摘要:

测试、分析了龙海市生活垃圾焚烧熔渣的物理性质和化学性质，探讨利用焚烧熔渣作为混凝土替代骨料的可行性。研究表明：生活垃圾焚烧熔渣的部分理化性质具有细骨料特质，没有放射性和重金属危害。但是，与天然河砂相比，熔渣的颗粒形貌、级配、粒径分布较差，密度小，吸水率高，并且无机盐及碱含

量偏高。熔渣并非理想的细骨料，不宜直接使用，需要对其进行预处理或考虑与天然骨料复配使用。

1引言

随着城镇化的快速推进和人民生产、生活的发展，大量增加的生活垃圾已成为一个严重的社会问题。发达国家的发展历程表明，垃圾焚烧处理及综合利用是实现垃圾减量化、无害化和资源化最有效手段。目前在福州、厦门、漳州等城市，生活垃圾焚烧厂已经运行或正在建设。通过焚烧可使垃圾减量80%～85%，减容约90%，但仍将残留总重约10%～20%的焚烧炉渣。焚烧炉渣是目前排放量最大的垃圾焚烧废渣，但是利用率仅约10%，大部分焚烧炉渣进入填埋场进行填埋处置，这将显著增加城市周边填埋库容的压力，占用大量的土地，二次污染环境。因此，探求生活垃圾焚烧炉渣的综合利用技术仍是一项艰巨的任务[1]-[5]。

与此同时，大规模的城镇化和基础设施建设对于混凝土的需求量稳定增长，制备混凝土所需的砂石骨料及水泥原材料资源日趋紧张。我国许多地区，尤其沿海地区出现了天然河(江)砂资源减少、质量下降、限采或禁采的困境，不得不采用混合砂、机制砂或者淡化海砂。如果能将焚烧炉渣就地建材资源化利用，不仅能够解决环境污染问题，还能够开发出新的混凝土替代原材料。

生活垃圾焚烧炉渣包括飞灰和炉渣。焚烧飞灰是指在烟气净化系统收集而得残余物，属于危险废弃物;而焚烧炉渣是由熔渣、铁和其他金属、陶瓷类碎片、玻璃和一些不燃物及未燃有机物组成的不均匀混合物，约占炉渣总量的80%左右，属于一般固体废物。其中，熔渣约占78%，是焚烧炉渣的主要组分，也是本文研究的重点。作者以福建省龙海市的生活垃圾焚烧熔渣(以下简称熔渣)为研究对象，测试、分析三组不同批次熔渣样品的理化特性，探讨利用熔渣作为混凝土替代骨料的可行性。

2熔渣的理化特性分析

2.1熔渣的物理性质分析

(1)颜色、气味与外观

原状生活垃圾焚烧炉渣由于含有水分，呈黄褐色，风干后为灰色。原状焚烧炉渣的颜色和外观如图1所示，与砂石渣土相似，同时具有比较浓烈的酸涩性气味。除去炉渣中的玻璃、石子、砖块等大块物质即为熔渣。将熔渣置于烘箱中烘干后呈浅灰色，酸涩性气味有所减弱。图2显示，烘干后的熔渣外观类似于粗质草木灰，但质地比草木灰重，颗粒形状不规则，表面粗糙，没有天然砂子那么光滑和接近球形，粉状物质较多。

图1原状焚烧炉渣图2烘干后的焚烧熔渣

(2)粒径分布

通过筛分试验发现，熔渣颗粒粒径集中在4.75mm以下的范围，其中小于0.15mm的粉状颗粒居多，约占33%。从粒径大小判断，熔渣适合作混凝土细骨料，但是粉状物质明显偏多，可能会给其在混凝土中的应用带来负面影响。

(3)粗细程度与颗粒级配

3组熔渣的筛分试验结果列于表2(累计筛余(%)、细度模数和级配)。

由表2可知，熔渣的细度模数为2.45，在中砂范围;级配曲线在规定的三个级配区Ⅱ区，粒径在0.3和0.15之间比较多，整体偏细。试验结果说明熔渣不宜单独使用，要想满足混凝土骨料要求，可以考虑将熔渣与天然河砂复合配制使用。为此，将熔渣样品1：天然砂子(细度模数2.45)按照5:5进行了混合复配，复配后的混合骨料筛分析结果如表3所示。

