李文娟,华先乐,李良伟,赵而法,侯东帅
(青岛理工大学土木工程学院,青岛 266033)
随着城市化进程的加快,人口不断增加,城市生活垃圾量也随之增加。截止2019年,垃圾清运量达到24 206.2万t[1-3],并且垃圾产量仍以每年8%~10%的增长率增加。我国处理城市生活垃圾的技术手段主要有堆肥法、填埋法和焚烧法,焚烧法在我国的应用最为广泛。生活垃圾经过焚烧处理后产生的固体残渣大约占垃圾质量的30%~35%,其中飞灰约占固体残渣的17%,底渣大约占83%[4]。城市生活垃圾焚烧飞灰(municipal solid waste incineration fly ash,MSWI-FA)主要包含化学药剂、烟灰和化学反应产物,其物化性质随焚烧厂烟气净化系统类型的不同而有所差异[5]。城市生活垃圾焚烧技术能够减少约90%的垃圾体积,从而降低填埋垃圾所用的空间[6]。然而,MSWI-FA中含有重金属离子,若直接进行填埋处理,会对填埋场周围的环境造成危害[7]。
邓芳等人[8]研究了掺加MSWI-FA对普通混凝土的影响,但是目前MSWI-FA对超高性能混凝土(ultra high performance concrete,UHPC)的影响研究仍未得到关注。UHPC是一种新型建筑水泥基复合材料[9],其具有超高的强度和优异的耐久性[10,11],因此在工程界有广泛的应用前景。UHPC通常以水泥、粉煤灰、硅灰和细骨料作为原材料进行配制而成[12]。Park等人[13]研究发现在UHPC中掺加平直钢纤维可以显著提高其抗压强度。此外,相较于普通混凝土,UHPC拥有致密的微结构和极低的渗透性,因此对MSWI-FA中重金属离子的固化能力较强。综上所述,UHPC对解决MSWI-FA中重金属浸出问题比普通混凝土更具优势[14,15]。研究MSWI-FA在UHPC中的应用有利于缓解城市环境污染问题。
该研究对不同硅灰掺量下飞灰UHPC的性能进行研究。通过对力学性能、微观结构和重金属浸出浓度进行测试分析,探究硅灰对飞灰UHPC的作用机制。
1)水泥:取自江南小野田公司的PⅡ52.5普通硅酸盐水泥,其主要化学成分如表1所示。
2)MSWI-FA:取自南京环境再生能源有限公司的焚烧飞灰。
3)粉煤灰:取自深圳道特科技有限公司的超细粉煤灰。
4)硅灰:取自埃肯国际贸易(上海)有限公司的95级硅灰,其主要化学成分如表1所示。
表1 水泥和硅灰的化学组成 w/%
5)钢纤维:取自上海真强纤维有限公司的高强微细钢纤维,其长径比为65,直径为0.2 mm,长度为13 mm,抗拉强度约为3 000 MPa。
6)减水剂:取自西卡(江苏)建筑材料有限公司的聚羧酸减水剂,其减水率为30%,固含量为40%。
7)细集料:取自细度模数为2.6的天然河砂。
8)水:取自南京市本地自来水。
表2为UHPC的配合比,在保持MSWI-FA掺量占胶凝材料10%不变的条件下,分别以0、12.5%和25%的硅灰等质量取代水泥,将试样分别命名为M1、M2和M3。其中,UHPC试块的养护制度是在90 ℃条件下蒸汽养护3 d,然后再进行标准养护3 d。UHPC试块的制备步骤首先是将PⅡ52.5 水泥、粉煤灰、MSWI-FA、硅灰和河砂干拌混合均匀。其次,将减水剂缓慢加入自来水中,顺时针搅拌得到均匀的水溶液。最后,将制备好的水溶液缓慢加入到混合好的干料中。其中,将水溶液加入混合料时,调节旋转式混合搅拌机的工作参数进行混合,转速为140 r/min下搅拌30 s,再在转速为285 r/min下搅拌60 s;将速度调至转速140 r/min,缓慢加入钢纤维,再搅拌60 s。混合均匀后装模,模具尺寸为40 mm×40 mm×160 mm。
表2 UHPC的配合比 /(kg·m-3)
依据《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》(GB/T17671—1999)测试UHPC的抗压强度和抗折强度。采用SEM表征MSWI-FA和UHPC的微观形貌。分别采用X射线衍射分析(XRD)和X射线荧光分析(XRF)表征MSWI-FA的化学性质。采用压汞试验(MIP)测试UHPC的孔隙结构。根据《固体废物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法》(HJ/T 299—2007)测试UHPC中重金属离子的浸出情况,并用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)对滤液进行分析。
