摘要：論文分別研究了城市生活垃圾焚燒爐渣用于水泥生料配料及混合材對水泥力學性能，與外加劑相容性，水泥膠砂體積穩定性的影響，探討了水泥工業協同處置城市生活垃圾焚燒爐渣的技術及其可行性。研究結果表明：爐渣用于水泥生料配料對水泥的力學性能不利，但是可以通過調整率值配方來提高水泥的力學性能；爐渣作為水泥混合材不具有火山灰活性，但7.5%的爐渣摻量的水泥的質量要求亦可達到PII42.5的要求；爐渣作為水泥混合材生產的水泥相比與純熟料水泥其外加劑的適應性相差不大，其配制的混凝土體積穩定性較好；
關鍵詞：垃圾焚燒爐渣，水泥力學性能，水泥與外加劑適應性，水泥膠砂的體積穩定性。
0.引言
生活垃圾焚燒技術是目前國際比較流行的生活垃圾處理技術。2006年廣州市首座生活垃圾焚燒發電廠——李坑生活垃圾焚燒發電廠投入運行。通過生活垃圾焚燒發電，可以最大限度的處理城市生活垃圾（減容85），同時利用燃燒熱發電，帶來了一定量的經濟利益；但是人們必須得面對垃圾焚燒處理后產生生活垃圾焚燒爐渣的處理問題。垃圾焚燒爐渣（bottom ash）是指在垃圾焚燒過程中爐排上殘留的焚燒殘渣和從爐排間掉落的顆粒物,其中還有未燃盡的木塊和玻璃陶瓷等廢棄物，它的重金屬浸出毒性沒有達到危險廢棄物浸出毒性標準，屬于一般廢棄物[1][2]。。目前的填埋處置占用大量的土地，而且爐渣含有的刺激性氣味亦對環境造成一定的污染，這種填埋處置的方法在寸土寸金的今天是不符合環保的要求和可持續發展的戰略思想的！
目前國際上普遍認為水泥工業是處理工業廢物的主要行業，特別是隨著水泥工業技術的不斷完善發展，水泥設備的不斷更新換代，通過水泥工業來處理廢棄物已經成為一種很好的廢物處理方式。爐渣的化學成分與水泥原料較為接近，用于水泥的制備一方面可減少水泥工業對天然資源的消耗，另一方面爐渣中一些有毒有害組分可以在水泥生產過程或水泥使用過程中得到分解或固化[3]。
本課題是為解決廣州市的垃圾焚燒爐渣，與廣州市珠江水泥有限公司共同承擔的廣州市環保局的科技攻關項目。本文重點研究了廣州李坑垃圾焚燒發電廠的爐渣的性質以及爐渣用于水泥制備過程對水泥性能的影響，爐渣中有害組分在水泥窯爐中的揮發情況將在接下來的工作中展開。
1．實驗材料與方法
1．1 實驗材料
1 垃圾焚燒爐渣。垃圾焚燒爐渣取自廣州李坑垃圾焚燒發電廠。原狀爐渣呈黑褐色,風干后為灰色.含水率為10%-20%(17%)； X射線熒光光譜分析及X射線衍射分析以得到爐渣的化學組成和礦物組成分別如表1、圖1所示。測定爐渣的密度為2.74 g/cm3，把原狀爐渣烘干后在實驗室小磨中粉磨到比表面積380+10 m2/kg備用。
2. 水洗爐渣。把原狀垃圾焚燒爐渣在水池中浸泡48個小時，烘干在實驗室小磨中粉磨比表面積到380+10 m2/kg。
3． 熟料。廣州珠江水泥廠生產的熟料。在實驗室小磨中粉磨至比表面積380+10 m2/kg的純硅酸鹽水泥。
4． 粉煤灰。采用廣州某電廠提供的III級粉煤灰。燒失量2.0%,密度為2.42g/cm3,比表面積400 m2/kg，80微米的篩余為10.5%。化學組成為：
1．2 實驗方法
（1） 灰渣的化學組成和元素分析采用波長色散X射線熒光光譜儀（XRF）分析。
（2）灰渣的礦物組成采用采用D/max-ⅢA型全自動X射線衍射儀分析。
（3）根據GB/T1346－2001,分別測定水泥漿體的標準稠度需水量，凝結時間以及安定性；根據GB/T177－1985測定水泥膠砂強度；
（4） 火山灰活性實驗。按GB/T 2847-1996 進行。
