摘要：论文分别研究了城市生活垃圾焚烧炉渣用于水泥生料配料及混合材对水泥力学性能，与外加剂相容性，水泥胶砂体积稳定性的影响，探讨了水泥工业协同处置城市生活垃圾焚烧炉渣的技术及其可行性。研究结果表明：炉渣用于水泥生料配料对水泥的力学性能不利，但是可以通过调整率值配方来提高水泥的力学性能；炉渣作为水泥混合材不具有火山灰活性，但7.5%的炉渣掺量的水泥的质量要求亦可达到PII42.5的要求；炉渣作为水泥混合材生产的水泥相比与纯熟料水泥其外加剂的适应性相差不大，其配制的混凝土体积稳定性较好；
关键词：垃圾焚烧炉渣，水泥力学性能，水泥与外加剂适应性，水泥胶砂的体积稳定性。
0.引言
生活垃圾焚烧技术是目前国际比较流行的生活垃圾处理技术。2006年广州市首座生活垃圾焚烧发电厂——李坑生活垃圾焚烧发电厂投入运行。通过生活垃圾焚烧发电，可以最大限度的处理城市生活垃圾（减容85），同时利用燃烧热发电，带来了一定量的经济利益；但是人们必须得面对垃圾焚烧处理后产生生活垃圾焚烧炉渣的处理问题。垃圾焚烧炉渣（bottom ash）是指在垃圾焚烧过程中炉排上残留的焚烧残渣和从炉排间掉落的颗粒物,其中还有未燃尽的木块和玻璃陶瓷等废弃物，它的重金属浸出毒性没有达到危险废弃物浸出毒性标准，属于一般废弃物[1][2]。。目前的填埋处置占用大量的土地，而且炉渣含有的刺激性气味亦对环境造成一定的污染，这种填埋处置的方法在寸土寸金的今天是不符合环保的要求和可持续发展的战略思想的！
目前国际上普遍认为水泥工业是处理工业废物的主要行业，特别是随着水泥工业技术的不断完善发展，水泥设备的不断更新换代，通过水泥工业来处理废弃物已经成为一种很好的废物处理方式。炉渣的化学成分与水泥原料较为接近，用于水泥的制备一方面可减少水泥工业对天然资源的消耗，另一方面炉渣中一些有毒有害组分可以在水泥生产过程或水泥使用过程中得到分解或固化[3]。
本课题是为解决广州市的垃圾焚烧炉渣，与广州市珠江水泥有限公司共同承担的广州市环保局的科技攻关项目。本文重点研究了广州李坑垃圾焚烧发电厂的炉渣的性质以及炉渣用于水泥制备过程对水泥性能的影响，炉渣中有害组分在水泥窑炉中的挥发情况将在接下来的工作中展开。
1．实验材料与方法
1．1 实验材料
1 垃圾焚烧炉渣。垃圾焚烧炉渣取自广州李坑垃圾焚烧发电厂。原状炉渣呈黑褐色,风干后为灰色.含水率为10%-20%(17%)； X射线荧光光谱分析及X射线衍射分析以得到炉渣的化学组成和矿物组成分别如表1、图1所示。测定炉渣的密度为2.74 g/cm3，把原状炉渣烘干后在实验室小磨中粉磨到比表面积380+10 m2/kg备用。
2. 水洗炉渣。把原状垃圾焚烧炉渣在水池中浸泡48个小时，烘干在实验室小磨中粉磨比表面积到380+10 m2/kg。
3． 熟料。广州珠江水泥厂生产的熟料。在实验室小磨中粉磨至比表面积380+10 m2/kg的纯硅酸盐水泥。
4． 粉煤灰。采用广州某电厂提供的III级粉煤灰。烧失量2.0%,密度为2.42g/cm3,比表面积400 m2/kg，80微米的筛余为10.5%。化学组成为：
1．2 实验方法
（1） 灰渣的化学组成和元素分析采用波长色散X射线荧光光谱仪（XRF）分析。
（2）灰渣的矿物组成采用采用D/max-ⅢA型全自动X射线衍射仪分析。
（3）根据GB/T1346－2001,分别测定水泥浆体的标准稠度需水量，凝结时间以及安定性；根据GB/T177－1985测定水泥胶砂强度；
（4） 火山灰活性实验。按GB/T 2847-1996 进行。
