垃圾焚烧灰渣在土木工程中的应用

张宏洲 李亚楠 乔艳红 谭永波

【摘   要】   垃圾焚烧发电是有效的垃圾减量化、资源化的手段，垃圾焚烧灰渣是垃圾焚烧的产物，包括底渣（BA）和飞灰（FA）。综述分析垃圾焚烧灰渣的具体工程性质及其作为建筑材料的性能，主要包括：垃圾焚烧灰渣的基本性质;灰渣在热拌沥青（HMA）混合料中的应用;垃圾焚烧灰渣在水泥和混凝土中的应用;垃圾焚烧灰渣在岩土工程中的应用。

【关键词】   垃圾焚烧灰渣;土木工程;建筑材料

Application of Municipal Solid Waste Incineration（MSWI） Ashes in civil engineering---A Review

Zhang Hongzhou1，Li Yanan2， Qiao Yanhong1 ，Tan Yongbo1

（ 1.Langfang Noamal University ， Langfang 065000， China ; 2.Hebei Sanqi Project Management Co. Ltd.，Langfang 065000， China ）

[Abstract]  Waste incineration power generation is an effective means of waste reduction and resource utilization . Waste incineration ash is the product of waste incineration ， including bottom ash （ BA ） and fly ash （ FA ） . This review analyzes and discusses the specific engineering properties of waste incineration ash and its performance as building materials ， the main contents include ： the basic properties of waste incineration ash ; Application of ash in hot mix asphalt （ HMA ） mixture ; Application of waste incineration ash in cement and concrete ; Application of waste incineration ash in geotechnical engineering .

[Key words]  municipal solid waste incineration（MSWI） ashes; civil engineering; construction materials

〔中图分类号〕  TU521            〔文献标识码〕  A             〔文章編号〕 1674 - 3229（2021）03- 0000 - 00

1     概述

传统的垃圾处理方式包括填埋、焚烧、堆肥等。垃圾焚烧具有占地少、效率高、效果显著、污染小等特点，所以在国内外被广泛关注。我国采用焚烧技术处理垃圾的比重逐年递增，处理总量已由2012年总量的21%上升至2016年的41%，目前焚烧法已经成为处理垃圾的重要方法。

垃圾焚烧目前通常使用流化床型焚烧炉。生活垃圾经过焚烧处理之后，产生的残余物统称为混合灰渣。垃圾焚烧后留在炉床上的残余物呈颗粒状称为底渣（BA），从烟气净化系统收集的含有重金属及有机污染物的细颗粒废弃物称为飞灰（FA）。

2      垃圾焚烧灰渣的基本性质

2.1   垃圾焚烧底渣

垃圾焚烧底渣是垃圾焚烧后的主要产物，占垃圾焚烧后总质量的85%-95%。垃圾焚烧底渣是一种多孔、浅灰色、粗糙的砂状材料，主要含有玻璃、陶瓷、矿物、黑色和有色金属材料，也含有少量的未燃烧材料和有机物[1]。主要的化合物是氧化物、氢氧化物和碳酸盐。光谱分析[2]显示，底渣的主要化合物（>10 wt.%）是SiO2、CaO、Fe2O3和Al2O3，而Na2O、K2O、MgO和Tio2所占比重较小（0.4-5.0 wt.%），可见在底渣中氧化物占主导地位。其中Sio2是最主要的化合物，占比高达49%[3]。垃圾焚烧底渣中含量较多的元素为Ca、Si、Fe、Al，此外还含有少量的Zn、Cu、Pb、Cr、Ni、Cd、As等重金属元素，其pH值在10.5 ～ 12.2之间。因为底渣中存在一定的铝，在拌制混凝土中可能会与混凝土发生发应，生成氢气，影响混凝土的密实度，对底渣在混凝土中的应用造成了一定的影响。

垃圾焚烧底渣具有较高的吸水能力，其吸水率在2.4%到15.0%之间，平均值为9.7%[10]。与砂和石子相比，垃圾焚烧底渣是一种相对轻质的材料。垃圾焚烧底渣颗粒级配情况如图1所示[4]。

虽然垃圾焚烧底渣中含有含有一定量的重金属，但由于其相对较低的浸出性，通常被认为是一种良性材料。底渣熟化进一步降低了CO2与水反应释放重金属的活性和潜力，在底渣中形成稳定的络合物。此外，熟化可以将金属Al转化为稳定的Al2O3，降低生成氢气的可能性。因此，底渣可以通过熟化提高其质量，使其成为一种适用的的建筑材料。

