黄沁园
上海市金山区建筑管理所 上海 201599
摘要：为实现生活垃圾焚烧发电炉底渣的资源化利用，通过生活垃圾焚烧发电炉底渣对再生混凝土长期力学性能和耐久性能的影响研究，论证发电炉底渣用于混凝土的可行性，结果表明：不同批次发电炉底渣配制的混凝土性能稳定性较好；随龄期增长不同批次发电炉底渣混凝土的抗压强度逐步接近，发电炉底渣对混凝土后期强度的发展有不利影响；加入混凝土的抗冻性、干燥收缩、耐酸碱性能与基准混凝土相近，发电炉底渣对软化系数、受盐溶液侵蚀性能有不利影响。
关键词：生活垃圾焚烧发电炉底渣；再生混凝土；长期力学性能，耐久性能
引言
随着城市的快速发展，城市生活垃圾产生的环境问题日益严重，生活垃圾年排放量超过700万吨。近年来，焚烧发电成为了生活垃圾处置和资源化利用主要途径，生活垃圾焚烧处置比例逐步提高，副产物之一的生活垃圾焚烧发电炉底渣的排放量随之增加，近两年排放量达到150万吨/年。展开发电底渣的资源化利用研究，既有利于提高炉渣附加值又可以降低相关产品的生产成本。
由于炉渣具有一定的介稳态活性，在碱性条件下可表现出火山灰活性，国外已有将炉渣用作混凝土骨料的研究和应用[[[] BERTOLINI L,CARSANA M,CASSAGO D,et al.MSWI Ashes Asmineral Additions in Concrete[J].Cement and Concrete Research,2004(10):1899-1906.]]。董恒瑞[[[] 董恒瑞,邓铃夕,王海标.以炉底渣和破碎加气混凝土为轻骨料制备轻质混凝土的试验研究[J].重庆建筑,2020,19(04):26-29.]]等研究发现，可将特殊处理的燃煤炉底渣和破碎加气混凝土细料作为轻骨料制备强度等级LC20，密度等级1500的轻质混凝土。姜少波[[[] 姜少波.电厂炉底渣在蒸压加气混凝土生产中的应用实践[J].建筑砌块与砌块建筑,2016(04):43-45.]]研究表明将电厂炉底渣和粉煤灰按3:1混合，可生产加压混凝土砌块，同时有效降低成本。郑建峰[[[] 郑建峰,周雪原,宋敏生,李恒芳,李彦龙,眭立,牟龙.利用电厂炉底渣生产轻集料混凝土小型空心砌块的实践[J].建筑砌块与砌块建筑,2014(05):4-6+13.]]等利用炉底渣、粉煤灰和水泥来生产轻集料混凝土小型空心砌块。其抗压强度≥5MPa、干密度≤800kg/m3, 各种废渣利用率最高达到90%。
目前，混凝土砌块生产过程中主要采用采矿选矿废渣代替天然砂石骨料，结合生产实际，现用发电炉底渣替代采矿选矿废渣配制混凝土，首先研究发电炉底渣对混凝土的性能稳定性和安定性的影响，然后研究发电炉底渣对混凝土长期力学性能及耐久性能的影响，进而论证发电炉底渣应用于混凝土的可行性。
1 原材料及试验方法
1.1原材料
（1）水泥
采用万安P.O 42.5水泥，基本性能见表 1。
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（3）发电炉底渣
由于发电炉底渣的成分受焚烧垃圾组成的影响，其性能存在波动性。共分为6批次（标记为F1#~F6#）对发电炉底渣进行取样分析，使研究数据更准确反映发电炉底渣的性能。
1.2试验方法
（1）试件制备：混凝土在实验室条件下采用卧式搅拌机进行搅拌，选用100mm×100mm×100mm三联试模，分两层人工插捣成型，随后在混凝土振动台上振动30s。通过维勃稠度在30s确定混凝土用水量，稠度测试方法参考标准《普通混凝土拌合物性能试验方法》（GB/T 50080-2002）。
（2）性能试验：混凝土成型1d后脱模，试块放入混凝土标准养护室养护至规定龄期后按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081-2002）进行抗压强度试验。抗冻性能、干缩性能和软化系数测试按照《混凝土砌块和砖试验方法》（GB/T 4111-2013）试验方法进行。
（3）抗侵蚀试验：将标准养护28d的混凝土试块分别浸泡在0.5%NaOH溶液中，0.5%H2SO4溶液中和0.5%NaCl溶液中，浸泡时间5个月，测试其强度，并与基准强度进行对比。