（5）摻燒爐渣的熟料的制備：采用工業生料配料，通過把爐渣摻入工業生料中，調整配料率值為率值1（KH＝0.90,n=2.0,p=1.1）和率值2（KH＝0.90,n=2.7,p=1.6）兩個配方在實驗室電爐中煅燒水泥熟料；先把電爐升溫到1450℃，把物料放入，25分鐘后開始升溫,然后迅速升溫到1450℃，保溫45分鐘取出，在電風扇下急冷。
2． 實驗結果與討論。
2．1生料中摻加垃圾焚燒爐渣對水泥熟料力學性能的影響。
將垃圾焚燒爐渣作為原料摻入水泥工業生料中，燒成水泥熟料并加入適量的石膏，在實驗室小磨中粉磨至比表面積380+10 m2/kg，按照GB/T177－1985測定水泥膠砂強度。
從表2可以看到，相比于不摻爐渣的水泥熟料樣，摻了爐渣的水泥的安定性，標準綢度用水量，凝結時間與對比樣相比都相差不大；3天和28天抗壓強度都是隨著爐渣摻量的增加而不斷下降；水泥膠砂抗壓強度的下降是由于爐渣含有較高的氯硫堿，以及少量的重金屬元素，這些組分在煅燒過程中降低了KH值，使得實際煅燒出來的熟料的KH值降低，從而導致了熟料礦物中C3S的含量降低，C2S的含量相對升高，進而熟料的抗壓強度下降；
由表3可以看到，隨著爐渣的摻量的提高，熟料中的C3S含量是下降的，C2S的含量是相對升高的，因此水泥熟料的抗壓強度下降。對于表2，發現對于相同的摻量的變化，率值1的樣品（1#，2#，3#）的抗壓強度的降低速度明顯要比率值2的樣品（4#，5#，6#）的變化速度要快，因此在實際生產中是可以通過調整率值配方來達到減少這些廢物中有害組分對強度的影響；同時可以看到，隨著爐渣摻量的增加，熟料的f-CaO含量是呈下降的趨勢，爐渣的摻入有利于生料的易燒性，這主要是由于爐渣中的氯硫堿等有害組分對煅燒有助熔效果，因此把爐渣用于水泥生料配料可以通過適當提高硅酸率來達到提高熟料抗壓強度的目的，同時由于爐渣中的助熔成分使得生料的易燒性變好，不會減少水泥的產量。
適當的提高硅酸率，使得熟料礦物中硅酸鹽礦物的含量增加，即使在煅燒過程中由于有害組分的存在造成實際KH值下降，只是說明熟料中C3S/C2S下降，適當提高硅酸率，使得C3S的含量即使實際KH值下降也不減少，從而保證水泥熟料的質量[4]。
2.2 垃圾焚燒爐渣作混合材對水泥力學性能的影響
由于爐渣含有氯硫堿等有害組分，大量在窯爐中煅燒將會對窯爐的正常運轉帶來影響，因此爐渣亦可以作為水泥混合材來消耗一部分，但是要協調好摻量，保證出廠水泥的氯含量小于0.06% 。將垃圾焚燒爐渣以不同的摻量摻入PI水泥中，經過多次過篩充分混合，按照GB/T177－1985測定水泥膠砂強度。實驗結果如下：
由表5可以看到，隨著爐渣摻量的不斷增加，水泥膠砂強度呈下降趨勢，這主要是由于垃圾焚燒爐渣是一種沒有火山灰活性的材料（Lz8d：爐渣8天；Lz15d：爐渣15天；Sxlz8d：水洗爐渣8天；Sxlz15d：水洗爐渣15天）。可以看到，爐渣水洗以后水泥膠砂強度要比沒有水洗要高，這主要是因為爐渣中含有大量的堿以及有機物，這些物質在水泥膠砂中破壞了水泥凝膠的膠結界面，使得強度下降。
2．3 垃圾焚燒爐渣做水泥混合材對水泥與外加劑相容性的影響。
垃圾焚燒爐渣做水泥混合材對水泥工作性能的影響主要通過Marsh cone法進行評定。從流變學角度看：飽和點摻量是指充分破壞漿體中絮凝結構時的外加劑最小摻量，飽和點Marsh時間（即流速）反映了該系統漿體屈服應力及粘度系數降低至恒定值的大小。飽和點摻量小，飽和點Marsh時間短，Marsh時間經時損失小及漿體泌水少時，水泥與外加劑的相容性好[5]