可以看到，相较于熔渣，复配后的混合砂，整体偏粗，细度模数为2.50，在中砂范围，颗粒级配属Ⅱ区,满足混凝土细骨料要求。

(4)密度与空隙率

检测了三组熔渣的表观密度和堆积密度，并且计算了各组熔渣的空隙率，结果列于表4。

与河砂相比，熔渣的两种密度值均偏低，其表观密度不到2g/cm3。如果将熔渣替代一部分粗、细骨料，一方面会减轻混凝土质量，但是另一方面又会加大混凝土的用水量，所以最好采用等体积法替代。

从空隙率计算结果来看，熔渣的空隙率较小，符合混凝土细骨料空隙率不超过47%的要求。

(4)吸水率

材料的吸水率可以反映材料内部的孔隙结构、孔隙的大小与数量，它直接影响其制备建筑材料时的需水量。为了便于比较，同时测试了熔渣和天然砂子的吸水率，结果如表5所示。比较二者的吸水率可以发现，熔渣的吸水率平均值为42.6%，相较于天然河砂的15.6%，熔渣的吸水性大，如果充当细骨料则会明显增加混凝土用水量，从而直接影响混凝土的和易性和强度。从吸水率结果判断，熔渣不宜单独作为细骨料使用。

(5)坚固性

骨料在气候、环境变化或其他物理因素作用下抵抗破坏(碎裂)的能力称为坚固性。它反映骨料的耐久性，常用硫酸盐饱和溶液浸泡法测定其质量损失百分率p。熔渣的坚固性试验结果如表6所示，熔渣的坚固性良好，满足标准要求。

(6)放射性

采用γ能谱仪(HJJ62-1)、铅室(HJG23)设备，按照GB6566-2010《建筑材料放射性核素限量》对熔渣进行放射性检测，检测结果如表7。

放射性检测结果表明，熔渣为非放射性物质。龙海熔渣的内照射指数与外照

射指数分别为0.2和0.3，均低于GB6566-2010规定的标准限量。从放射性角度考量，熔渣在混凝土中使用是安全的。

2.2熔渣的化学性质分析

(1)元素组成

采用电子探针精确测试了熔渣的化学元素组成，结果列于表8。

在龙海熔渣样品中，元素含量由多到少依次是氧、硅、钙、铝、氯、铁、钾、钠等，而铅、汞、镉等有害重金属元素未见。但是，其较高的氯含量应该引起重视。龙海市位于东南沿海，生活垃圾来源多以海产品为主，氯元素可能是由于食盐、海鲜等食物残渣带入。高氯含量可以认为是城市生活垃圾焚烧熔渣的一个主要特征，熔渣中的C1元素大约40%～50%源自垃圾中塑料(主要是PVC)物质的燃烧[6]。

(2)化合物组成

根据元素组成进而推算出各元素的化学存在形式，即化合物组成。经过计算，熔渣中的上述元素主要以氧化物形式存在，占比重较大的依次为SiO2、CaO、Al2O3、Fe2O3，另外含有少量的K2O、Na2O、MgO、SO3及Cl。熔渣的化学组成分析结果详见表9。

表9显示，熔渣中的CaO、MgO、K2O、Na2O等碱性氧化物与SiO2、Al2O3等酸性氧化物含量基本持平，预示着熔渣的化学稳定性较好，活性较差。值得关注的是熔渣中有两种成分含量偏高：一是SO3及Cl含量偏高，在钢筋混凝土中，氯离子容易引起钢筋锈蚀，硫酸根离子则可能导致水泥发生腐蚀，二者均产生体积膨胀，进而导致混凝土保护层开裂、脱落，严重影响混凝土结构的耐久性和使用的安全性，两者含量均偏高，意味着熔渣不能直接应用于混凝土中;二是一价碱金属氧化物含量(K2O、Na2O)亦不低，碱性组分有可能引起碱-骨料反应，同样导致硬化混凝土体积膨胀，乃至开裂。

(3)矿物组成

采用X射线衍射分析方法得到熔渣的矿物组成，如图4所示。

可以看出，熔渣中有较强衍射峰的物质有石英(α-SiO2)、方解石(CaCO3)、石盐(NaCl)、赤铁矿(Fe2O3)及单质硅(Si)等晶体矿物成分。XRD图谱中并未出现像粉煤灰那样比较宽大的衍射特征峰，说明熔渣的结构致密，玻璃化程度偏低，而玻璃化程度决定了材料的活性程度，即活性SiO2含量低。分析结果进一步证实熔渣的化学稳定性高，活性很低或者说基本不具备火山灰活性，说明熔渣并不适合作为水泥的替代材料，比较适合于作为替代骨料使用。

(4)酸碱度

水泥混凝土是一种偏碱性的材料，正因为如此，才能对包裹其中的钢筋起到很好的保护作用。为了确定熔渣是否适合在混凝土中使用，检测了3组熔渣样品的pH值，结果列于表12。

