生活垃圾焚烧炉底渣对干硬性混凝土力学性能及干燥收缩影响研究

章志，陈宁，王娟，董庆广，曹黎颖

（1.上海市市政规划设计研究院有限公司，上海 200031；2.上海市建筑科学研究院有限公司，上海 200032；3.上海宝钢新型建材科技有限公司，上海 200199；4.上海城市路域生态工程技术研究中心，上海 201418）

0 引言

近年来，随着人们生活水平的提高，城市生活垃圾产生量大幅增加。2019年全国城市生活垃圾产生量为3.43亿t，比2018年增长6.2%。目前国内对城市生活垃圾主要的处理方式还是填埋，但是此种处理方式占用大量的土地资源；生活垃圾焚烧处理可有效减少垃圾体量（70%～80%）[1]，相比传统的填埋处理方式有巨大的优越性。此外，城市生活垃圾焚烧处理过程中也会产生一定的热能，再加上各级地方政府陆续出台垃圾焚烧中长期规划[2]，因此全国范围内出现大量的垃圾焚烧厂或垃圾焚烧发电厂。城市生活垃圾焚烧发电过程中虽然能够使得其达到减量化、无害化的目的，但是其焚烧后仍然会有20%～30%的质量以灰渣（飞灰和底渣）的形式留存[1]。有文献指出，2019年全国共焚烧处理生活垃圾5932万t，产生了520万～780万t焚烧炉底渣以及13万t飞灰[3]。飞灰是危险废物，必须按照规定进行管理和处置；但是燃烧充分的炉渣产品属于一般固体废弃物，其物理、力学性能等工程性质与天然的轻质骨料类似，说明其资源化利用具有一定的可行性[4-6]。

关于炉底渣的组成、成分的研究国内外已有很多报道。由于地理位置的不同，其组成、成分有一定的差异。但是大体上主要是一些熔渣、陶瓷或玻璃碎片、黑色或有色金属、未燃尽的有机物以及一些不可燃物等组成[1，5-6]。主要晶体组成为石英（SiO2）、方解石（CaCO3），部分地区还含有Ca（OH）2和CaSO4[5-6]。城市炉底渣主要应用于道路工程中的路基路面[7-8]、水泥混凝土掺合料[8-9]等方面。炉底渣用于墙体材料主要是将其作为天然骨料的替代品，胡艳丽等[10]通过实验确定底渣与水泥用量的比值控制在2.5左右时，抗压强度能够达到39.81 MPa，但是其比值超过2.5后强度急剧降低；且由于底渣为蜂窝状颗粒，随着底渣与水泥用量比值的增大，其导热系数逐渐减小。杨媛等[11]利用硅酸钠等碱激活剂、水泥、炉底渣等材料，制备出强度可达到20.56 MPa的免烧砖。炉底渣在预拌砂浆中也有类似应用，贾春林等[12]通过实验确定灰渣掺量控制在25%以内时，随其掺量的增加，砂浆的流动度、泌水度和密度逐渐减小，尺寸变化率逐渐增大，抗折和抗压强度先提高后降低。以上研究表明，通过合理的控制炉底渣掺量及性能调节，炉底渣在建材领域一定程度上能够实现资源化利用。

干硬性混凝土由于其配合比以及独特的成型方式，能以较低的成本使水泥基材料达到较高的强度。在成型时干硬性混凝土拌合物具有极低的坍落度且成型过程中需要强力振捣，而以往的研究主要集中在砂浆或水泥掺合料等具有较大流动度的产品上，成型工艺相对简单，对干硬性混凝土参考意义不大。因此，将炉底渣用于干硬性混凝土时需要经过严格的实验验证。本文采用强力挤压成型方式，研究炉底渣对干硬性混凝土力学性能及干燥收缩的影响，并通过SEM和EDS分析了这种影响的内在机理。

1 实验

1.1 原材料

水泥：万安P·O42.5；炉底渣：上海市某环保材料有限公司提供；石屑：常规矿山石屑；水：自来水。水泥的物理力学性能见表1；石屑和炉底渣的颗粒级配见图1，物理性能见表2；水泥、石屑和炉底渣的主要化学成分见表3。

表1 水泥的物理力学性能

图1 石屑和炉底渣的颗粒级配曲线

表2 石屑和炉底渣的物理性能

表3 石屑、炉底渣和水泥的主要化学成分 %

由图1、表2和表3可见，炉底渣与石屑的颗粒级配曲线比较接近，二者细度模数均为3.4。由于炉底渣中含有有机物的焚烧灰烬以及未燃尽的煤渣等密度较小的颗粒，其密度小于天然石屑。同时，炉底渣和石屑的主要化学成分均为SiO2、CaO、Al2O3，均属于硅质材料，化学成分比较接近。

1.2 实验方法

1.2.1 试块制备

原材料均在实验室环境（温度20℃、相对湿度60%）中放置1d后进行实验。干硬性混凝土基准配合比（kg/m3）为：m（水泥）∶m（石屑）∶m（水）=290∶1826∶195，采用炉底渣等质量取代石屑。

