焚烧飞灰-水泥协同处置软土冻融与干湿循环下强度及环境耐久性分析*

2024-05-07吴金德

施工技术(中英文) 2024年6期

吴金德

(1.同济大学城市交通研究院,上海 201804; 2.同济大学地下建筑与工程系岩土及地下工程教育部重点实验室,上海 200092)

0 引言

随着我国城市化蓬勃发展,高品质生活的背后随之而来的是巨量的生活垃圾。垃圾焚烧逐渐成为垃圾处理的主流方式之一,但随之而来的危险固废焚烧飞灰(以下简称“飞灰”)的处理是一个棘手问题,目前对飞灰处理的主要方式有:①烧结和熔融固化,耗能大,成本高,技术不成熟;②使用包括水洗、生物和电化学等手段进行分离萃取,对重金属和盐类处理效果较理想,但成本高昂;③使用包括水泥在内的无机和螯合剂等固化剂对飞灰中的有害组分进行固化稳定化,其中水泥为代表的固化剂取得了较好的强度及重金属固化效果,但由于增容明显,在城市中填埋会占用宝贵的土地资源,以及面临一定的环境风险[1]。由于在焚烧过程中会喷射大量的CaO中和焚烧炉内的酸性气体,使得飞灰具有低活性的碱度,为其后续资源化提供了可能。

同时,高速发展的城市化需大量道路基础设施来支撑,使用普通硅酸盐水泥加固软土路基加固是常见的手段之一。已有的研究表明,飞灰的理化特性与粉煤灰相类似,利用粉煤灰的胶凝属性代替部分水泥材料应用到路基加固中,取得了较理想的效果[2]。因此,利用飞灰中的碱性组分,尝试将其应用到软土加固中代替部分水泥,可在实现飞灰的资源化同时,减少由于水泥生产带来的碳排放及环境污染,具有重要意义。从20世纪80年代陆续开展了将飞灰应用于道路的资源化研究,为了评价其环境影响,一般通过水平振荡法、SPLP毒性浸出法和半动态浸出试验探究在酸雨淋滤和地下水冲刷作用下重金属的释放性能,取得了一定的研究进展[3]。与此同时,我国幅员辽阔,道路面临的服役环境较复杂,在复杂环境下的服役性能应该是飞灰路用资源化的重点之一,因此需考虑北方地区面临的低温冻融环境,以及我国南方地区干湿循环效应明显等典型地区环境,对于飞灰的路用资源化,如何在酸雨、低温冻融和干湿交替下保证其强度,环境特性和耐久性将成为关键。

本文选取飞灰、水泥和广西某施工现场的软土,开展包括原材料理化特性测试,冻融循环和干湿循环工况处理,强度试验、重金属浸出试验和酸中和试验,探究飞灰在协同水泥处置软土中的强度、环境及耐久性特性,为后续飞灰的道路资源化提供一种新的途径。

1 试验材料和方法

1.1 材料

本试验所用的飞灰取自广西贺州某正常运行的垃圾焚烧厂,粉末状,颜色灰白,软土取自广西某施工工地,水泥为符合国家有关规定的P·O32.5。飞灰的理化特性如下:含水率为9.84%,比表面积为4.62m2/g,pH值为10.21,重度为2.32N/cm3;黏粒占15.81%,粉粒占68.84%,砂粒占15.35%;Na2O为5.09wt%,CaO为38.4wt%,SiO2为2.9wt%,Al2O3为0.96wt%;Pb为2 200mg/kg,Cu为730mg/kg,Cd为234mg/kg。制样配合比设计如表1所示。由于飞灰中Pb,Cu和Cd离子的质量浓度较高且环境风险大,因此选择三者作为研究对象,使用翻转振荡法测得原状飞灰重金属的浸出浓度分别如下:Pb为14.26mg/L,Cu为0.46mg/L,Cd为0.11mg/L。

表1 试样配合比设计

按预设的配合比将经过过筛烘干的软土与飞灰、水泥混合并搅拌均匀,按0.32的水胶比(质量比,下同)加入去离子水并搅拌均匀制成泥浆。将水泥土浆液分3次灌入预先涂抹凡士林的模具中(高80mm,内径40mm),振荡压实以去除内部气泡,在表面覆盖保鲜膜保持湿度,静置3d获得强度后脱模并放入养护室进行标准养护28d(20℃±2℃,95%±5%R.H.) 后备用。

1.2 试验方法

1.2.1冻融循环与干湿循环试验

冻融循环试验参照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》[4],将完成标准养护28d的试样用保鲜膜包裹置于温度为-20℃ 环境下的冻融冰箱中12h,随后置于标准养护室内静置12h,计为1次循环,共开展12次循环。干湿循环试验参照ASTM D4843-88中的规定,将养护完成的试样置于温度设定为50℃的烘箱中24h,后取出浸没于20℃的蒸馏水中24h,随后将试样取出用吸水纸干燥静置2h,计为1次循环,共计开展12次循环。在完成3,6,9,12次冻融和干湿循环后取出3个平行样品标记,在进行完每次冻融和干湿循环后,计算其质量损失率如下:

mloss=(mn-m0)/m0×100%

(1)