1#代表PI水泥；2#代表PI水泥+7.5%粉煤灰; 3# 代表PI水泥+7.5%爐渣；4#代表PI水泥+7.5%水洗爐渣。由圖可見，1--4#曲線的飽和點摻量都為1.4%，飽和點流動時間分別為15.59s 20.69s 15.97s 16.28s ; 2—4#曲線都在1#曲線的下方，說明在達到相同流動性能的同時，2#所需要的外加劑摻量最多， 3#，4# ，1# 相差不大; 而使用相同摻量的外加劑，他們的流動性最差是2#， 1# 3# 4# 相差不大。
造成以上結果的原因可能是由于爐渣和PI水泥都是在實驗室小磨中粉磨，比表面積相同，因此它們的顆粒分布大致相同，所以它們與外加劑的適應性相差不大；而粉煤灰的加入使得整個水泥漿體體系的顆粒組成范圍變得狹隘，膠凝材料堆積密度減小，所需填隙水變多，自由水減少，流動性變差[6]
2.4 垃圾焚燒爐渣做水泥混合材對水泥膠砂體積穩定性的影響。
垃圾焚燒爐渣做水泥混合材對水泥膠砂體積穩定性的影響主要通過測定水泥膠砂干縮率來表示。（1#代表PI水泥；2#代表PI水泥+7.5%粉煤灰; 3# 代表PI水泥+7.5%爐渣；4#代表PI水泥+7.5%水洗爐渣）
如圖所示，干縮曲線先呈直線上升，再趨于穩定的發展，到了一定齡期后不再上升，曲線平穩前進；水洗爐渣與未水洗爐渣摻入PI水泥膠砂中，水泥膠砂干縮曲線基本重合，相差不大。水化前20天，1——4#水泥膠砂干縮率差別不大，干縮曲線基本重合。而水化到120天后，水泥膠砂的干縮率大小排列依次為1# >2# >3# (3# 和4# 差距不明顯)。由此可見，摻入粉煤灰和爐渣能夠降低水泥膠砂的干燥收縮，尤其是20天后的膠砂干縮值。
對于純PI水泥，水泥水化的C-S-H凝膠為層狀結構，層與層之間存在著大量的自由水，干燥條件下水分蒸發，故干縮較大。而爐渣是一種沒有火山灰活性的惰性材料（由XRD可以看到），不參與水化反應，在水膠比相差不大的情況下，膠凝生成量減少，凝膠孔明顯減少，孔洞的張力也減小，因此干縮率低[7]；而相比于爐渣，粉煤灰的水化率高，因而干縮率界于二者之間。
3. 結論
1．爐渣用于水泥生料配料對水泥的力學性能的影響是可以通過調整率值配方來消除。
2．爐渣和水洗爐渣不具有火山灰活性，它們作為水泥混合材降低了水泥的力學性能，但是當摻量小于7.5%的時候其力學性能能夠滿足PII42.5水泥的要求。
3．爐渣作為水泥混合材生產的水泥相比與純熟料水泥其干縮率較小，因此用爐渣做混合材生產的水泥配制的混凝土體積穩定性較好。
4．爐渣作為水泥混合材生產的水泥與純熟料水泥其外加劑的適應性相差不大。
5．爐渣可以在水泥工業中處置消耗掉，對水泥的性能的影響不大。
參考文獻：
1 章驊 何品晶 城市生活垃圾焚燒灰渣及其性質分析[J] 上海環境科學 2002年第21卷第6期
2 何品晶 章驊 垃圾焚燒爐渣的性質及其利用前景[J] 中國環境科學2003,23(4)：395~398
3 陳東河 垃圾焚燒爐渣的資源化利用的探討[D] 華南理工大學碩士學位論文 2006.
4 沈威，黃文熙，閔盤榮. 水泥工藝學[M]，武漢理工大學出版社，1991.
5 吳笑梅，水泥與外加劑相容性的流變學與水泥工藝學研究[D]，[博士學位論文]，3～5
6 吳笑梅，郭文瑛，樊粵明；水泥顆粒分布對其使用性能的影響[J]，水泥，2004.No.10 5-9
7 馬燁紅石灰石粉作混凝土礦物摻合料的研究[D]，華南理工大學碩士學位論文，2007.