按配合比称量好物料，将干物料（炉底渣、石屑和水泥）倒入搅拌锅慢速搅拌30 s，再加入称量好的水，先慢速搅拌2 min，再快速搅拌2 min。搅拌完成后，称量一定质量的物料分3次倒入涂过油的模具中，每次放入后用捣棒捣实，放入全部物料后盖上模具的盖子，加压至10 MPa（对应荷载为20 kN），待模具上下2块底板与圆柱形模具平齐后缓慢卸载。最后在脱模机上脱模。将所有的试块放入托盘中，盖上塑料纸（防止养护期间淋水）放入混凝土标准养护室内养护至加载龄期。实验用模具如图2所示，试块尺寸为Φ50 mm×50mm。

图2 实验用模具示意

1.2.2 用水量

按上述过程拌合，调节干硬性混凝土的用水量，使维勃稠度控制在39～31 s，研究不同炉底渣取代率对干硬性混凝土用水量的影响。维勃稠度参照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行测试。

1.2.3 抗压强度

抗压强度参照GB/T 50081—2019《混凝土力学性能试验方法标准》进行测试，采用TYE-300型万能压力机进行加载，加载速度为0.5 kN/min，每组3个试块，取平均值。

1.2.4 干燥收缩

干燥收缩实验参考GB/T 4111—2013《混凝土砌块和砖试验方法》进行，每组3个试块，取平均值。

1.2.5 微观分析

抗压实验测试之后，分别在炉底渣取代率为0、30%的圆柱体试块上切取小块试块，放入无水乙醇中终止水化3d，然后放入65℃烘箱中烘干，切割成豆粒大小备用，利用SEM观察其微观形貌，并利用EDS分析其元素组成。

2 实验结果与分析

2.1 炉底渣取代率对干硬性混凝土用水量的影响

（见表4）

表4 炉底渣取代率对干硬性混凝土用水量的影响

由表4可知，控制维勃稠度为39～31 s时，用水量随着炉底渣取代率的增加而逐渐增多。炉底渣取代率小于30%时，炉底渣对干硬性混凝土拌合物的用水量影响较小。不掺炉底渣的空白组用水量为174 kg/m3；炉底渣取代率为20%和30%时用水量基本与空白组相当；当炉底渣取代率超过30%时，用水量增幅变大，炉底渣取代率为40%和50%时用水量较空白组分别增大8.0%和17.8%。

主要归因于炉底渣中含有未燃尽煤炭等疏松多孔颗粒以及较多的粉末状颗粒等吸水率较高或比表面积较大颗粒，导致干硬性混凝土达到一定维勃稠度时的需水量增加。另外，由于炉底渣的堆积密度小于石屑，因此炉底渣等质量替代石屑时实际上使用的细集料体积越来越大，导致拌合过程中需要更多的水来浸润物料表面。将炉底渣取代率控制在0～30%时，干硬性混凝土用水量的增幅可以控制在一定范围内（2%以下）。

2.2 炉底渣取代率对干硬性混凝土抗压强度的影响

炉底渣取代率对干硬性混凝土7 d、28 d抗压强度的影响见表5。

表5 炉底渣取代率对干硬性混凝土抗压强度的影响

由表5可见，随着炉底渣取代率的增加，干硬性混凝土的7 d、28 d抗压强度均先降低后提高。炉底渣取代率低于30%时，虽然炉底渣对干硬性混凝土用水量的影响不大，但是相比于石屑，炉底渣中不仅含有碎玻璃、陶瓷等性质良好颗粒，同时含有未燃尽的有机物、熔渣等工程性质较差的颗粒，所以随着炉底渣掺量的增加，干硬性混凝土的抗压强度降低。取代率超过30%之后，炉底渣使干硬性混凝土的需水量急剧上升，控制用水量不变的情况下，干硬性混凝土中用于水泥水化的水减少（即实际上水灰比降低），从而导致干硬性混凝土的抗压强度有小幅度的提高，但仍低于空白组。炉底渣取代率为30%时，干硬性混凝土的7 d、28 d抗压强度较空白组分别降低了21.6%和22.1%；当取代率为40%时，7 d、28 d抗压强度较空白组只分别降低了10.8%、14.1%。由于实际应用时必须考虑干硬性混凝土的工作性能，所以随着炉底渣取代率的增加，必然导致用水量增加，从而导致水灰比也相应的有较大幅度的增加。干硬性混凝土中水泥的用量有限，水灰比增大对干硬性混凝土的强度有很大的影响。因此，干硬性混凝土中炉底渣取代石屑的取代率宜控制在30%以下。