（5）掺烧炉渣的熟料的制备：采用工业生料配料，通过把炉渣掺入工业生料中，调整配料率值为率值1（KH＝0.90,n=2.0,p=1.1）和率值2（KH＝0.90,n=2.7,p=1.6）两个配方在实验室电炉中煅烧水泥熟料；先把电炉升温到1450℃，把物料放入，25分钟后开始升温,然后迅速升温到1450℃，保温45分钟取出，在电风扇下急冷。
2． 实验结果与讨论。
2．1生料中掺加垃圾焚烧炉渣对水泥熟料力学性能的影响。
将垃圾焚烧炉渣作为原料掺入水泥工业生料中，烧成水泥熟料并加入适量的石膏，在实验室小磨中粉磨至比表面积380+10 m2/kg，按照GB/T177－1985测定水泥胶砂强度。
从表2可以看到，相比于不掺炉渣的水泥熟料样，掺了炉渣的水泥的安定性，标准绸度用水量，凝结时间与对比样相比都相差不大；3天和28天抗压强度都是随着炉渣掺量的增加而不断下降；水泥胶砂抗压强度的下降是由于炉渣含有较高的氯硫碱，以及少量的重金属元素，这些组分在煅烧过程中降低了KH值，使得实际煅烧出来的熟料的KH值降低，从而导致了熟料矿物中C3S的含量降低，C2S的含量相对升高，进而熟料的抗压强度下降；
由表3可以看到，随着炉渣的掺量的提高，熟料中的C3S含量是下降的，C2S的含量是相对升高的，因此水泥熟料的抗压强度下降。对于表2，发现对于相同的掺量的变化，率值1的样品（1#，2#，3#）的抗压强度的降低速度明显要比率值2的样品（4#，5#，6#）的变化速度要快，因此在实际生产中是可以通过调整率值配方来达到减少这些废物中有害组分对强度的影响；同时可以看到，随着炉渣掺量的增加，熟料的f-CaO含量是呈下降的趋势，炉渣的掺入有利于生料的易烧性，这主要是由于炉渣中的氯硫碱等有害组分对煅烧有助熔效果，因此把炉渣用于水泥生料配料可以通过适当提高硅酸率来达到提高熟料抗压强度的目的，同时由于炉渣中的助熔成分使得生料的易烧性变好，不会减少水泥的产量。
适当的提高硅酸率，使得熟料矿物中硅酸盐矿物的含量增加，即使在煅烧过程中由于有害组分的存在造成实际KH值下降，只是说明熟料中C3S/C2S下降，适当提高硅酸率，使得C3S的含量即使实际KH值下降也不减少，从而保证水泥熟料的质量[4]。
2.2 垃圾焚烧炉渣作混合材对水泥力学性能的影响
由于炉渣含有氯硫碱等有害组分，大量在窑炉中煅烧将会对窑炉的正常运转带来影响，因此炉渣亦可以作为水泥混合材来消耗一部分，但是要协调好掺量，保证出厂水泥的氯含量小于0.06% 。将垃圾焚烧炉渣以不同的掺量掺入PI水泥中，经过多次过筛充分混合，按照GB/T177－1985测定水泥胶砂强度。实验结果如下：
由表5可以看到，随着炉渣掺量的不断增加，水泥胶砂强度呈下降趋势，这主要是由于垃圾焚烧炉渣是一种没有火山灰活性的材料（Lz8d：炉渣8天；Lz15d：炉渣15天；Sxlz8d：水洗炉渣8天；Sxlz15d：水洗炉渣15天）。可以看到，炉渣水洗以后水泥胶砂强度要比没有水洗要高，这主要是因为炉渣中含有大量的碱以及有机物，这些物质在水泥胶砂中破坏了水泥凝胶的胶结界面，使得强度下降。
2．3 垃圾焚烧炉渣做水泥混合材对水泥与外加剂相容性的影响。
垃圾焚烧炉渣做水泥混合材对水泥工作性能的影响主要通过Marsh cone法进行评定。从流变学角度看：饱和点掺量是指充分破坏浆体中絮凝结构时的外加剂最小掺量，饱和点Marsh时间（即流速）反映了该系统浆体屈服应力及粘度系数降低至恒定值的大小。饱和点掺量小，饱和点Marsh时间短，Marsh时间经时损失小及浆体泌水少时，水泥与外加剂的相容性好[5]
