基于正交分析建筑与生活垃圾混合再生骨料研究★

李海涛，李文博，刘兰君

(商丘工学院土木工程学院,河南 商丘 476000)

0 引言

生活垃圾一般指日常生活中产生的固体废物,主要有厨余、塑料、织物、金属、纸类等[1]。随着经济的高速发展,“生活垃圾围城”现象愈加明显,垃圾处理已成为全世界共同面对的难题。我国2021年发展改革委、住房城乡建设部发布《“十四五”城镇生活垃圾分类和处理设施发展规划》提出,按照生活垃圾“减量化、无害化、资源化”的原则,到2025年全国城市生活垃圾资源化利用率达到60%左右[2]。新乡长垣垃圾焚烧热电联产项目,位于河南省长垣市浦东区丹庙村以东,占地面积67 866.67 m2,总投资为4.5亿元,于2016年12月获得河南省发改委批准。该项工程分两期建设,其中第一期工程规划建设两条日处理能力为600 t的生活垃圾焚烧线和两台12 MW中温中压抽凝式汽轮发电机组。该项目利用生活垃圾焚烧过程中产生的热能行发电,所发电力就近送入电网。该项目建成投产后日处理垃圾总规模为2 400 t,其经济效益、环境效益和社会效益较为显著。在焚烧生活垃圾发电过程中产生了大量的炉渣和飞灰,简称灰渣。据统计,日处理量在500 t的垃圾焚烧厂为例,质量减少率为70%,每天将排放150 t灰渣。在GWKB 3—2000生活垃圾焚烧污染控制标准中规定:“垃圾焚烧炉渣与除尘设备收集的焚烧飞灰应分别收集、储存和运输;垃圾焚烧炉渣按照一般固体废弃物处理,焚烧飞灰应按危险废弃物处理”。在我国现行标准下,炉渣属于无毒无害的固体废弃物[3-5]。

与此同时,随着城市更新换代、旧城区改造项目的开展,产生了大量的建筑垃圾,有文献显示,近年,我国每年建筑垃圾产量高达20亿t[6-7]。如何将生活垃圾焚烧炉渣和建筑垃圾资源化利用成了学者们争相研究的课题。试验基于正交试验设计方法,通过方差分析,研究在建筑垃圾、生活垃圾焚烧炉渣协同下,再生混凝土力学性能,为建筑垃圾和生活垃圾混合再生骨料推广应用提供理论依据。

1 原材料

1)生活垃圾焚烧炉渣。为响应国家政策,充分利用生活垃圾焚烧炉渣,长垣桂能环保科技有限公司立足新乡市长垣市,以服务地方经济为根本目标,长期致力于生活垃圾焚烧灰渣研究,试图从灰渣中分离炉渣集料用于建设工程代替天然集料。最终形成了一套成熟的加工流程,其主要步骤见图1。

为检测其质量,按照GB/T 25032—2010生活垃圾焚烧炉渣集料要求,做了颗粒直径、含杂量(铁含量、金属物、轻漂物)、含水率、简压强度四个方面的检测,均符合要求[8-10]。

2)建筑垃圾采用商丘市文友制品有限公司生产的建筑垃圾再生骨料,水泥采用新乡市卫辉生产的32.5级粉煤灰硅酸盐水泥,元明粉、明矾、蓝矾等外加剂从建材市场购买[11]。

2 正交试验方案

试验考察建筑垃圾再生骨料和生活垃圾焚烧炉渣再生骨料协同作用、外加剂掺量、生活垃圾沉淀淤泥掺量等对再生混凝土力学性能的影响,设置建筑垃圾和生活垃圾焚烧炉渣混合比例、混合再生骨料掺量(等体积取代天然集料)、外加剂掺量(取代水泥)、生活垃圾沉淀淤泥(取代水泥)掺量4个因素,每个因素设置4个水平。具体见表1。

表1 正交试验中各因素的水平取值

根据GB/T 50081—2019混凝土物理力学性能试验方法标准的规定,进行混凝土搅拌、成型、养护28 d检测抗压强度[12-13]。

1)最佳配合比。各组配合比及试验结果见表2。通过试验结果和正交试验分析结果可以看出,最有利组合是4311,也就是建筑垃圾再生骨料和生活垃圾焚烧炉渣再生骨料组成比例为1∶1,混合再生骨料掺量为90%,外加剂掺量为2%,生活垃圾沉淀淤泥掺量为5%。该组没有出现在试验所列的16组合里[14]。