2.2   垃圾焚烧飞灰

垃圾焚烧飞灰约占垃圾焚烧产物的3%，以细颗粒物和灰质外观为特征，呈灰色或深灰色。垃圾焚烧飞灰样SEM图像如图2所示。其密度低于用于路堤建设的其他填筑材料，其密度典型值为1.7 ～ 2.4 kg/m3，砂土的密度典型值为2.65 kg/m3。此外，在975℃下飞灰的烧失量达到13%[5]。

3     灰渣在热拌沥青（HMA）混合料中的应用

3.1   实验研究

垃圾焚烧底渣和飞灰都已经被研究用于HMA混合物中。2019年的试验研究表明灰渣的加入使渗透系数、相位角（δ）和蠕变率（m）减小，提高了软化点、复数剪切模量（G *）、车辙因子（G*/sinδ）、沥青的蠕滑刚度（S），这表明飞灰具有显著改善沥青粘结剂的潜力[6]。工程师对底渣在路面工程用的应用进行了研究，将沥青混合料中80%的天然细骨料替换成底渣，其仍具有良好的稳定性和间接抗拉强度。垃圾焚烧灰渣的现场研究表明，底渣在沥青路面系统中代替细集料具有相当大的应用潜力。底渣作为沥青混合料的填充材料，能够可靠地提高沥青混合料的弹性模量、抗拉强度和抗裂能力。在佛罗里达的一项研究，评估了含有底渣的热拌沥青混合物的力学性能，包括稳定性、流动性和间接抗拉强度。此外，利用马歇尔配合比研究了底渣的最佳沥青含量和最佳替代率。研究表明，用底渣替代20%的细骨料可使热拌沥青混合物得性能达到最佳。当替代率超过20%时，热拌沥青混合料的压缩性能、车辙、柔度都有所增加，但是需要将沥青用量提高3%至5%[7]。耐车辙性能的研究表明，底渣的耐车辙性能相对较低，因此，建议用底渣替代至多10%的面层混合物和至多20%的基础层混合物。其他研究主要关注动态蠕变、水敏感性和低温结合性能，研究表明，底渣提高了抵抗永久变形的能力，并在替代率高达30%的骨料的情况下提供了令人满意的性能。同时底渣含量显著影响热拌沥青混合物的蠕变和粘结性性能。

热拌沥青混合物的抗拉强度受底渣和沥青之间界面区弹性模量的影响，而弹性模量取决于底渣的骨料类型。因此，可以通过选择BA的类型和替代比来调节拉伸强度。60%的底渣替代率可以在不引起脆性或断裂问题的情况下获得了最大的抗拉强度提高。底渣提高了混合物的抗拉强度，同时使混合料具有足够的稳定性、高流量和低矿集值空隙率。底渣提高了沥青粘结剂与骨料之间的粘附力，提高了稳定性和间接抗拉强度

限制垃圾焚烧灰渣使用的关键原因之一是其重金属含量。然而，多项研究表明，沥青粘结剂在不同的混合料设计中对垃圾焚烧灰渣中的重金属组分具有固化稳定作用。因此对于垃圾焚烧灰渣，可以根据灰渣的化学成分并经过适当处理，部分取代热拌沥青混合物中的细骨料在沥青路面系统中使用。

3.2   现场应用

垃圾焚烧灰渣的现场应用主要应用于沥青路面系统，此外，也可用于停车场、河道和跑道。在2017年的一篇论文中，Sormunen和Kolisoja建议使用底渣作为沥青路面的底层结构层，而不是磨耗层，以提高道路系统的耐久性[8]。

在一些现场应用中，使用底渣作为热拌沥青混合物的替代集料，从短期（2 - 3年）到长期（20年）的监测期内都取得了可靠的性能。在这些情况下，沥青对底灰和飞灰都进行了有效的包裹。多个案例研究了灰渣对粗骨料的替代，当替代率在50%-100%时，混合料具有良好的性能。当细骨料替换率达到10%后，其性能与标准混合料相同，当替代率超過10%，混合物的现场性能会有所降低。虽然在热拌沥青混合料中使用底渣作为粗骨料和细骨料的替代品，总体上取得了可接受的性能，但在少数情况下，其性能较差，需重新设计。