表3为MSWI-FA的主要化学成分,表4为MSWI-FA中的重金属含量。从表3中可以看出MSWI-FA的主要化学成分同水泥的主要化学成分(如表1所示)接近,均含有Fe2O3、Al2O3、CaO和SiO2,这表明MSWI-FA的化学成分与粉煤灰等胶凝材料接近。通过鲁刘磊[16]等人的研究发现MSWI-FA的烧失量较高,说明MSWI-FA中含有部分未燃尽的有机物和大量挥发性物质存在。
表3 MSWI-FA的化学成分 w/%
从表4可以看出,MSWI-FA中的重金属含量有所不同,其中Cr、Zn、 Pb、 Cu和Cd等有害重金属离子含量占比最大。当金属物质的蒸发点比焚烧温度低时,重金属物质能够蒸发进入烟气,这也与焚烧的温度有一定关系。烟气中的金属物质,随烟气温度的降低凝结成均匀的小颗粒并凝结于烟气中的烟尘上,最后被烟气除尘设备捕集形成焚烧飞灰[8]。
表4 MSWI-FA中的重金属含量 /(mg·kg-1)
MSWI-FA的XRD结果如图1所示,MSWI-FA的主要晶相为SiO2、CaCO3和CaSO4。如表1所示,硅灰的主要矿物组成为SiO2,其为制备UHPC提供了活性SiO2,其与胶凝材料能够生成水化硅酸钙(C-S-H)凝胶。
MSWI-FA的SEM如图2所示,MSWI-FA表面凹凸不平,颗粒较小,大多呈不规则形状。此外,MSWI-FA的孔隙率较高,因此其比表面积较大。
图3为MSWI-FA对UHPC力学性能的影响。对比硅灰掺量对于UHPC的影响可以发现MSWI-FA与胶凝材料结合能进一步提高UHPC的抗压强度。并且,随着硅灰掺量的增加,M1、M2和M3试块的抗压强度也随之增加,这说明掺加硅灰可以进一步提高UHPC的抗压强度。此外,胶凝材料中的粉煤灰也起到了一定的作用,粉煤灰可以使微结构更加密实,并填充孔隙。在MSWI-FA掺量为10%不变的情况下,掺硅灰的量为25%时,UHPC抗压强度是最高的,其中最高强度可达138.2 MPa。由图3(b)可知,试件M2和M3的抗压强度均高于M1。掺加10%的MSWI-FA可起到成核作用,促进水泥水化产物在早期快速生成,因而抗压强度增大[17]。同时,在UHPC中硅灰提供的活性SiO2与MSWI-FA反应生成水化产物,提高UHPC的抗压强度。因此,在UHPC中掺加MSWI-FA是可行的。随着硅灰掺量的增加,UHPC的抗压强度均有明显提高。
图4为UHPC的SEM图像。随着硅灰掺量的增加,UHPC的微结构变得更加密实。硅灰中的活性SiO2能够增加水化产物的含量,并且增加C-S-H凝胶的密实程度。由图4(a)可以发现,UHPC的微结构中孔隙较多,且尺寸较大。而对于图4(b)而言,其微结构变得更加密实,孔隙率降低,孔径变小。由此可见,向UHPC中掺加硅灰有益于提升其微结构的密实程度。
图5和图6为M1、M2和M3样品孔径分布和累积孔径分布曲线图。其中,M1、M2和M3的孔隙率分别为19.63%、15.14%和8.34%。在保持飞灰掺量为10%不变的条件下,掺加12.5%和25%的硅灰有利于降低UHPC的孔隙率。图5可以看出M1和M2有明显的峰值,M3无明显峰值。未掺硅灰UHPC的孔径主要集中分布在10 nm以下。图6为M1、M2和M3的累积孔径分布曲线,其中M1、M2和M3的孔体积分别为0.102 6 mL/g、0.081 8 mL/g和0.064 0 mL/g,这说明掺加硅灰能够降低飞灰UHPC的孔隙率。
MSWI-FA的重金属浸出试验结果如表5所示,MSWI-FA的浸出液中Zn、Pb、Cd和Cr的重金属浓度均高于固废浸出毒性鉴别标准[18]。因此必须对MSWI-FA进行固化处理。通常,溶于水的重金属为可溶性盐,如卤化盐和硫酸盐。而对于MSWI-FA而言,其所含的重金属常以难溶金属化合物的形式存在。以Zn为例,MSWI-FA中重金属存在形式是ZnO和Zn(OH)2等难溶化合物,而ZnSO4、ZnCl2等可溶性化合物已溶于水中[17]。因此,向飞灰UHPC中掺加硅灰能够有效降低其重金属浸出浓度。例如,在MSWI-FA中Zn的浓度为3 979.77 mg/kg,而M3试块中Zn的浸出液浓度仅为57.35 mg/kg。据此判断出UHPC对MSWI-FA中的重金属浸出有显著的固化效果。
表5 飞灰UHPC的重金属浸出含量
a.MSWI-FA的主要成分是Fe2O3、Al2O3、CaO、SiO2,这反映了MSWI-FA的成分与粉煤灰等胶凝材料接近,因此可以将其用于制备UHPC。
b.随着硅灰掺量的增加,飞灰UHPC的力学性能也随之增加。
c.UHPC对MSWI-FA中的重金属离子的固化稳定效果较好,可以将重金属离子固化在UHPC的水化产物中,因此MSWI-FA能够应用于绿色建材行业。