垃圾焚烧炉渣建材资源化研究

摘 要
近年来垃圾焚烧炉渣排放量越来越大，其安全处理问题亟待解决。本论文用SEM和XRD分别研究了其微观形貌和矿物组成。研究显示，垃圾焚烧炉渣的颗粒呈不规则状，垃圾焚烧炉渣的结晶矿物主要有二氧化硅和碳酸钙。因为垃圾焚烧炉渣中含有1%金属铝，本文设计了一种测定垃圾焚烧炉渣中金属铝的量的方法和装置，并对比了垃圾焚烧炉渣与纯铝粉发气特性差异。结果显示，该装置可以较为准确和快速地测定出垃圾焚烧炉渣中金属铝的含量。按垃圾焚烧炉渣中的有效铝含量进行计量，平均粒径为23.2 μm垃圾焚烧炉渣稍优于70.4 μm纯铝粉的发气性能。在NaOH溶液中，垃圾焚烧炉渣发气性能随pH值升高而升高。垃圾焚烧炉渣在pH值约为12的NaOH和Ca(OH)2溶液中的发气性能相似，但前者稍好，均随温度升高而升高。研究表明，当垃圾焚烧炉渣的细度及发气温度合适时，其发气特性可接近用于生产加气混凝土纯铝粉的发气特性。
本论文做了用垃圾焚烧炉渣用作水泥混凝土掺合料的研究，结果发现随垃圾焚烧炉渣掺量增加，胶凝系统的标准稠度需水量和初、终凝时间均有所增加。搅拌时间对系统胶砂强度有显著影响，在12 min内，抗折强度和抗压强度均随搅拌时间有显著增加，但12 min后则趋势变缓。系统胶砂抗折强度和抗压强度均随其掺量增加而降低，这是由于垃圾焚烧炉渣的掺入阻碍了系统水化。试验中测试的安定性合格而且初终凝时间均符合国家标准。总的来说垃圾焚烧炉渣是可以作为水泥掺合料来使用的。
本文研究了用垃圾焚烧炉渣制作蒸压加气混凝土，分别用粉煤灰和保定渣与垃圾焚烧炉渣制作了蒸压加气混凝土。研究发现平均粒径23.2 μm垃圾焚烧炉渣和70.4 μm纯铝粉同样掺量下，前者所制备的蒸压加气混凝土内部气泡更小、分布也更均匀，同时干体积密度和抗压强度也均高于后者。垃圾焚烧炉渣的掺入未明显改变水化产物种类和微观形貌。另外虽然蒸压加气混凝土的SEM图片显示，垃圾焚烧炉渣的掺入影响了托勃莫来石的结晶形态。但从蒸压加气混凝土的XRD图片可以看出垃圾焚烧炉渣的掺入并未明显地改变系统水化产物。研究表明，当垃圾焚烧炉渣的细度及发气温度合适时，完全可以作为发气剂生产蒸压加气混凝土。

1 绪论
1.1研究背景和意义
由于城市生活垃圾成分复杂，目前其处理方式有很多，其中以填埋为主。随着社会城市化的进一步发展，垃圾排放量越来越大，整座城市几乎被包围在垃圾之中，垃圾安全处理问题亟待解决。由于生活垃圾中存在大量有热值的物质，因此燃烧后会放出热量，从而可用来发电，同时体积会有大幅度的缩减，从而增长了填埋场的最大使用限度，减少了对土地资源的占用量。垃圾发电是通过对已经经过分类的垃圾进行焚烧而产生电能的技术。从二十世纪七十年代起，一些国家便开始使用燃烧垃圾产生的热能进行火力发电。科学家测算，垃圾中存在热值很高的有机可燃物等的二次能源。两吨垃圾燃烧产生的热量大约相当于一吨煤。在垃圾燃烧过程中产生的高温完全消灭了其中的腐蚀性有机物和病源性生物。在垃圾在高温燃烧过程中产生的热能转化为高温蒸气来推动发电机的轮机转动产生电能。但这又带来了垃圾焚烧灰渣的处理问题。
垃圾焚烧灰渣的主要成分有飞灰和炉渣，其中前者富集了很多重金属和二恶英类有机物，普遍认为其毒性相对较大需要按危险废物进行管理，而后者则相对较低。目前的研究主要分两大类，一是把灰渣（尤其是飞灰）当做废物进行固化或作稳定化后填埋，二是对其进行资源化利用。建材行业是一个对固体废弃物吸纳量最大的行业。因此，对我们而言, 研究集中在垃圾焚烧灰渣的建材资源化上，目前飞灰和炉渣的排放量大约是20/80，炉渣占绝对优势；而且，从成分上看，炉渣用于建筑材料的可能性更大，因此我们的研究主要针对磨细炉渣进行。
