于兆文1，袁俊申1，张奕康1，彭钦源1
广东工业大学 土木与交通工程学院，广东 广州 510006
摘要：为了解决垃圾焚烧后飞灰的资源化应用问题，本文综述了飞灰目前在工程材料上资源化应用的发展状况。概述了飞灰在物理层次上的颗粒大小，较大凝聚力空隙率的特征，在化学层次上的元素组成、重金属性，随地域时间改变而导致元素含量的不确定性；介绍了飞灰代替碳酸钙制成水泥熟料、部分代替水泥制成水泥砂浆，以及代替矿粉应用到沥青中这几个方面的应用条件，和目前的研究状况。
关键词：垃圾焚烧；资源化；综述；飞灰；水泥；沥青；
0引言
随着世界的发展和人们生活水平的日益提高，城市生活垃圾变得越来越多，生活垃圾的处理成为阻碍可持续发展的一大障碍，根据世界银行《2050年全球固体废物管理一览》，当前全球城市生活垃圾产生量约为每年20亿吨，并且到2050年将达到每年34亿吨。在中国，根据国家统计年鉴，中国2019年的垃圾清扫量为2.42亿吨，并且逐年增高。针对这个问题，垃圾焚烧处理成为解决垃圾问题的有种有效办法。垃圾的焚烧处理可以减少垃圾的体积占有量，产生的余热可以发电（供热），减少不可再生资源——煤、天然气、石油的使用，但是焚烧后产生的重金属物质飞灰的处理，成为影响垃圾焚烧发电进一步发展的主要问题之一。
1.垃圾焚烧飞灰的特性及元素组成
城市生活垃圾焚烧后剩余的产物相比原垃圾质量减少70%～80%，根据焚烧后的残留物在焚烧系统中被收集的位置不同，分为飞灰与底灰。底灰指的是垃圾焚烧后，在垃圾焚烧炉炉床上收集到的残留物；飞灰则是在垃圾焚烧炉中烟气净化系统收集到的细颗粒粉末状物质，其中飞灰约占垃圾焚烧产物的10%～20%。
飞灰15%左右为砂土，85%为粉土，一般为灰色或者深灰色，其粒径小于300μm，主要颗粒大小在53μm～74μm之间。飞灰的表面较为粗糙，并且多为不规则的颗粒状形态存在，例如：球形、针状、片状以及其它不规则的形状；同时飞灰具有较大的凝聚力，并且在大颗粒上吸附着一些粒径小的颗粒，大小颗粒物之间附着的较为紧密，积压成团，导致颗粒性并不明显。人们在研究飞灰内部孔径与空隙率的关系时发现，飞灰具有较高的空隙率，并且颗粒之间有明显的间隙；飞灰的孔径主要分布在0.3μm～1.5μm范围内，并集中于0.5μm～1.0μm这个区间内。
利用XRF和XRD进行飞灰化学成分的分析发现，飞灰主要由CaO、MgO、SiO2、Fe2O3和Al2O3等重金属氧化物组成，构成SiO2-Al2O3-金属氧化物体系。从元素组成来看，飞灰的主要组成元素为 Si、Ca、Al、Mg，此外还含有少量Zn、Pb、Cu、Cr、Ni 等重金属元素。飞灰中各重金属含量差异很大，并且随着季节的变化，其金属的含量也发生变化。同时，研究发现飞灰中不同重金属的主要化学形态相差较大，焚烧飞灰中的Cr、Ni、Zn、Mn形态相对比较稳定，其它元素如Cd、Cu和Pb的不稳定形态所占比例很高，尤其是Cd，其不稳定态占了绝大多数。并且不同的地区，不同的时间，其飞灰的化学组成是有很大差异的。综合来看，飞灰的重金属性以及元素含量的不确定性，成为了我们对飞灰进行系统的回收利用的另一项重大挑战。
2.飞灰的资源化利用
垃圾焚烧飞灰的主要组成成分是由重金属氧化物组成，属于SiO2-Al2O3-金属氧化物体系,并且随着焚烧发电厂的逐渐增多，以及垃圾焚烧技术的日益提高，以后将更多地选择焚烧的方式进行垃圾处理，焚烧后的飞灰也越来越多。综合来看，飞灰具有资源化利用的巨大潜能，很多国内外学者也开始研究飞灰资源化利用的可行性。
2.1飞灰在水泥熟料中的应用
