章志

（1.上海市市政規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200031；2.上海城市路域生態(tài)工程技術(shù)研究中心，上海 201418）

生活垃圾焚燒處理是一種較為成熟的垃圾處理技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)生活垃圾無(wú)害化、減量化、資源化[1]。隨著垃圾處置壓力的日益增大，生活垃圾焚燒處置在國(guó)內(nèi)發(fā)展十分迅速。以上海市為例，其生活垃圾焚燒爐渣（后文簡(jiǎn)稱“焚燒爐渣”或“IBA”）的排放量逐年增加，近年來(lái)達(dá)到150 萬(wàn)噸/年[2]。同時(shí)，混凝土作為世界范圍內(nèi)應(yīng)用最廣泛的建筑材料，具有成本低，取材廣，耐久性好，高抗火性等優(yōu)點(diǎn)[3]。但隨著國(guó)家對(duì)生態(tài)資源的保護(hù)要求提升到新高度，資源開發(fā)進(jìn)一步減少，砂石材料市場(chǎng)供應(yīng)量急劇減少，嚴(yán)重限制了混凝土等材料的工程應(yīng)用。生活垃圾焚燒爐渣用于混凝土集料不僅能夠解決日益嚴(yán)重的爐渣處理處置難題，而且能夠緩解混凝土用砂石料緊缺問(wèn)題。

建筑、市政工程中每年使用大量低強(qiáng)度混凝土，其對(duì)骨料要求相對(duì)較低。生活垃圾焚燒爐渣中一方面含有玻璃、陶瓷、熔渣等具有一定硬度的顆粒物質(zhì)，可以在一定程度上替換低強(qiáng)度混凝土中的砂，從而達(dá)到節(jié)約天然砂的目的，國(guó)內(nèi)已有不少學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。劉棟[4]研究表面將爐渣作為水泥穩(wěn)定碎石基層時(shí)，水泥穩(wěn)定爐渣碎石的抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度、抗壓回彈模量和抗凍性均有所下降。張銳等[5]的研究顯示混凝土中水灰比較高時(shí)爐底渣粗骨料含量對(duì)其抗壓強(qiáng)度影響不大，低水灰比（＜0.55）時(shí)爐底渣粗爐渣混凝土抗壓性能隨爐渣摻量的增加逐漸降低。曹旗[6]等利用生活垃圾焚燒爐底渣替代一定量的天然骨料，制備的混凝土路面磚能夠達(dá)到C50 的強(qiáng)度等級(jí)。張立力等[7]將生活垃圾焚燒爐底渣經(jīng)水洗、篩分等工藝處理后用于透水混凝土，隨著其摻量的增加，透水混凝土強(qiáng)度逐漸下降，但對(duì)透水系數(shù)影響不大。這些都是爐渣用于混凝土的有益探索，但是研究?jī)H僅將原狀爐渣集料替代部分天然集料來(lái)使用以及非結(jié)構(gòu)混凝土的應(yīng)用，沒(méi)有考慮到爐渣生產(chǎn)工藝以及混凝土成型工藝等對(duì)爐渣混凝土力學(xué)性能的影響，欠缺爐渣混凝土體積穩(wěn)定性、爐渣過(guò)高含鹽量加速鋼筋銹蝕等耐久性問(wèn)題的研究，因此指導(dǎo)實(shí)際工程應(yīng)用還有一定局限性。

基于此，本文從爐渣性質(zhì)、生產(chǎn)工藝、成型工藝等方面探究了爐渣對(duì)混凝土抗壓性能的影響，并結(jié)合雷氏夾法、試餅法，以及加速反應(yīng)和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下的膨脹率來(lái)綜合評(píng)估爐渣混凝土的體積穩(wěn)定性，并探究了爐渣混凝土體積穩(wěn)定性不良的微觀機(jī)理。

1 材料和方法

1.1 材料

本文所用水泥為上海金山南方水泥有限公司生產(chǎn)的P·II52.5 普通硅酸鹽水泥，其基本物理性能見表1。采用埃肯國(guó)際貿(mào)易（上海）有限公司生產(chǎn)的硅灰作為輔助膠凝材料，其平均粒徑為0.1～0.15μm，比表面積為15～27m2/g。礦粉為S95 礦粉，滿足GB/T18046 要求。外加劑為復(fù)合外加劑，兼具減水、消泡等功能。細(xì)集料采用水洗河砂和石英砂按最大堆積密度調(diào)配而成，其最大粒徑≤1.25mm。

表1 水泥基本物理性能

生活垃圾焚燒爐渣（簡(jiǎn)稱“爐渣”）為上海市某焚燒垃圾處理廠爐渣經(jīng)后期處理得來(lái)，其物理性能見表2，外觀和顆粒級(jí)配見圖1～2。生活垃圾焚燒爐渣表觀密度與《建設(shè)用砂》規(guī)定的限值接近，高于《混凝土和砂漿用再生細(xì)骨料》的要求。

圖1 生活垃圾焚燒爐渣外觀

圖2 爐渣顆粒級(jí)配曲線

表2 生活垃圾焚燒爐渣物理性能

1.2 方法

本文試件成型方法以及抗壓強(qiáng)度測(cè)試方法參考《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50081-2019。第1～7 組以流動(dòng)擴(kuò)展度進(jìn)行控制實(shí)驗(yàn)用水量，攪拌時(shí)流動(dòng)擴(kuò)展度控制在500mm±20mm 之間。并使用雷氏夾法、試餅法和加速反應(yīng)的24h 限制膨脹率以及14d 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的自由膨脹率來(lái)驗(yàn)證生活垃圾焚燒爐渣混凝土的體積穩(wěn)定性。爐渣混凝土設(shè)計(jì)配合比見表3。

