解毒飞灰资源化制备混凝土自保温砌块的试验研究

张磊蕾，王武祥，张旭，王爱军，廖礼平，石然

（1.中国建筑材料科学研究总院有限公司，北京 100024；2.中投咨询有限公司，北京 100035）

0 引言

垃圾焚烧飞灰（简称飞灰）是垃圾焚烧烟气净化系统中收集所得的残余物，它不仅富集大量的汞、镉、铅、锌等有毒重金属，而且也富集了大量的二噁英类物质，GB 18485—2014《生活垃圾焚烧污染控制标准》明确列为危险废弃物。现今各国对飞灰的处置方法主要采用水泥固化后的直接填埋，但是还有大约50%的飞灰没有得到妥善处置，况且这种固化填埋方式还要占用大量的土地资源，对土壤和地下水产生污染。

混凝土自保温砌块（简称自保温砌块）符合建筑业重点发展方向，是我国新型墙体砌筑材料的重点发展方向。若对飞灰解毒处理再用于制备自保温砌块，变废为宝，既缓解了飞灰对环境的压力，又对推进墙材革新与建筑节能工作产生积极作用，具有良好的经济、社会和环境效益。本文探讨了解毒飞灰资源化制备自保温砌块的可行性。

1 利用化学、物理发泡工艺制备解毒飞灰泡沫混凝土

泡沫混凝土中含有大量均匀分布的孔隙，因而表现出良好的物理力学性能，即轻质、保温隔热、耐火、隔声等。化学发泡工艺制备解毒飞灰泡沫混凝土即采用水泥、粉煤灰、解毒飞灰、复合改性剂、双氧水、水为原材料体系，其多孔结构通过浓度为27.5%的双氧水化学发泡形成。前期研究表明：掺加解毒飞灰后，由于解毒飞灰中含有过多的氯离子，浆体缓凝明显，硬化慢，发泡非常不稳定，易下沉甚至塌模，因此，采用化学发泡工艺制备泡沫混凝土的技术路线不可行。

物理发泡工艺制备解毒飞灰泡沫混凝土即采用水泥、粉煤灰、解毒飞灰、改性剂、水为原材料体系，其多孔结构通过泡沫剂物理发泡形成。前期研究表明：掺加解毒飞灰后，浆体缓凝明显，硬化慢，长达24 h才硬化，有沉降现象。显然，物理发泡工艺亦不适用于解毒飞灰泡沫混凝土的制备。

鉴于此，本文改变技术方案，通过掺加超轻集料玻化微珠来制备解毒飞灰轻质砂浆用作自保温砌块基材，玻化微珠起骨架支撑作用，可显著提高浆体稳定性。

2 掺加超轻集料玻化微珠制备解毒飞灰轻质砂浆

以普通硅酸盐水泥、解毒飞灰、粉煤灰、超轻集料（玻化微珠）、细砂、水为主要原料，添加复合改性剂，通过搅拌、浇筑成型制备的解毒飞灰轻质砂浆为水泥基轻质保温材料，其燃烧性能为A级。具有高耐火性、高保温隔热性、比强度高、不易碎裂、无毒无害、寿命长等特点。

2.1 原材料及试验方法

2.1.1 原材料

水泥：P·O42.5R水泥，唐山冀东水泥股份有限公司；玻化微珠：堆积密度为50～80 kg/m3；解毒飞灰：低温热解飞灰，浙江锦森再生资源开发有限公司；粉煤灰：Ⅲ级干排粉煤灰，北京石景山发电厂，用于改善材料浆体稠度和稳定性，提高后期强度；砂：粉细砂，细度为30～60目；专用外加剂：中国建筑材料科学研究总院有限公司研制，灰色粉末，型号为WWX-2012，含有增强、防水、引气、增黏和早强等组分，用于改善浆体黏度和结构稳定性、提高复合胶凝材料基体与玻化微珠间的粘结强度、改善材料保温性能、降低吸水率；减水剂：聚羧酸高效减水剂101A。

2.1.2 试样制备

先将水泥、活性混合材、解毒飞灰、砂和专用外加剂使用胶砂搅拌机干拌30 s，加水和减水剂后再搅拌120 s，最后加玻化微珠再搅拌30 s，制成轻质、粘稠状浆料，此时即可浇注成型试块。除玻化微珠采用体积计量外，其它材料均采用质量计量。成型24 h后脱模，自然养护28 d后进行性能测试。

2.1.3 性能测试

本研究主要测试28 d龄期时解毒飞灰轻质砂浆的干表观密度和抗压强度，试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，按GB/T 11969—2020《蒸压加气混凝土性能试验方法》进行测试。

2.2 试验结果与分析

2.2.1 解毒飞灰轻质砂浆的抗压强度目标

不同密度等级解毒飞灰轻质砂浆立方体试块抗压强度等级需达到A3.5（立方体抗压强度≥3.5 MPa）、A5.0（立方体抗压强度≥5.0 MPa）和A7.5（立方体抗压强度≥7.5 MPa）。干表观密度600级（≤630 kg/m3）、700级（≤730 kg/m3）和800级（≤830 kg/m3）的试块强度等级达到A3.5级；干表观密度800级（≤830 kg/m3）、900级（≤930 kg/m3）的试块强度等级达到A5.0级；干表观密度900级（≤930 kg/m3）、1000级（≤1030 kg/m3）的试块强度等级达到A7.5级。

