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生活垃圾焚燒爐渣在道路工程中資源化利用技術(shù)探討

2021-09-05 03:28趙曜
科學(xué)大眾·教師版 2021年8期
關(guān)鍵詞:資源化利用道路工程

摘 要:生活垃圾焚燒后仍會(huì)殘留相當(dāng)數(shù)量的爐渣,爐渣的主要化學(xué)成分和礦物組成與道路工程中常用的天然礦質(zhì)集料極為相似,且具有潛在水硬性與火山灰活性,具備資源化用于道路工程的基本條件。本文綜述了爐渣的理化性質(zhì)、細(xì)觀結(jié)構(gòu)與微觀形貌特征、工程特性和浸出毒性,探討了爐渣用作道路各結(jié)構(gòu)層材料的技術(shù)與環(huán)境可行性。

關(guān)鍵詞:生活垃圾焚燒爐渣; 爐渣集料; 道路工程; 資源化利用

中圖分類號(hào):X706? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A? ? ? ? ? 文章編號(hào):1006-3315(2021)8-062-002

1.爐渣資源化應(yīng)用于道路工程的重要意義

焚燒處理的最顯著優(yōu)勢(shì)是減量效果好,可使焚燒廢物的體積和重量減少80%~90%以上,且焚燒產(chǎn)生的熱量可用于發(fā)電和供暖。當(dāng)前,垃圾焚燒已在我國生活垃圾處理方式中占據(jù)半壁江山,但生活垃圾經(jīng)高溫焚燒后仍會(huì)殘留相當(dāng)數(shù)量的殘?jiān)?。其中主要的一類即是爐渣,其質(zhì)量約占原垃圾的20%~30%[1]。按照我國《生活垃圾填埋場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB16889),爐渣屬一般固體廢棄物,可直接填埋處理。據(jù)《中國統(tǒng)計(jì)年鑒(2020)》,我國爐渣產(chǎn)量在2019年已突破2900萬噸,江蘇省爐渣年產(chǎn)量已達(dá)330萬噸。這意味著在爐渣年產(chǎn)量持續(xù)增長、土地資源日趨緊張的形勢(shì)下,這種相對(duì)落后且低效的爐渣處置技術(shù)勢(shì)必會(huì)成為城鎮(zhèn)可持續(xù)發(fā)展的新瓶頸。而針對(duì)爐渣基本特性及其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)提出合理的資源化利用方案,為解決此瓶頸問題提供了有效途徑。爐渣的主要化學(xué)成分和礦物組成與道路工程中常用的天然礦質(zhì)集料極為相似,且具有潛在火山灰活性,兼具集料特性和膠凝特性。道路工程建設(shè)中使用爐渣,不僅能有效利用大量廢棄爐渣,減少天然石料開采,節(jié)約土地資源,而且可減少環(huán)境污染,對(duì)促進(jìn)道路工程領(lǐng)域的“碳達(dá)峰”和“碳中和”具有重要現(xiàn)實(shí)意義,符合交通強(qiáng)國建設(shè)綠色發(fā)展節(jié)約集約、低碳環(huán)保的重大需求。

2.爐渣基本性質(zhì)

2.1理化性質(zhì)

原狀爐渣自然風(fēng)干后,呈灰色到黑褐色,由熔渣、金屬、陶瓷和磚石碎片、玻璃渣、不可燃鹽分以及其他未燃盡物質(zhì)(其中含5%左右的有機(jī)質(zhì))組成,除去其中的大宗物質(zhì)后,外觀與天然集料相似[1,2]。爐渣的主要化學(xué)成分為SiO2、CaO、Al2O3和Fe2O3,約占爐渣總質(zhì)量的70%以上;組成礦物主要為方解石(CaCO3)、石英(SiO2)、硫酸鈣(CaSO4)和Friedel鹽(Ca4Al2O6Cl2·10H2O)等;含一定量重金屬,Zn、Cr、Cu、Pb、Cd含量相對(duì)較高。總體而言,爐渣理化性質(zhì)較穩(wěn)定,但因含F(xiàn)e及其他有色金屬(主要為Al),使用前需進(jìn)行適當(dāng)預(yù)處理。此外,新鮮爐渣中含有少量硅酸鈣和活性成分(SiO2、Al2O3、Fe2O3和Ca(OH)2),使得爐渣具有潛在水硬性和火山灰活性,因此爐渣使用前須經(jīng)一定時(shí)間的熟化,使其獲得更穩(wěn)定的理化性質(zhì)。