表3 爐渣混凝土配合比

2 結(jié)果與討論

2.1 抗壓性能

圖3 為不同生活垃圾焚燒爐渣摻量對(duì)爐渣混凝土的需水量的影響，隨著爐渣與膠凝材料比值的增加，爐渣混凝土的水固比維持在相對(duì)穩(wěn)定的水平，約在0.12～0.13之間；但水膠比急劇增加，當(dāng)爐渣/膠凝材料由1.39 增加至5.33 時(shí)，水膠比由0.36 增加至0.77，兩者近似呈線性關(guān)系?？梢耘袛酄t渣摻量對(duì)爐渣混凝土的用水量起決定性作用。這是因?yàn)樯罾贌隣t渣的疏松多孔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其具有較大的孔隙率和吸水率。

圖3 爐渣摻量對(duì)混凝土用水量影響

圖4 為不同生活垃圾焚燒爐渣摻量對(duì)爐渣混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。當(dāng)爐渣摻量較低（爐渣/膠凝材料＜1.39）時(shí)，爐渣混凝土強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加有較大的幅度的增長(zhǎng)；但隨著爐渣摻量的增加，爐渣混凝土強(qiáng)度隨齡期的增長(zhǎng)越來(lái)越慢。

圖4 爐渣摻量對(duì)混凝土抗壓性能影響

當(dāng)爐渣/膠凝材料介于2.17 和3.22 之間時(shí)，爐渣混凝土抗壓強(qiáng)度在7d 之后幾乎無(wú)增長(zhǎng)；當(dāng)爐渣/膠凝材料＞5.33 時(shí)，爐渣混凝土抗壓強(qiáng)度在3d 之后幾乎無(wú)增長(zhǎng)。且隨著生活垃圾焚燒爐渣摻量的增加，爐渣混凝土的抗壓強(qiáng)度急劇降低。

當(dāng)爐渣/膠凝材料為1.39 時(shí)，爐渣混凝土28d 抗壓強(qiáng)度為70.8MPa；而當(dāng)爐渣/膠凝材料增加至2.17 時(shí)，爐渣混凝土28d 抗壓強(qiáng)度為21.5MPa；爐渣/膠凝材料為5.33 時(shí)，爐渣混凝土28d 抗壓強(qiáng)度僅有6.2MPa。一方面是因?yàn)闋t渣摻量的增加導(dǎo)致水膠比增加以及膠凝材料相對(duì)含量減少；另一方面，爐渣的疏松多孔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致爐渣混凝土內(nèi)部孔隙含量增加，且爐渣本身強(qiáng)度相對(duì)天然集料較低（爐渣壓碎值為30，而天然河沙壓碎值僅有2 左右），十分不利于爐渣混凝土的強(qiáng)度形成。因此導(dǎo)致爐渣摻量過(guò)高時(shí)爐渣混凝土強(qiáng)度過(guò)低。

2.2 體積穩(wěn)定性

本文采用雷氏夾法、試餅法、沸煮環(huán)境下的限制膨脹率法以及自由膨脹率實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證爐渣混凝土的體積穩(wěn)定性（表4）。雖然使用雷氏夾法和試餅法測(cè)試爐渣混凝土體積安定性時(shí)表現(xiàn)正常，主要是因?yàn)檫@兩種方法原本為測(cè)試水泥安定性檢測(cè)方法且試件較小，用于評(píng)估爐渣混凝土體積穩(wěn)定性存在一定局限性。加速反應(yīng)的24h限制膨脹率（1.309%）以及標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的14d 自由膨脹率（0.56%）遠(yuǎn)超過(guò)普通混凝土（分別為0.04%和-0.01%），表現(xiàn)出嚴(yán)重的體積穩(wěn)定性不良問(wèn)題（圖5）。這主要是由爐渣中含有鋁、鐵、Cl-、SO42-、玻璃等物質(zhì)與混凝土中水泥、堿金屬離子等發(fā)生不良反應(yīng)導(dǎo)致，如SO42-在沸煮環(huán)境中以及混凝土后期會(huì)生成鈣礬石，導(dǎo)致混凝土體積膨脹甚至破壞混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致開裂等現(xiàn)象；鋁會(huì)在混凝土的堿性環(huán)境中發(fā)生反應(yīng)生成氫氣，導(dǎo)致體積膨脹；玻璃等非晶態(tài)的硅也會(huì)與混凝土中的堿-骨料反應(yīng)導(dǎo)致體積膨脹甚至開裂。

圖5 生活垃圾焚燒爐渣混凝土膨脹開裂現(xiàn)象

表4 生活垃圾焚燒爐渣混凝土體積穩(wěn)定性

3 結(jié)論

（1）隨著爐渣摻量的增加，爐渣混凝土的需水量呈線性增加，而爐渣混凝土的抗壓強(qiáng)度急劇降低，爐渣混凝土中爐渣/膠凝材料由1.39 變?yōu)?.33 時(shí)，爐渣混凝土28d 抗壓強(qiáng)度由70.8MPa 降至21.5MPa 再降至6.2MPa。這主要是因?yàn)槟z凝材料過(guò)少以及爐渣的疏松多孔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的爐渣壓碎值過(guò)大導(dǎo)致的。

（2）爐渣混凝土存在嚴(yán)重的體積穩(wěn)定性不良問(wèn)題，且用于水泥安定性的測(cè)試方法由于試件尺寸的原因不適于評(píng)價(jià)爐渣混凝土的體積穩(wěn)定性。采用加速反應(yīng)的限制膨脹率以及14d 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)自由膨脹率分別達(dá)到1.309%和0.56%。