数据显示，熔渣样品的pH值为11.56，是一种偏碱性的材料，对钢筋腐蚀不会造成影响，适合在水泥混凝土中使用。

(5)环境危害性

相关研究表明，熔渣中含有多种重金属,如铅、镉、铜、锌、锡、铬、镍、硒、砷等。除了混入的一些工业固体废物以外，重金属主要来自于颜料、塑料(稳定剂)、报纸、木块、织物、橡胶、蓄电池和合金物等。垃圾中的重金属物质在焚烧过程中不能被生成和破坏，只能发生化学反应和迁移转化，其中一部分以炉渣的形式排出。

有关研究者采用不同方法测定重金属的浸出值,以此来评价其环境安全性。刘学慧利用原子吸收分光光度计测试了熔渣浸出液中的重金属浓度，测试结果表明：熔渣浸出液中的重金属浓度非常低，远远低于固体废弃物浸出毒性鉴别标准，对环境无危害，可直接处置，或送至垃圾填埋场进行填埋，或用作路基和建筑材料[12]。林奕明按照国家标准HJ/T300-2007对不同粒径的飞灰和熔渣进行毒性浸出实验，结果发现：得出当用蒸馏水作为浸提剂时，Pb元素超过了标准GB5085.3–2007中所规定的值，而当用2#溶液(pH值2.64±0.05)作为浸提剂时，Cd元素超过了该标准中所规定的值，而所有粒径熔渣中的重金属元素都没有超出标准所规定的值，因此建议可将熔渣进行适当处理后可进行资源化回收利用[14]。宋立杰采用危险废物浸出毒性浸出方法标准一水平振荡法浸出程序(HVEP)和毒性浸出程序(TCLP)浸出毒性的实验研究表明：垃圾焚烧炉渣是没有浸出毒性的一般废物，不会对环境造成二次污染,具有稳定性和长期安全性[14]。

根据化学分析结果，综合大多数研究者的研究结果，作者认为熔渣在混凝土中使用不会对混凝土造成重金属危害，资源化利用的环境风险较小。

2.3熔渣的微观形貌分析

从微观形貌上看，熔渣颗粒结构松散、多孔，单个颗粒呈不规则形状、多棱角、表面粗糙，球形颗粒比较少。与天然砂子相比，熔渣的颗粒形貌不尽人意，如果用熔渣替代部分细骨料，必然导致混凝土用水量增加或水胶比增加，从而对于混凝土的工作性、力学性能和耐久性均产生不良影响。因此，如果要将熔渣作为混凝土的替代原材料，需要采取相应措施防止用水量的增加，对此需要开展深入研究。

3结论

(1)生活垃圾焚烧熔渣的颗粒粒径、粗细程度、坚固性、放射性等满足混凝土细骨料基本要求。但是，与天然砂相比，熔渣的颗粒形貌较差，粉状颗粒较多，级配不合格，整体偏细，并且密度小、吸水率偏大。因此，熔渣并非理想的细骨料，不宜直接使用，可以考虑与天然骨料复合配制使用。

(2)熔渣中的化学元素由多到少依次是氧、硅、钙、铝、氯、铁、钾、钠等，而铅、汞、镉等有害重金属元素未见;化学组成包括SiO2、CaO、Al2O3、Fe2O3，含有少量的K2O、Na2O、MgO、SO3及Cl;酸碱度测试表明熔渣是一种偏碱性材料，适合在混凝土中使用。相关研究亦证实，熔渣不会对混凝土造成重金属危害。值得关注的是熔渣中的氯盐、硫酸盐及碱含量偏高，会对混凝土造成钢筋腐蚀及碱骨料反应危害。如果作为混凝土替代骨料使用，需要预先进行除盐、除碱处理。

(3)熔渣的矿物组成主要含有石英(α-SiO2)、方解石(CaCO3)、石盐(NaCl)、赤铁矿(Fe2O3)及单质硅(Si)等晶体成分。熔渣的结构致密，玻璃化程度低，所以其活性低，化学稳定性高，适合作为替代骨料使用。

综上所述，生活垃圾焚烧熔渣的部分理化性质具有细骨料特质，但是与天然河砂相比，熔渣的颗粒形貌、级配、粒径分布较差，密度小，吸水率高，并且无机盐含量超标。所以，熔渣并非理想的细骨料。如果作为混凝土的替代骨料使用，不仅要对熔渣进行预处理，而且需要考虑将熔渣与天然骨料进行复配，对此需要开展进一步研究。

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