2.2細(xì)觀結(jié)構(gòu)與微觀形貌

受原垃圾組成及其相對(duì)含量的影響,爐渣顆粒主要呈現(xiàn)兩種結(jié)構(gòu)形式:一是典型的“多孔海綿狀”,由完全中空的球體或內(nèi)部包有數(shù)量眾多小球的子母球體組成;二是層狀多孔近立方體結(jié)構(gòu)。爐渣顆粒表面粗糙,孔隙率高,單位比表面積大,孔隙直徑大小不一、且分布不均;部分位置晶體發(fā)育良好,主要呈棒狀、針狀和粒狀;但因焚燒過程中溫度和空氣分布不均,晶體發(fā)育不均勻[3]。

2.3工程特性

爐渣粒徑分布良好,60%~80%集中在1~19mm,篩分后適合用作路基、路面基層和面層混合料的集料。較之天然集料,爐渣集料的表觀密度較小、壓碎值和磨耗損失較高、吸水性與堅(jiān)固性較好、內(nèi)摩阻角和抗剪強(qiáng)度較高,滲透率與中砂相近[4-6]。由于壓碎值和磨耗損失較天然集料高,因而爐渣集料更適合用于城市廣場(chǎng)、公園、停車場(chǎng)、小區(qū)道路、農(nóng)村公路等輕交通量道路。

2.4浸出毒性

爐渣含一定量的可溶性鹽和重金屬,很難降解。若爐渣作為道路工程建筑材料使用,其中的可溶性鹽和重金屬在一定環(huán)境條件下發(fā)生浸出,滲透到周圍土壤、地表水、地下水或經(jīng)由食物鏈進(jìn)入人體,造成環(huán)境污染、損害人體健康。研究發(fā)現(xiàn),爐渣浸出液的pH值、可溶性鹽和重金屬濃度與爐渣粒徑和熟化時(shí)間顯著相關(guān)[7]:爐渣初始pH值一般在11以上,屬強(qiáng)堿性,且粒徑越小、堿性越強(qiáng),但隨熟化時(shí)間延長、pH值呈緩慢下降趨勢(shì)。爐渣中Ca2+、SO42+、K+、Cl-、Na+、Mg2+、Al3+等可溶性鹽的浸出水平較高,爐渣粒徑越小、Cl-浸出量越高;而重金屬中Pb、Zn的浸出水平較高。但總體上爐渣中幾種主要重金屬和可溶性鹽的長、短期浸出水平均低于我國現(xiàn)行有關(guān)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)限值,在道路工程建設(shè)中資源化使用爐渣在環(huán)境上是可行的。

需注意的是,受原垃圾組成、焚燒工藝、預(yù)處理工藝等的影響,不同地區(qū)、不同垃圾焚燒廠、不同批次、不同熟化時(shí)間的爐渣,其粒徑分布、主要成分比例、工程性質(zhì)和毒性浸出特性等方面存在顯著差異。資源化利用爐渣前應(yīng)進(jìn)行基本性質(zhì)試驗(yàn),以制定有針對(duì)性的利用方案,提高爐渣實(shí)際利用率,同時(shí)確保環(huán)境安全。

3.爐渣在道路工程中資源化利用技術(shù)

爐渣的理化性質(zhì)和工程特性表明爐渣具備用作道路工程集料的基本條件。爐渣具有潛在火山灰活性,能與水發(fā)生水化反應(yīng)、發(fā)揮膠結(jié)作用。同時(shí),爐渣中的可溶性鹽、重金屬等浸出量均低于我國現(xiàn)行有關(guān)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)限值,因此爐渣資源化用于道路工程中對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響極小。目前,挪威、德國和法國已分別實(shí)現(xiàn)將80%、65%和79%的爐渣集料應(yīng)用于道路工程。

3.1路基填筑材料

道路工程路基位于路面之下,是路面的基礎(chǔ),其主要作用是支承路面結(jié)構(gòu),承受路面荷載,同時(shí)將荷載傳遞至地基深處。路基填筑需要大量品質(zhì)優(yōu)良的集料和填料。爐渣級(jí)配良好,理化性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定,且與水發(fā)生水化反應(yīng)后能起到膠結(jié)土顆粒與集料的作用,是良好的路基填料。歐洲多年的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,爐渣作為路基填料的資源化利用方式不僅在技術(shù)上是可行的,且在環(huán)境保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展方面較之天然集料也具有顯著優(yōu)勢(shì)[2]。一般爐渣用作路基填筑材料的施工工藝如下:原地面處理、施工放樣、備料(如土、石灰和爐渣以一定比例混合)、攤鋪、調(diào)整含水率、整平、碾壓、質(zhì)量檢驗(yàn)。為確保填筑路基的壓實(shí)度滿足設(shè)計(jì)要求,路基填筑前應(yīng)通過相關(guān)試驗(yàn)確定混合填料的最佳配比、最佳含水率等指標(biāo)。