式中:mn为第n次循环后的质量(g),n= 0,3,6,9,12;m0为试样的初始质量(g)。

1.2.2无侧限抗压强度试验

参照JGJ/T 233—2011《水泥土配合比设计规程》[5]使用万能试验机(TJW-100型)对完成养护28d,结束3,6,9,12次冻融和干湿循环的试样进行无侧限抗压强度试验,轴向应变速率设置为0.5mm/min,百分表达到峰值的数值为该试样的强度值,3个平行样的相对误差值<15%取平均值为最终值,反之则重测,随后收集破坏后的样品用于后续测试。

1.2.3翻转振荡法

参考HJ/T 299—2007《固体废物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法》[6]中的硫酸硝酸法,将浓硝酸稀释成pH值为4.0的浸取剂,按液固比为10∶1将破碎过2mm筛的粉体试样与浸取剂混合,以30rad/min转速翻转18h后,放入离心机离心取上清液待用。

1.2.4酸中和试验

试验参照美国EPA1313执行,将粒径<1mm的试样与预先配制好的稀硝酸溶液以液固比10∶1混合,设置工况为0,1,2,5,8,10meq/g,在翻转振荡仪下以30rad/min的速度翻转18h,将样品放入离心机中离心取上清液测试pH值。

1.2.5扫描电镜试验(SEM)

试验参照JY/T 0584—2020《扫描电子显微镜分析方法通则》中的相关规定进行,取完成无侧限抗压强度试验后的试样块体,进行抽真空处理,喷金完成后开展SEM测试。

2 试验结果与分析

2.1 无侧限抗压强度

如图1所示,飞灰水泥土试样在经过冻融循环和干湿循环后的强度随着水泥掺量的增加而提高,而飞灰质量分数的增加,试样内的重金属离子的含量提高,会消耗碱性组分对水泥的水化反应产生延缓作用,因而在强度上体现为S5 >S10 >S15。在冻融条件下,随着循环次数的增加而减小,在3,6,9,12次循环的强度损失值大致相当。在冻融过程中,试样内部的结晶水和盐类会发生低温膨胀,内部孔隙连通,裂缝扩展,在进行到第6个冻融循环时,强度的下降基本上接近50%,但对于S5来说,仍可满足Ⅱ级路基的强度要求 (1.5MPa),S10略低于推荐值1.5MPa,在经过12次循环后,3种配合比仍高于石灰稳定基层的强度要求 (0.70MPa)。而对于干湿循环,强度值减小的趋势与冻融循环相类似,但下降趋势较小,完成6次干湿循环强度下降范围在30%°40%,要优于冻融循环的强度损失情况。既有研究显示,在干湿循环过程中,内部未反应完全的氧化钙会继续发生火山灰及水化反应,生成微小颗粒并填充于土与水泥的孔隙中形成致密结构,其反应方程式如式(2)所示,生成的水化产物C-S-H凝胶通过吸附、沉淀、替换及包裹等形式将重金属包裹其中达到固化效果[7]。而随着循环进行,试样表面和内部的孔隙逐渐开展延伸并连通,强度逐渐降低。总的来说,经过12次冻融和干湿循环之后,水泥土的强度值仍高于JTG D50—2017《公路沥青路面设计规范》[8]中石灰稳定类基层的推荐值0.7MPa。

图1 试样强度变化

3CaO·SiO2+nH2O=

xCaO·SiO2·yH2O+(3-x)Ca(OH)2

(2)

2.2 离子释放特性

不同预处理环境下飞灰水泥土中离子的释放浓度如图2所示。在原材料测试中,目标重金属Pb,Cu,Cd的质量浓度为1 090,401,171mg/kg,属于危险固废标准,随后对原灰重金属浸出浓度进行测试,Pb,Cu和Cd在溶液中的浸出浓度依次为14.26,0.458,0.124mg/L。经过水泥协同处置后,重金属的释放量远低于原灰水平,标准养护下的浸出浓度分别为1.6,2.7,0.097μg/L,低于GB/T 14848—2017《地下水质量标准》[9]中IV类水的规定值,环境影响较小。

图2 试样离子释放曲线

对于冻融循环过程中的离子浓度释放,Pb,Cu和Cd的浓度范围在1.71～2.74,0.34～1.82,0.025～1.041μg/L, 浸出浓度与循环次数的增加关联性较弱,而与飞灰的质量百分数增加正相关关系较强。而对于干湿循环下的浸出浓度,Pb,Cu和Cd的浓度范围在1.60～5.08,0.35～5.54,0.09～0.427μg/L。浸出浓度与循环次数、飞灰质量分数的关联和冻融循环过程相类似。但原因可能不相同,在冻融循环过程中,有研究指出,冻融循环对试样化合物组成成分的影响不明显[10],改变更多的是试样的内部结构分布,即结构间由紧密连接逐渐变得离散,在进行重金属的毒性分析时是现将试样破碎成粉末状随后与浸提剂进行混合反应,因此在图2a中的重金属浸出浓度并未随着冻融循环次数的增加而出现浸出浓度提高情况。而在水泥水化过程中,会生成水泥水化产物C-S-H,结构致密,并且比表面积较大,Pb,Cu和Cd通过同晶替换、吸附、物理包裹、形成沉淀等方式将重金属固定于基质中,减少浸出浓度。