1#代表PI水泥；2#代表PI水泥+7.5%粉煤灰; 3# 代表PI水泥+7.5%炉渣；4#代表PI水泥+7.5%水洗炉渣。由图可见，1--4#曲线的饱和点掺量都为1.4%，饱和点流动时间分别为15.59s 20.69s 15.97s 16.28s ; 2—4#曲线都在1#曲线的下方，说明在达到相同流动性能的同时，2#所需要的外加剂掺量最多， 3#，4# ，1# 相差不大; 而使用相同掺量的外加剂，他们的流动性最差是2#， 1# 3# 4# 相差不大。
造成以上结果的原因可能是由于炉渣和PI水泥都是在实验室小磨中粉磨，比表面积相同，因此它们的颗粒分布大致相同，所以它们与外加剂的适应性相差不大；而粉煤灰的加入使得整个水泥浆体体系的颗粒组成范围变得狭隘，胶凝材料堆积密度减小，所需填隙水变多，自由水减少，流动性变差[6]
2.4 垃圾焚烧炉渣做水泥混合材对水泥胶砂体积稳定性的影响。
垃圾焚烧炉渣做水泥混合材对水泥胶砂体积稳定性的影响主要通过测定水泥胶砂干缩率来表示。（1#代表PI水泥；2#代表PI水泥+7.5%粉煤灰; 3# 代表PI水泥+7.5%炉渣；4#代表PI水泥+7.5%水洗炉渣）
如图所示，干缩曲线先呈直线上升，再趋于稳定的发展，到了一定龄期后不再上升，曲线平稳前进；水洗炉渣与未水洗炉渣掺入PI水泥胶砂中，水泥胶砂干缩曲线基本重合，相差不大。水化前20天，1——4#水泥胶砂干缩率差别不大，干缩曲线基本重合。而水化到120天后，水泥胶砂的干缩率大小排列依次为1# >2# >3# (3# 和4# 差距不明显)。由此可见，掺入粉煤灰和炉渣能够降低水泥胶砂的干燥收缩，尤其是20天后的胶砂干缩值。
对于纯PI水泥，水泥水化的C-S-H凝胶为层状结构，层与层之间存在着大量的自由水，干燥条件下水分蒸发，故干缩较大。而炉渣是一种没有火山灰活性的惰性材料（由XRD可以看到），不参与水化反应，在水胶比相差不大的情况下，胶凝生成量减少，凝胶孔明显减少，孔洞的张力也减小，因此干缩率低[7]；而相比于炉渣，粉煤灰的水化率高，因而干缩率界于二者之间。
3. 结论
1．炉渣用于水泥生料配料对水泥的力学性能的影响是可以通过调整率值配方来消除。
2．炉渣和水洗炉渣不具有火山灰活性，它们作为水泥混合材降低了水泥的力学性能，但是当掺量小于7.5%的时候其力学性能能够满足PII42.5水泥的要求。
3．炉渣作为水泥混合材生产的水泥相比与纯熟料水泥其干缩率较小，因此用炉渣做混合材生产的水泥配制的混凝土体积稳定性较好。
4．炉渣作为水泥混合材生产的水泥与纯熟料水泥其外加剂的适应性相差不大。
5．炉渣可以在水泥工业中处置消耗掉，对水泥的性能的影响不大。
参考文献：
1 章骅 何品晶 城市生活垃圾焚烧灰渣及其性质分析[J] 上海环境科学 2002年第21卷第6期
2 何品晶 章骅 垃圾焚烧炉渣的性质及其利用前景[J] 中国环境科学2003,23(4)：395~398
3 陈东河 垃圾焚烧炉渣的资源化利用的探讨[D] 华南理工大学硕士学位论文 2006.
4 沈威，黄文熙，闵盘荣. 水泥工艺学[M]，武汉理工大学出版社，1991.
5 吴笑梅，水泥与外加剂相容性的流变学与水泥工艺学研究[D]，[博士学位论文]，3～5
6 吴笑梅，郭文瑛，樊粤明；水泥颗粒分布对其使用性能的影响[J]，水泥，2004.No.10 5-9
7 马烨红石灰石粉作混凝土矿物掺合料的研究[D]，华南理工大学硕士学位论文，2007.