1.2 混凝土掺合料概述
混凝土掺合料是在混凝土拌合时掺入的能改善混凝土性能的粉状物质。在加入混凝土掺合料后，可以提高混凝土的各项性能，如和易性，粘聚性，可泵性；降低混凝土的坍落度损失；降低混凝土内部早期干燥收缩，使硬化后的混凝土结构更密实，混凝土早期和后期强度都能得到提高，抗渗、抗冻及耐化学腐蚀能力会有显著的改善。
掺合料可分成非活性掺合料和活性掺合料。活性掺合料有火山灰质材料，粉煤灰，粒化高炉矿渣粉，沸石粉，硅灰等。这一类掺合料能与水泥水化生成的氧化钙起反应生成水硬性的胶凝水化产物。活性掺合料有矿渣，磨细石英砂，石灰石等。这一类掺合料与非活性掺合料不同它本身不硬化或者硬化速度很慢。
按来源可以分为：工业废物类，天然类，人工类。工业废料类主要有煅烧煤矸石，硅灰，粉煤灰，水淬高炉矿渣等。天然类的主要品种有火山灰，黏土页岩，硅藻土，钙性黏土，蛋白质黏土等。人工类主要有煅烧页岩成黏土等。
火山灰类物质、粉煤灰、粒化高炉矿渣等都是常用的混凝土掺合料。
矿物掺合料在高性能混凝土中的功效：
　　1）改善新拌混凝混的工作性，改善抹面的工作品质。活性掺合料在减水剂的辅助下，可以提高新拌混凝土的保水性，流动性、粘聚性，改善混凝土的可泵性。矿物掺合料还可以并改善硬化混凝土的强度和耐久性。
2）降低混凝土温升。混凝土类似绝热体，会因水泥水化放热而使混凝土内部温度升高。而且混凝土表面散热较快，这种内外温差会造成温差应力。温差应力易造成混凝土破裂。这是影响混凝土持久性的重要因素之一。温差应力的大小取决于水胶比、构件尺寸、水泥用量、集料种类和用量等。为了保证水胶比很低的混凝土获得足够的流动性，需要用较多的水泥，就会在混凝土内部产生较大的温差应力。使用矿物掺合料来降低水泥孰料的量来使水泥水化总热量降低，就可以减小混凝土的温升。
3）调整实际构件中混凝土强度的发展。掺入不同掺合料对混凝土强度会有不同的影响。相同水灰比条件下，掺入粉煤灰、矿渣等会降低水泥的早期强度，而硅灰在掺量合适时可以提高混凝土的强度。掺入特定的矿物掺合料时，混凝土的初期强度随掺量的增大而下降，后期强度却会有较大幅度的提高。
4）提高抗化学腐蚀能力，增强混凝土的耐久性。在混凝土中掺入掺合料后，水泥的用量减少了，受腐蚀的内部因素也降低了；另外矿物掺合料的微小颗粒均匀分散到水泥浆体中会形成大量的水化沉积核心，这些微小颗粒及其水化反应物随着水化龄期的发展填充水泥石孔隙。阻碍了侵蚀介质浸入，改进了混凝土的孔结构，降低了混凝土的渗透性。
　5）不同品种矿物掺合料复合使用的‘超叠效应’。不同矿物掺合料在混凝土中，作用各有其优缺点。不同类别的掺合料以适合的总掺量和复合比例掺入混凝土，则可用长避短，即可改善混凝土抗压强度又调节需水量，同时还可以减少混凝土的收缩，提高其抗折强度和耐久性。
6） “双掺”技术在工程实践中运用广泛，即将粉煤灰和减水剂同时掺入。用这种方法制作的混凝土，可在节约水泥的同时提高混凝土耐久性、工作性、强度。双掺技术的运用可显著降低大体积混凝土的水化热，从而满足不同工程的施工技术要求。
6结论
6.1结论