为研究炉底渣对干硬性混凝土长龄期抗压强度的影响，选取炉底渣取代率为30%试件进行长龄期抗压强度测试，并与空白组进行对比，结果见表6。

表6 炉底渣干硬性混凝土长龄期抗压强度

由表6可见，炉底渣取代率为30%的干硬性混凝土抗压强度随龄期的发展趋势与空白组相似，只是掺加炉底渣使干硬性混凝土的早期和晚期抗压强度都变低。炉底渣取代率为30%的干硬性混凝土7、28、56、200 d抗压强度较空白组分别降低了21.6%、22.1%、24.0%、19.3%。相比于空白组，炉底渣取代率为30%的干硬性混凝土短期强度（28 d之前）发展较慢，7～28d的强度平均增长速度为0.25MPa/d，小于空白组的0.30 MPa/d。另一方面，炉底渣取代率为30%的干硬性混凝土56～200d之间的强度增长（强度平均增长速度为0.014MPa/d）要快于空白组（强度平均增长速度为0.006MPa/d）。这主要是因为炉底渣具有较高的吸水率，使掺30%炉底渣的干硬性混凝土中参与水泥水化反应的水比不掺炉底渣的对照组少，这限制了炉底渣干硬性混凝土中水泥的水化速度；随着养护龄期的延长，对照组中水泥的水化程度比炉底渣干硬性混凝土中的水泥水化程度高，外部水分进入水泥颗粒未反应的核心时需要穿越的C-S-H凝胶层更厚，且水泥颗粒未反应的核心的表面积更小，使空白组干硬性混凝土后期的强度增长慢于炉底渣干硬性混凝土。

2.3 炉底渣对干硬性混凝土干燥收缩的影响（见表7）

表7 炉底渣对干硬性混凝土干燥收缩的影响

由表7可知，炉底渣取代率为30%的干硬性混凝土的干燥收缩值均比空白组小，7、14、28d龄期时，炉底渣取代率为30%的干硬性混凝土干燥收缩值较空白组分别减小了2.24%、8.73%、9.04%。随着龄期的延长，干燥收缩值减小的幅度越来越大。

炉底渣中含有玻璃等非晶质SiO2，具有较高的吸水率，使得炉底渣取代率为30%的试块平衡含水率高于空白组。此外，由于其具有较高的湿度，使得试块中具有发生类似于碱-集料反应的化学环境。因此，失水较慢和类似于碱-集料反应的膨胀性反应使得炉底渣取代率为30%的试块干燥收缩值小于空白组。

2.4 微观机理分析

空白组及炉底渣取代率为30%的干硬性混凝土的SEM照片见图3。

由于石屑的主要成分为天然岩石，水泥掺量较低时即使骨料存在一定的碱活性，也难以发生危害性的碱-骨料反应。所以不掺炉底渣的试块中水泥能够在正常的碱性环境中水化，由图3可见，空白组中含有较多的钙矾石和水化硅酸钙等水泥水化产物；而炉底渣取代率为30%的干硬性混凝土中含有类似于碱-硅酸反应产物的花瓣状碱-硅凝胶，其具有一定的吸水膨胀性，而且其反应过程可能使得集料表面产生一些微裂缝。进一步解释了掺30%炉底渣使干硬性混凝土抗压强度和干燥收缩值减小的现象。

图3 干硬性混凝土的SEM照片

利用EDS能谱分析花瓣状凝胶元素组成，如表8所示。

表8 花瓣状碱-硅凝胶元素含量 %

由表8可见，花瓣状凝胶化学成分组成比较复杂，由O、Si、Ca、C、Na、及Al组成。虽然它与一般的碱-集料反应产物形貌相似，但是其化学组成有所差别。这可能是因为炉底渣化学成分相对复杂，其产生花瓣状凝胶时反应产物中同时夹杂炉底渣中本身含有的物质，如晶相的碳酸钙或焚烧渣中参与的碳元素。根据表8中各元素比例，其主要成分可能是水泥熟料C2S、C3S水化反应产生的C-S-H凝胶、碱-硅酸反应生成的碱-硅凝胶（Si—ONa）及炉底渣中残留的煤炭；其中的铝元素可能来自于水泥熟料C3A的水化产物，但是凝胶中并未观察到C3A典型的六方板状晶体，可能是因为花瓣状凝胶对C3A水化产物的吸附作用比较强，导致其无法结晶生成六方板状晶体。

3 结论

（1）炉底渣的部分工程性质以及化学组成与天然石屑类似，作为干硬性混凝土细集料具有一定可行性。

（2）随着炉底渣取代率的增加，干硬性混凝土达到一定的工作状态时的需水量逐渐增加。炉底渣取代率超过30%时，干硬性混凝土的需水量急剧上升。

（3）在水固比保持不变时，干硬性混凝土的抗压强度随着炉底渣取代率的增加先降低后提高，炉底渣取代率为30%的干硬性混凝土28 d抗压强度最低。考虑到炉底渣取代率超过30%时用水量显著增加，所以取代率控制在30%以内。

（4）7、14、28 d龄期时，炉底渣取代率为30%的干硬性混凝土干燥收缩值较空白组分别减小了2.24%、8.73%、9.04%。随着龄期的延长，干燥收缩值减小的幅度越来越大。

（5）掺炉底渣的试块中含有类似于碱-集料反应的膨胀性反应，导致干硬性混凝土抗压强度和干燥收缩值比空白组小。试块中生成了类似于碱-骨料反应的花瓣状碱-硅凝胶，而空白组中更多的是水泥水化的钙矾石和水化硅酸钙。