生活垃圾焚烧灰渣的固化强度试验

王乐波

（景德镇市生态环境科学研究与规划所，江西 景德镇 333100）

目前，焚烧法已成为生活垃圾的一种重要处理手段[1]。然而，生活垃圾焚烧过程会产生大量灰渣，灰渣处理问题亟待解决[2]。由于生成过程特殊，生活垃圾焚烧灰渣具有独特的物理和化学性质[3]。目前，生活垃圾焚烧灰渣的研究主要集中在化学成分、矿物组成、重金属含量等方面，而较少关注其力学性质[4]。因此，本文制备生活垃圾焚烧灰渣试块，开展固化强度试验，揭示其力学特性，从而推进生活垃圾焚烧灰渣的资源化利用。

1 试验准备

1.1 试验材料

焚烧灰渣是一种复杂的固体废弃物，其成分和性质受到生活垃圾的种类、焚烧工艺和焚烧条件等因素的影响[5]。本研究选用某垃圾焚烧发电厂的生活垃圾焚烧灰渣作为试验材料，确保灰渣样品不受外界环境的污染和干扰。根据《土工试验方法标准》（GB/T 50123—2019），设定底渣与飞灰的相关指标[6-8]，其含水率分别为1.83%和2.35%，饱和度分别为6.04%和5.42%，颗粒比重分别为2.48 和2.73，塑性指数分别为16.94 和22.41，塑限分别为5.65%和7.82%，液限分别为22.58%和30.21%，孔隙比分别为0.75 和1.18。

生活垃圾焚烧灰渣包括底渣和飞灰。在灰渣样品中，底渣的颗粒直径主要集中在3～420 μm，其分布曲率系数约为1.27，显示出良好的颗粒级配。相比之下，飞灰的颗粒直径则主要集中在4～250 μm，其分布曲率系数约为0.95，显示出不良的颗粒级配。

1.2 试验仪器

生活垃圾焚烧灰渣的固化强度试验需要合理选用仪器，如表1所示。在仪器投入使用前，要做好检查和校验，确保其使用性能，为后续试验奠定良好基础。

表1 试验仪器

2 试块制备和强度测定

本次试验主要通过6 步制备生活垃圾焚烧灰渣试块。一是破碎。将灰渣样品进行破碎，使其颗粒直径符合要求。二是研磨。将破碎后的灰渣样品进行研磨，使其更加均匀细致。三是筛分。将研磨后的灰渣样品进行筛分，去除其中的大颗粒和杂质。四是配料。根据试验要求，将筛分后的灰渣样品与适量的水混合，制备成所需的灰渣试样。五是成型。将配料后的灰渣试样放入模具中，通过振动台的作用，振动成型。六是养护。将成型后的灰渣试块放置在养护箱内进行养护，使其达到所需的强度和其他性能指标要求[9-12]。如图1所示，采用微生物注浆装置对容器内的灰渣试块进行生物注浆处理，去除试块内部的空气。

图1 灰渣试块微生物注浆装置

合理设置注浆管，使其一端与出浆管相连，另一端则针对灰渣试块进行生物注浆。在制备好的试块注水饱和后，在试块内注入2 倍空隙体积的去离子水，随后立即封闭注浆口，静置24 h。以1 mL/min 的注浆速度注入1.2 倍空隙体积的稀释菌液与8.5 mL 的去离子水，形成试样菌液与胶结溶液的隔离层，避免二者直接接触产生CaCO3。利用酒精灯烤过的刀具，缓慢划开注射器模具的外壁，小心取出焚烧灰渣试块。利用显微镜与X 射线衍射仪，观察试块表面光滑程度、灰渣的矿物组成和晶体结构，初步判断试块的固化强度。测定单位质量试块中碳酸钙含量，结合试块的固化强度初步判断结果，对比试块上层、中层、下层碳酸钙的含量，即可得出灰渣试块最终的均匀性强度。

下面分析测定方法。在105.5 ℃的烘箱中放入洗净的烧杯，烘干烧杯后，依次编号，实时记录原始烧杯质量。将试块的三部分（上部、中部、下部）分别研磨并捣碎，再按照顺序放入上述已编号的烧杯中，将其放入烘箱烘干。利用天平称取烘干后的试样连同烧杯的整体质量，记为m1。在烘干试样的烧杯内缓慢倒入稀释的1.00 mol/L 盐酸，使用玻璃棒沿相同方向搅拌烧杯，直至烧杯内无气泡产生。将使用稀盐酸浸泡后得到的底渣与飞灰试样倒入带有玻璃纤维滤膜的过滤杯中，利用去离子水冲洗残留物，充分冲洗试样中的可溶盐。将过滤后的试样放入烘箱内烘干至恒重，称量洗去可溶盐后的试样质量，记为m2。最后，采用式（1）计算试样的碳酸钙含量。

式中：A表示焚烧灰渣试样中碳酸钙含量；s表示原始灰渣样品中可溶于盐酸含量与不可溶于盐酸含量之比。

3 试验结果分析

使用MATLAB 软件分析碳酸钙含量与试块无侧限抗压强度的具体联系，焚烧灰渣的固化强度试验结果如图2所示。结果显示，焚烧灰渣试块中碳酸钙生成量的增多将有助于提高试块的整体强度。这是因为碳酸钙是一种硬质矿物，其生成可以填充灰渣中的孔隙，提高灰渣的密实度和强度。当碳酸钙含量超过4%时，它不仅可以沉积在焚烧灰渣颗粒表面，还能够将灰渣颗粒胶结为一个整体，有效提高生活垃圾焚烧灰渣试块强度。

图2 焚烧灰渣的固化强度试验结果

4 结语

生活垃圾焚烧处理可以节省大量的存放空间，同时产生的能源可以进行再利用，但此方法也会产生大量焚烧灰渣。焚烧灰渣是生活垃圾高温煅烧的产物，其主要成分是硅钙铝氧化物，外观类似天然砂，化学成分类似于水泥熟料，可代替天然砂用作混凝土细骨料。试验发现，生活垃圾焚烧灰渣力学特性与成分密切相关，随着碳酸钙生成量的增多，生活垃圾焚烧灰渣试块的整体强度逐渐提高。由此可见，生活垃圾焚烧灰渣具有一定的资源化利用潜力。未来，要加大技术研发力度，积极探索多种资源化利用技术，有效推进生活垃圾焚烧灰渣的资源化利用。