3.2路面基層材料

路面基層位于路基(或墊層)之上、面層之下,是路面結(jié)構(gòu)的承重層,主要起到承受面層傳來的車輛荷載、并將其分布到墊層或路基的作用。爐渣經(jīng)粉碎、篩選、分級(jí)后制成滿足規(guī)格要求的爐渣集料和爐渣粉料,可替代部分細(xì)集料、水泥或粉煤灰材料用于各類結(jié)合料穩(wěn)定類基層材料和粒料類基層材料,且可在一定程度上提高基層的抗裂性能。上世紀(jì)70年代,美國首次使用爐渣集料替代天然集料用于瀝青混合料基層,取得良好的工程應(yīng)用效果[2]。

3.3瀝青混合料的替代集料

瀝青混合料是有適當(dāng)比例的粗集料(粒徑≥2.36mm)、細(xì)集料(0.075~2.36mm)及填料(<0.075mm)組成的符合規(guī)定級(jí)配的礦質(zhì)集料與瀝青拌制而成的混合料的總稱,是現(xiàn)代瀝青路面中使用最廣泛的路面材料,可用于路面各結(jié)構(gòu)層。大量試驗(yàn)與工程實(shí)踐證明,不同產(chǎn)地、不同粒徑(范圍)和不同替代率下,爐渣集料對(duì)瀝青混合料的最佳瀝青用量和路用性能的影響存在一定差異。但總體上,混合料的最佳瀝青用量與爐渣集料替代率呈顯著線性正相關(guān),即爐渣替代率越高、最佳瀝青用量越大;且替代率相同時(shí),所用爐渣集料的粒徑越小、混合料最佳瀝青用量越高,這主要是與爐渣集料的多孔構(gòu)造特性有關(guān)。較之同等粒徑的天然集料,多孔構(gòu)造的爐渣集料可以吸附更多瀝青,且吸附于爐渣集料表面的瀝青可繼續(xù)沿著孔隙下滲,并最終形成“瀝青錨桿”,增強(qiáng)爐渣集料與瀝青之間的黏附性,從而提高混合料的整體性。因此盡管各國研究推薦的爐渣替代率不盡相同,且爐渣替代率不高(多在10%~20%左右),但一致認(rèn)為由于爐渣集料的多孔特性與粗糙的表面特性,可以使混合料的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性得到顯著提升[4,6,8]。

3.4水泥混凝土的替代集料

水泥混凝土是指由水泥、砂、集料等用水拌制而成的一類混合材料的總稱,具有強(qiáng)度高、水穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn),被廣泛用作各等級(jí)道路的面層和基層材料。水泥作為此類混合材料中的粘結(jié)劑,是一種水硬性無機(jī)膠凝材料,與水拌和后發(fā)生水化反應(yīng),生成水化產(chǎn)物,并將砂、集料等散粒材料膠結(jié)成具有一定強(qiáng)度的整體。由于爐渣中含有一定量的活性SiO2、Al2O3和Fe2O3,具備潛在水硬性和火山灰活性,故將其用于水泥混凝土,不但有利于提高混凝土的整體性和路用性能,而且可在一定程度上減少水泥使用量,降低施工成本,同時(shí)在一定程度上緩解因水泥生產(chǎn)造成的環(huán)境污染。

4.結(jié)語

當(dāng)前及未來,我國城鎮(zhèn)化仍處于提質(zhì)推進(jìn)階段,城市生活垃圾產(chǎn)量將保持快速增長態(tài)勢(shì),垃圾焚燒技術(shù)是無害化處理生活垃圾的主要方式。與此同時(shí),城鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與升級(jí)改造面臨著集料和填料短缺、環(huán)境污染等諸多問題。本文從生活垃圾焚燒爐渣的基本性質(zhì)出發(fā),探討了其在道路工程的路基、基層和面層中的資源化利用技術(shù),以期為同行提供參考。爐渣資源化用于道路工程對(duì)于實(shí)現(xiàn)道路工程領(lǐng)域的“碳達(dá)峰”和“碳中和”具有重要現(xiàn)實(shí)意義,但仍存在很多問題亟待解決:一是,因不同批次、不同粒徑的爐渣基本性質(zhì)波動(dòng)造成混合料性能不穩(wěn)定的問題;二是爐渣混合料的設(shè)計(jì)理論與設(shè)計(jì)方法尚未形成體系;三是爐渣混合料的耐久性問題。

基金資助項(xiàng)目:住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技計(jì)劃項(xiàng)目(2019-K-140),南京林業(yè)大學(xué)青年科技創(chuàng)新項(xiàng)目(CX2019031)

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