2)极差分析。为分析建筑垃圾和生活垃圾焚烧炉渣混合比例、混合再生骨料掺量(等体积取代天然集料)、外加剂掺量(取代水泥)、生活垃圾沉淀淤泥(取代水泥)掺量4个因素,对强度影响的显著性,试验对极差进行了分析。极差分析法又称直观分析法,可以直观的衡量各因素对试验结果影响的显著程度,具有计算简单、直观形象、计算简单、直观形象、简单易懂等优点,是正交试验结果分析最常用的方法[15-16]。

由表2计算结果可以看出,在试验考察的4个因素里,影响显著程度分别为:混合再生骨料掺量>外加剂掺量>生活垃圾沉淀淤泥掺量>建筑垃圾和生活垃圾焚烧炉渣混合比例。

在实际工程中,会出现建筑垃圾和生活垃圾焚烧炉渣存量差别很大的情况,由极差分析可以知道,由于建筑垃圾和生活垃圾焚烧炉渣比例在4个因素里显著性最低,因此,可以根据两种再生骨料的存量进行掺配。

表2 正交实验配合比及试验结果

为详细考察建筑垃圾和生活垃圾混合比例对再生混凝土强度的影响,进行了混合再生骨料比例单因素试验。

3 建筑垃圾和生活垃圾混合比例对再生混凝土强度的影响

在正交试验中找出的最有利组合的基础上,改变混合再生骨料比例,混合再生骨料掺量为90%,外加剂掺量为2%,生活垃圾沉淀淤泥掺量为5%,水泥采用32.5级矿渣硅酸盐水泥,建筑垃圾和生活垃圾混合比例分别取5∶3,4∶3,1∶1,3∶4,3∶5。按照GB/T 50081—2019混凝土物理力学性能试验方法标准的规定,进行混凝土拌合、成型、养护,分别检测3 d和28 d的抗压强度。具体配合比见表3。

表3 不同再生混合料比例强度

由试验结果可知,随着生活垃圾焚烧炉渣占比的提高,再生混凝土强度先增大后减小,在3∶4时达到最大,其次是1∶1,两组试验结果接近。本研究认为,生活垃圾成分复杂,经过高温焚烧,含有潜活性物质,在一定程度上能提高再生混凝土强度。

在单独考察混合再生骨料的比例时,3∶4组合强度最高,1∶1组合次之,在正交试验中,考察4种因素耦合作用,结论是1∶1最优,3∶4次之,单因素和多因素耦合作用分析结果接近。

4 实际工程项目应用

在上述理论依据支持下,商丘市文友制品有限公司利用4311组合,配置再生细石混凝土,28 d抗压强度为34.5 MPa,此再生混凝土作为建业地产某项目地下车库的地面层材料,以替代传统的水泥砂浆,在建业地产某项目中作为园林景观中的路面和石材材料。此外,文友制品有限公司利用此再生混凝土加工出再生混凝土砌块和透水砖,分别在建业地产(虞城)、碧桂园公司、正商集团、商丘兴华家园等多个建筑项目中应用,再生混凝土砌块用于门窗口、阳台、栏杆、楼梯扶手(剪刀梯、防火墙)固定膨胀螺丝位置,或做园林景观透水砖、装饰仿大理石砖、二次结构加气块顶部斜插砖。

经过市场调研,天然骨料108元/t(含运费),建筑垃圾、生活垃圾焚烧炉渣混合再生骨料45元/t(含运费),根据掺配比例不同,再生混凝土可节约成本25元/m3～45元/m3。

5 结论

试验以服务地方经济、改善地方环境条件为目的,遵循就地取材原则,将长垣桂能环保科技有限公司生产的生活垃圾焚烧炉渣、商丘文友制品有限公司生产加工的建筑垃圾按照不同比例混合成再生骨料,考察了混合再生骨料比例、掺量、外加剂掺量、生活垃圾沉淀淤泥对混凝土力学性能的影响。为找出最佳配合比,试验采用正交试验设计方法,对极差进行分析,得出如下结论:

1)最有利组合是4311,也就是建筑垃圾再生骨料和生活垃圾焚烧炉渣再生骨料组成比例为1∶1,混合再生骨料掺量为90%,外加剂掺量为2%,生活垃圾沉淀淤泥掺量为5%。

2)通过极差分析得出,影响显著程度分别为:混合再生骨料掺量>外加剂掺量>生活垃圾沉淀淤泥掺量>建筑垃圾和生活垃圾焚烧炉渣混合比例。

3)在单因素分析中,随着生活垃圾焚烧炉渣占比的提高,再生混凝土强度先增大后减小,在3∶4时达到最大,其次是1∶1,两组结果接近。本研究认为,生活垃圾成分复杂,经过高温焚烧,含有潜活性物质。在正交试验中,考察4种因素耦合作用,结论是1∶1最优,3∶4次之。单因素和多因素耦合作用分析结果接近。