，试样表面的晶体颗粒越少，空隙越少，可以看到更加平整和紧密的结构，表现出更高的强度。样品2（不掺玻璃粉）、样品2试样表面的这些晶体颗粒以Na、Cl元素为主，飞灰中含有大量的NaCl，表面吸附着未反应的垃圾焚烧飞灰。样品9中观察到致密的结构，存在块状的凝胶物质，这与Maochieh等[15]观察到的无定型凝胶结构相似，形成的胶凝结构可能是碱激发粉煤灰形成的类沸石结构的铝硅酸盐；也可能是碱激发矿渣形成的具有德莱厄克顿型结构的低结晶度水化硅酸钙凝胶。这些凝胶物质以Si、Al、Na、Ca物质为主，这表明这些物质在原材料溶解后重新排列，钠和钙的存在，证实了N-A-S-H凝胶的形成，在XRD分析期间也观察到了这一现象[16]。

2.4.2 XRD分析（见图5）

图5 玻璃粉、粉煤灰、飞灰和样品9的XRD图谱

由图5可知，CaClOH、NaCl、KCl和CaCO3是飞灰的主要晶相，在地聚合物中，钙的成分主要来自飞灰；粉煤灰的物相主要是莫来石和SiO2，地聚合物中Si、Al元素来源于石英和莫来石物质中；玻璃粉的主要物相为非晶相钙硅矿物。在地聚合物砌筑砂浆中，氯化盐物质消失，新生成水化硅酸钙（C-SH）和水合铝酸钠硅酸盐（N-A-S-H）。已有研究表明，水合铝酸钠硅酸盐（N-A-S-H）凝胶是碱活化技术中的反应产物，与碱激发材料的强度发展有关[17]。共存的C-S-H凝胶、N-A-SH凝胶有助于填充三维地质聚合物网络中的空腔，从而形成更强、更致密的地质聚合物基质[18]。