干湿循环中的湿循环会造成碱性组分流失,而这是固化重金属的重要组分,使得离子从相对稳定状态变得活跃迁移到浸出液中。

2.3 质量损失

经过冻融和干湿循环后试样的累计质量损失如图3所示。由图可知,总的来说,冻融循环下水泥土的质量损失在9%～11%,干湿循环下的水泥土质量损失区间为12%～16%,略微高于推荐值<10%[11],与已有研究成果大致相当[12]。共同点在于,随着水泥掺量的增加,累计质量损失率呈现出下降趋势。如图3所示,不管是干湿或冻融循环,试样都呈现出较强的耐久性能,前期的质量损失率较缓慢,在中后期的下降速率加快。例如,在第5个冻融循环完成后,试样的质量损失率为2.83%～3.28%,而干湿循环作用下,质量损失比例为3.08%～5.36%。而后质量损失加速,在第9个循环后,冻融和干湿循环下的质量损失比例分别为6.24%～8.22%,9.90%～9.95%。

冻融循环下的质量损失情况要优于干湿循环,原因可能是,在冻融循环过程中,试样内的水分及氯盐水化产生的钙矾石在低温条件下会发生体积膨胀,从而导致试样内部的孔隙连通,在孔隙中吸入自由水和结合水,并在结构内赋存下来,从而降低了质量下降趋势[13]。而在干湿循环的湿循环中,试样内的组分尤其是未反应完全的易溶解物质CaO会快速溶于水中,随着干湿循环的进行,表面裂缝和内部空隙扩展,进一步加速了组分流失,所以质量下降较冻融循环明显。

2.4 酸中和测试

不同配合比下酸中和能力如图4所示,由图4可看出,不同配合比和预处理工况下,随着硝酸量的增加,浸出液pH值呈现出相类似的下降趋势。未加入酸的情况下,标准养护,冻融循环和干湿循环的pH值范围为10.56～10.73,8.28～10.73,8.31～10.73, 低于美国EPA的推荐值12,过高的碱性会造成周边环境的盐碱化,相对碱性的环境在维持重金属的基础在较低水平的同时也可避免由于过强的碱性对周边植物生长造成影响。随着加入酸量的增加,水泥土样的酸缓冲能力先增加后达到平稳状态,除了标准养护下的试样,在达到10meq/g的酸量时,浸出液的pH值基本上维持在3～4,冻融循环下试样的酸缓冲能力与干湿循环工况相比变化较小,这与干湿循环中CaO的碱性组分流失有关。上述结果表明,飞灰-水泥协同固化软土的抗酸性侵蚀能力较好。

图4 试样酸缓冲能力测试

从产生的社会和经济效益评估来看,根据已有研究,生产1t水泥就会排放0.95t CO2,同时还伴随着其他污染物如SO2,CO和粉尘等的产生[14-15]。将5%的飞灰替代水泥应用到路基加固中,不仅可减少有毒有害气体的产生还会取得较明显的生态效益,研究表明,每消耗1t飞灰便可降低直接成本175元,社会和经济效益良好。

2.5 SEM测试

为了更好地探究冻融循环和干湿循环对试样微观结构的影响,以S15配合比的试样为例,取养护28d的试样,完成12次冻融循环和干湿循环的试样开展扫描电镜测试试验结果如图5所示。

图5 试样SEM测试

在进行测试前,为了更好地辨别图像中的水化产物,需对常见的水化产物形状进行阐述如下:C-S-H,网状或絮状;Ca(OH)2,云团状;CaCO3,菱形或斜方柱形。

由图5a可看出,完成28d养护后试样的结构紧密,在基质中可看到较多C-S-H凝胶,试样的孔隙尺寸较小,且较均匀地分布于试样表面,试样颗粒间主要以面接触为主,在此种情况下,基质内的重金属可被有效地固定在其中,活跃性较低。经过12次冻融循环后的电镜测试如图5b所示,正如2.1节中所述,冻融循环会破坏试样的内部结构,使得原本迷失的结构变得离散,试样颗粒间主要通过点-面和点-点接触,孔隙的数量较多且孔径较大,会为重金属的释放提供优势通道,水化产物以云团状的Ca(OH)2及斜方柱形的CaCO3为主。而进行完12次干湿循环后的扫描电镜测试如图5c所示,同样,试样的结构变得疏松多孔,且孔径尺寸较大,水化产物主要为絮状的C-S-H凝胶、斜方柱形的CaCO3。