飞灰中含有CaO-SiO2-Al2O3-Fe2O3体系的物质，而水泥中也含有硅质、钙质的原料，它们的性质较为相似，所以飞灰具有作为水泥熟料部分原料的潜能。针对这个特性，研究人员进行了大量的实验，验证了飞灰可以用于生产硅酸盐水泥熟料和硫酸铝盐水泥熟料的可能。飞灰的利用可以减少水泥熟料中碳酸钙的用量，降低对环境的二次污染。掺加飞灰的水泥生料，其燃烧性能得到显著的改善，用飞灰作为熟料制成的水泥，其凝结时间、安定性、标准稠度用水量以及抗折强度并没有太大差异，但是随着飞灰掺量的增加，其抗压强度会降低[1]。随着更加深入地研究，发现在1400℃下，将飞灰作为原料进行水泥熟料的煅烧，并且将飞灰掺量控制在16.32%，此时烧制成的熟料制成的水泥，其胶凝性能好，早期强度高，在28天的养护后其抗压强度可以达到65.4MPa。
2.2飞灰在水泥砂浆中的应用
飞灰中含有较多类似水泥类的物质，研究人员猜测飞灰可以适当代替水泥砂浆或混凝土中的部分水泥。同样，含氯较高的飞灰不适合用于水泥砂浆中，研究人员则将飞灰进行水洗，减少氯离子的含量，当其氯含量降低至1.28%时，可以代替水泥砂浆，并且制成的材料其抗氯离子渗透性能有进一步提高。所以，飞灰应用到水泥砂浆时，需要对飞灰进行预处理。池冬华将飞灰替代部分水泥制备水泥砂浆发现，飞灰中重金属的浸出浓度显著降低[2]，特别是Pb和Cd，说明飞灰的适当掺入对环境的影响较小，砂浆试件的抗折强度以及抗压强度出现降低。飞灰的细度以及飞灰的替代率同样对砂浆的性能有着显著的影响，将飞灰的替代率增加到20%～50%，发现砂浆的抗折、抗压强度都有提高，但是在抗折、抗压性能上20%的替代率好于50%的替代率，同时水泥砂浆的和易性随替代率的降低而增大。
2.3飞灰在沥青中的应用
飞灰因为粒度较小，结构均匀且孔隙结构发达，具有多种高活性过渡元素，与矿粉具有相似的物化特性，并且沥青可以很好的对飞灰进行固化作用，这使飞灰具有作为沥青填料的可能。郑凯高[3]针对这一特点，利用飞灰制备出飞灰-沥青胶浆，研究飞灰在沥青胶浆中的影响。通过研究沥青胶浆的三大指标发现，飞灰的引入可以在一定程度上提高沥青胶浆的高温性能以及抗剪切变形能力，但是会使沥青胶浆的塑性能力降低。为了确定飞灰作为矿粉的最优掺量，实验人员将水洗后的飞灰，通过不断改变掺量来进行飞灰沥青混合料的高温性能、低温性能和抗水损害性能的研究，结果表明：飞灰的添加提高了沥青混合料的高温稳定性能和水稳定性，降低了低温抗裂性能。当飞灰掺量为2.5%时，沥青仍然具有良好的高温、低温和水稳定性，可以满足交通道路的使用，但是当飞灰掺量达到3%时，飞灰沥青的低温破坏性能达不到规范要求。
3.结语
垃圾数量的不断增加已经成为社会发展的必然，垃圾焚烧技术开始成熟稳定，通过焚烧进行处理的这一方式逐渐被人们选择，飞灰的产量也会随之增加，所以垃圾飞灰的安全处理与再利用是目前需要解决的重要问题。本文章针对这个问题，对当下对飞灰在工程上的资源化应用研究状况进行了总结，得出以下结论：
（1）飞灰可以应用到水泥上，使其作为水泥的熟料，也可以部分代替水泥砂浆或混凝土中的水泥。
（2）飞灰可以代替或者部分代替矿粉作为填料制成沥青。
参考文献
[1]黄健,吴笑梅,樊粤明,谢燕.掺垃圾焚烧飞灰烧制的水泥熟料对水泥性能影响的试验研究[J].水泥,2008(09):1-3.
[2]池冬华. 垃圾焚烧飞灰在水泥中的固化稳定化研究[D].东华大学,2004.
[3]郑凯高. 垃圾焚烧飞灰特性及其在沥青胶浆中的应用[D].湖南大学,2017.