此外，底渣用于沥青路面系统的磨耗层，可产生较大的摩擦力。通常，当底渣的替代率达到20%时，混合物不仅具有良好的骨料结构，能够抵抗压缩、车辙和柔软性，而且还能增强力学性能。

4     垃圾焚烧灰渣在水泥和混凝土中的应用

4.1   水泥生产（水泥熟料）

灰渣已被研究作为水泥熟料的原料的代品，在烧结前可替代高达100%的原料，从而生成灰渣熟料。在水泥熟料生产过程中使用灰渣的主要原因是其化学成分与水泥熟料原料类似，包括石灰（CaO）、二氧化硅（SiO2）、氧化铝（Al2O3）、氧化铁/赤铁矿（Fe2O3）和硫酸钙（CaSO4）[9]。根据既有的研究，以下几种方法可以利用灰渣生产水泥熟料。一是用灰渣直接替换水泥熟料的原材料。虽然灰渣可能会经过筛分和干燥，但其化学成分不会改变。灰渣的物理和化学性质因焚烧工艺的不同而不同。二是在水泥熟料生产中使用垃圾焚烧灰渣作为某些原材料的替代品之前，对其进行清洗，可降低有害成分如氯盐、碱、硫酸盐和重金属的含量。三是对垃圾焚烧灰渣进行化学或热处理以去除潜在的有害元素。四是将添加剂与灰渣和水泥熟料原料结合，作为SiO2、Al2O3、CaO等的缓冲剂。

由于不同来源的灰渣的化学成分不同，目前在水泥生产中使用灰渣作为添加剂的质量控制具有较大难度。但上述对灰渣化学成分的研究表明，灰渣在生产水泥中作为添加剂具有相当大的潜力，因此，通过对灰渣进行深入的成分分析，建立质量控制准则，其可在建筑业中广泛应用。

4.2   替代水泥

由水泥和辅助胶凝材料（SCMs）组成的混合水泥浆在建筑业被广泛采用。用SCMs替代全部或部分水泥，可以减少能源消耗，降低成本，减少二氧化碳的排放。经过科学设计的水泥浆有较好的强度特性和良好的和易性。因此，许多研究人员试图将灰渣作为SCMs混入水泥中。灰渣一般含有较高的氧化钙和二氧化硅，这是硅酸盐水泥的主要化学成分。An等人（2017）比较了SCMs、底渣和飞灰的微观结构[10]。图3给出了SCMs、底渣（磨削后）和飞灰的比较。底渣具有高孔隙度，以及结晶度和棱角，有小泡连接到颗粒的外部。飞灰呈现出平面、拉长、角形以及烧结粒子团簇。

目前有如下几种常见的制备灰渣拌水泥的方法，一是将水泥与原状灰渣混合;二是在灰渣与水泥混合之前对其进行预洗或磁选，这种方法可以去除降低水泥性能的氯化物、碱和金属成分;三是在灰渣与水泥混合之前，通过机械、化学或热处理的方式来改善灰渣的性能。

4.3   混凝土拌合料

灰渣作为水泥或骨料的替代品已用于混凝土生产中。目前混凝土行业已广泛采用辅助胶凝材料和再生骨料作为水泥和天然骨料的替代品。粉煤灰、硅灰、磨细高炉矿渣和偏高岭土是常用的辅助胶凝材料，其中粉煤灰的使用最为普遍。根据美国粉煤灰协会的报告，美国每年大约生产3820万吨粉煤灰，其中一半（约1920万吨）在水泥/混凝土中使用。同样，垃圾焚烧灰渣作为辅助胶凝材料和混凝土中骨料的替代品具有应用潜力。

在混凝土中使用灰渣作为水泥或骨料的替代品方面已经有了大量尝试。由于细骨料和粗骨料占混凝土总体积的70-80%，用灰渣替代部分骨料是可行的的。灰渣具有较高的吸水率，因此，为了保证和易性，混凝土的水灰比必须相应提高。但是，与普通混凝土相比，大多数灰渣拌制的混凝土坍落度较小，在采用灰渣拌制的混凝土配合比设计中，水泥的替代率相对较低，达到50%，骨料的替代率达到100%。大多数灰渣拌制的混凝土的抗压强度低于普通混凝土。