2.2.2 密度等级为600～1000级的解毒飞灰轻质砂浆配合比优化设计

密度等级为600～1000级解毒飞灰配合比及性能测试结果见表1。

表1 不同密度等级飞灰轻质砂浆的配合比及性能测试结果

由表1可以发现，相同密度等级时，解毒飞灰轻质砂浆抗压强度随着水泥用量增加而大幅度提高。干表观密度600级的解毒飞灰轻质砂浆抗压强度偏低，低于A3.5级，不满足制备免烧砌块的要求。700～1000级解毒飞灰轻质砂浆可以达到试验目标。

3 解毒飞灰轻质砂浆制备自保温砌块

3.1 解毒飞灰轻质砂浆制备自保温砌块结构设计

针对解毒飞灰资源化制备以下2种类型的自保温砌块进行结构设计和性能研究：

（1）解毒飞灰实心自保温砌块：采用强度等级为A3.5级或A5.0级的解毒飞灰轻质砂浆为基材制成的、其所砌筑墙体具有自保温功能的实心砌块，见图1。（2）解毒飞灰复合自保温砌块：采用强度等级为A5.0级或A7.5级的解毒飞灰轻质砂浆为内外叶块基材、中间复合绝热材料，并通过拉结件将内外叶块和保温层组合为一体的复合自保温砌块，见图2。

图1 解毒飞灰实心自保温砌块

图2 解毒飞灰复合自保温砌块

3.2 解毒飞灰实心自保温砌块性能计算

利用700级、A3.5级解毒飞灰轻质砂浆，800级、A3.5级或A5.0级解毒飞灰轻质砂浆制备实心自保温砌块，砌块基本尺寸390 mm×260 mm×190 mm，根据文献[1]，实心自保温砌块强度计算结果见表2。可以发现，B07级、B08级实心自保温砌块强度等级可以达到MU3.5和MU5.0。

表2 解毒飞灰实心自保温砌块结构及强度计算结果

3.3 解毒飞灰复合自保温砌块性能计算

为进一步提高实心自保温砌块的热工性能，组合复合高效保温材料技术措施，即在其中充填干密度为30 kg/m3、导热系数为0.040 W/（m2·K）的高效保温层EPS/XPS板，可使复合自保温砌块的热工性能满足建筑节能75%的指标。复合自保温砌块基本尺寸为390mm×260 mm×190 mm，根据文献[1]，复合自保温砌块结构及强度计算结果见表3。

表3 解毒飞灰复合自保温砌块结构及强度计算结果

由表3可以发现，利用800级、A5.0级解毒飞灰轻质砂浆制备复合自保温砌块时，保温层厚度设置32.5、65.0 mm，砌块密度等级为700级和600级，强度等级为MU3.5；利用900级、A5.0级、A7.5级解毒飞灰轻质砂浆制备复合自保温砌块时，保温层厚度设置28.9、57.8、86.7 mm，砌块密度等级为800级、700级和600级，强度等级为MU3.5、MU5.0；利用1000级、A7.5级解毒飞灰轻质砂浆制备复合自保温砌块时，保温层厚度设置52.0、78.0、104.0 mm，砌块密度等级为800级、700级和600级，强度等级为MU3.5、MU5.0。

3.4 自保温砌块测试结果

表4为密度等级800级、强度等级MU3.5的实心自保温砌块和密度等级700级、强度等级MU3.5的复合自保温砌块的性能测试结果。

表4 自保温砌块的性能测试结果

由表4可知：（1）实心自保温砌块符合T/CUA 05—2021《中型混凝土自保温砌块》中密度等级800级、强度MU3.5级的要求。（2）复合自保温砌块符合T/CUA 05—2021中密度等级700级、强度MU3.5级的要求。

4 结论

（1）由于解毒飞灰中的氯离子导致浆体明显缓凝，浆体易沉降，无论采取化学发泡或是物理发泡工艺制备泡沫混凝土用作自保温砌块基材，技术路线均不可行。

（2）采用普通硅酸盐水泥、解毒飞灰、粉煤灰、超轻集料（玻化微珠）、粉细砂、水为主要原料，添加复合改性剂，通过搅拌、浇筑成型制备的解毒飞灰轻质砂浆可显著提高浆体稳定性，解毒飞灰轻质砂浆抗压强度随着水泥用量增加而大幅度提高。干表观密度700～1000级解毒飞灰轻质砂浆可以达到A3.5级、A5.0级和A7.5级的试验目标。

（3）解毒飞灰轻质砂浆可以用于制备自保温砌块的基材。利用700～800级、A3.5级或A5.0级解毒飞灰轻质砂浆可以制备强度等级MU3.5和MU5.0的实心自保温砌块。利用800～1000级、A5.0级或A7.5级解毒飞灰轻质砂浆可以制备800级、700级和600级，强度等级为MU3.5、MU5.0的复合自保温砌块。