1）垃圾焚烧炉渣的成分与水泥有所相似，所以考虑用垃圾焚烧炉渣用作水泥混凝土掺合料来使用。另外随垃圾焚烧炉渣细度的减小垃圾焚烧炉渣中的铝的发气量而增加，在铝含量相等的垃圾焚烧炉渣和铝粉中，平均粒径为23.2 μm垃圾焚烧炉渣稍优于70.4 μm纯铝粉的发气性能。在NaOH溶液中，垃圾焚烧炉渣发气性能随pH值升高而升高。垃圾焚烧炉渣在pH值约为12的NaOH和Ca(OH)2 饱和溶液中的发气性能相似，但前者稍好，且均随温度升高而升高。当垃圾焚烧炉渣的细度及发气温度合适时，其发气特性可接近用于生产蒸压加气混凝土纯铝粉的发气特性。
2）垃圾焚烧炉渣用作水泥混凝土掺合料研究结果发现随垃圾焚烧炉渣掺量增加，垃圾焚烧炉渣-水泥系统初、终凝时间和标准稠度需水量均有所增加。搅拌时间对系统胶砂强度有显著影响，在12 min内，抗折强度和抗压强度均随搅拌时间有显著增加，但12 min后则趋势变缓。垃圾焚烧炉渣的掺入延缓了系统水化，所以随其掺量的增加系统胶砂抗折强度和抗压强度降低。垃圾焚烧炉渣虽具有一定火山灰活性，但需要注意金属铝成分及烧失量的不利影响。由实验结果可以看出水泥-垃圾焚烧炉渣凝胶体系的机械强度随垃圾焚烧炉渣的增加而下降，垃圾焚烧炉渣的水泥活性相对较低，在某种程度上阻碍了水泥的水化。但是上述试验中测试的安定性合格而且初终凝时间均符合国家标准。试验中垃圾焚烧炉渣的掺量为30%时，胶凝体系的28天强度可达到40.4MP这超过了我国国家标准规定的32.5等级水泥的标准。这表明垃圾焚烧炉渣是可以作为水泥掺合料来使用的。
3）用垃圾焚烧炉渣制作蒸压加气混凝土的研究发现平均粒径23.2 μm垃圾焚烧炉渣和70.4 μm纯铝粉同样掺量下，前者所制备蒸压加气混凝土的内部气泡更小、分布也更均匀，同时干体积密度和抗压强度也均高于后者。垃圾焚烧炉渣的掺入未明显改变水化产物种类和微观形貌。在制作蒸压加气混凝土的过程中在蒸压釜中蒸养，185度，8小时后，蒸压加气混凝土的发气过程已完全结束。不会再有气体产生而影响砌块的力学性能。各项测试结果表明，随着垃圾焚烧炉渣的掺量的增多，蒸压加气混凝土砌块中的气孔越多，蒸压加气混凝土的干体积密度和抗压强度也就越小。另外虽然蒸压加气混凝土的SEM图片显示，垃圾焚烧炉渣的掺入影响了莫来石的结晶形态。但从蒸压加气混凝土的XRD图片可以看出垃圾焚烧炉渣的掺入并未明显地改变系统水化产物。用垃圾焚烧炉渣和粉煤灰制作的蒸压加气混凝土与用垃圾焚烧炉渣和保定渣制作蒸压加气混凝土在垃圾焚烧渣的掺量对蒸压加气混凝土砌块的干缩性能影响的研究中，研究结果正好相反。这是可能是由于这两组加气混凝土中水化产物的组成有所不同。加气混凝土的干缩与托勃莫来石的含量成反比，而与水化硅酸钙的量成正相关。水化硅酸钙向托勃莫来石转化的程度与蒸压加气混凝土的干缩关系密切。研究表明，当垃圾焚烧炉渣的细度及发气温度合适时，完全可以作为发气剂生产蒸压加气混凝土。
6.2 展望
以为时间有限，本论文只对垃圾焚烧炉渣的建材资源化进行了初步的研究，为了使垃圾焚烧炉渣更好的用作建筑材料，还需要对其进行更深入的研究：
1. 从本文实验中可以看出垃圾焚烧炉渣-3掺量越大，系统化学结合水越多。理论上化学结合水含量越多，推测这可能是由于垃圾焚烧炉渣中得氧化钙含量较高在水化过程中生成了较多的碳酸钙，体系中的碳酸钙发生了分解，导致测得的化学结合水偏高。关于这一问题还需要深入的研究。
2.因为实验周期太长本文并未进行垃圾焚烧炉渣用作混凝土掺合料和垃圾焚烧炉渣制作的加气混凝土的有毒物质浸出实验。