关于垃圾焚烧灰渣在水硬性胶凝复合材料中的应用已经进行了广泛的研究，结果表明，灰渣应用于民用基础设施，如道路基础中具有相当大的应用潜力。然而，目前鲜见涉及现场应用短期和长期性能监测的研究报告。

一些金属元素的存在，特别是金属铝，在混凝土中的垃圾焚烧灰渣产生氢气。在高PH值条件下，金属元素会被部分腐蚀。因此，一些碱金属（如铝）能在混凝土中释放出氢气。在混凝土中产生的气体会引起混凝土的体积膨胀，增加混凝土的孔隙率。气体的存在最终使混凝土强度降低。因此，研究人员提出用酸或碱水预洗灰渣。通过预洗涤过程，可以稳定或部分消除灰渣中的金属元素，然后再将其用于混凝土中[11]。

5     垃圾焚烧灰渣在岩土工程中的应用

为了研究灰渣作为铺填路基、底基层岩土材料的性能，分别对底渣和飞灰行了试验，以确定其物理性能（含水量、表观密度和体积密度、结晶度等）和工程性能（粒径分布情况、耐磨和抗冲击性能等）。研究结果显示，与飞灰相比底渣更适合兴建道路。Huang等（2020）将MSWI BA作为HMA路面路基材料的替代品，結果表明HMA层底部的拉应变减小，路基层顶部的压应变减小。在法国，底渣被用作无机结合料基层，路面已经良好使用了20年，根据弯沉仪测定，其CBR值为大于120%。在美国新罕布什尔州，底渣也被用作沥青稳定基层的骨料替代品，一项为期两年的研究表明，相对恒定的热拌配方满足了规范要求，沥青有效地封装了底渣。在德克萨斯州的休斯顿，底渣被用作沥青稳定的基础层，面层采用热拌沥青混合料，根据三年的监测，该试验段性能优异，表面层只有少量裂缝。此外，底渣是可用作路堤和垃圾填埋场填土。Patil等人（2016）报告称，用15%垃圾焚烧灰渣替换原土可提高道路路基的强度。

在黏土中添加25%的垃圾焚烧底渣能够有效地改善其性质，无侧限抗压强度和CBR都有明显增加。作为垃圾填埋场的填充料，底渣通常与水泥混合使用。Singh和Kumar（2017）研究了垃圾焚烧灰渣稳定水泥作为轻质充填材料在不同基础设施（如路堤和道路路基）中的适用性。大量研究表明：垃圾焚烧灰渣可应用于各种民用建筑领域，如道路、路堤、混凝土和岩土工程等。尽管其使用潜力巨大，但垃圾焚烧灰渣的使用量很少，缺乏有效的监测数据。2020年的一项研究提出了一种选择最佳垃圾焚烧灰渣以获得理想路堤材料的多准则决策方法[12]，但由于来自不同焚烧炉的的垃圾焚烧灰渣的成分不同，分别确定其性质有着很大的难度。

6     结语

垃圾焚烧灰渣在土工材料中的应用，如道路底基层/路基和回填材料，具有良好的工程性能;不过，需考虑由于直接接触水而释放出来渗滤液引起的环境问题。垃圾焚烧灰渣可用于热拌沥青混合料，能够替代小于20%的天然骨料。尽管近年来实际应用的报道很少，但美国过去一个世纪的现场经验和短期/长期性能表明其具有一定的耐久性。但是，由于灰渣的高吸收特性，这种热拌沥青混合料需要添加更多沥青，使成本有所增加。因为垃圾焚烧灰渣有一定的水硬性，所以在水泥/混凝土中加入垃圾焚烧灰渣有很好的开发前，其制品不仅能显著减少有毒元素的释放，而且还能保证结构的完整性。从工程性能的观点来看，垃圾焚烧灰渣也可以作为水泥熟料、辅助胶凝材料和骨料替代的原材料。

为推进垃圾焚烧灰渣在实际的应用，建议制定标准化的质量控制规程，以及对来自不同来源的垃圾焚烧灰渣分进行深入的性质研究。

参考文献：

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[收稿日期]   2020-12-26

[作者簡介]   张宏洲（1981-），男，讲师，廊坊师范学院建筑工程学院，研究方向：环境岩土工程。