（4）体积安定性：试验参照《混凝土多孔砖和路面砖用钢渣》（ YB/T 4228-2010）规定的试验方法，采用本课题实际配合比，再生骨料替代天然骨料（或采矿选矿废渣），试件尺寸为25mm×25mm×280mm。试件在湿气养护箱中养护24h后脱模，测试初长后沸煮3h，并在沸煮后的4d内进行蒸压试验，蒸压釜压力为1.0MPa，蒸压时间为3h。
2发电炉底渣混凝土性能稳定性研究
原材料基本性能测试结果表明，不同批次发电炉底渣发电炉底渣组成和性能波动。因此，首先对多批次发电炉底渣开展混凝土研究，分析其再混凝土中应用的稳定性。选择F1#~F6#6个批次的发电炉底渣骨料，均以30%的掺量取代采矿选矿废渣，进行抗压强度试验。试验配合比如表 7所示。
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3 发电炉底渣混凝土安定性研究
参照《混凝土多孔砖和路面砖用钢渣》（YB/T 4228-2010）中钢渣砂的安定性试验方法，发电炉底渣以30%比例替代采矿选矿废渣配制混凝土，成型25×25×280mm的试件，经2.0MPa压力压蒸后测试压蒸安定性，配合比如表 8所示。
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4发电炉底渣混凝土长期力学性能和耐久性能研究
混凝土长期力学性能和耐久性能是影响混凝土实际服役性能、服役寿命的重要指标，发电炉底渣与传统骨料性能有明显不同，因此需要开展发电炉底渣对混凝土长期力学性能和耐久性能的影响研究，确定发电炉底渣用于混凝土的可行性。试验选择F1#、F4#和F6#三批次发电炉底渣开展混凝土长期力学性能和耐久性能研究，发电炉底渣骨料掺量为30%，试验配合比如表 8所示。
4.1 抗压强度
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表 10为3个批次发电炉底渣混凝土的7d、28d、56d、200d龄期抗压强度试验结果，可以看出，掺加发电炉底渣的混凝土的抗压强度明显低于基准混凝土，200d抗压强度降幅最大，达20%，表明发电炉底渣对混凝土后期强度的发展有不利影响。这是由于混凝土后期强度主要取决于骨料与水泥石之间界面过渡区的结构特征，而发电炉底渣较多杂质，与水泥石的界面粘结力较差，且由于发电炉渣中的玻璃、陶瓷等成分的膨胀系数与水泥石、普通骨料相差较大，使得混凝土内部结构易发生脱粘或浆体开裂，从而影响混凝土的后期强度。随着龄期的增长，混凝土的抗压强度均呈现上升的趋势，不同批次发电炉底渣混凝土的抗压强度逐步接近，表明发电炉底渣混凝土强度性能稳定性随龄期增长而提高，这一结果也表明不同批次发电炉底渣由于界面条件相近，因此后期强度基本一致。
4.2 抗冻性能
表 11为3个批次的发电炉底渣混凝土的抗冻性能试验结果，可以看出，经25次冻融循环后，掺发电炉底渣的混凝土质量损失与基准混凝土较为接近，远小于《墙体材料应用统一技术规范》（GB 50574-2010）规定的要求，外观质量无明显变化；强度损失存在波动，F1#、F6#的强度损失比基准混凝土低，F4#强度损失略高于基准混凝土。分析F1#、F4#、和F6#的颗粒级配，其中F4#焚烧渣0.6mm以上的颗粒含量较少，0.3mm以下细粉含量则偏高，因此F4#的颗粒级配相对较差，影响混凝土的密实性，从而降低混凝土抗冻性能。
影响混凝土抗冻性能的主要因素是混凝土的密实性、孔结构、水灰比、饱水程度等。因此在用水量和胶材用量相同的情况下，发电炉底渣的颗粒级配是影响混凝土抗冻性能的主要因素。整体而言，发电炉底渣的混凝土抗冻性能优于基准混凝土。
4.3 软化系数
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表 12为3个批次的发电炉底渣混凝土的软化系数，结果表明，发电炉底渣混凝土强度损失略大于基准混凝土，即掺加发电炉底渣混凝土软化系数低于基准混凝土，表明发电炉底渣对混凝土软化系数有不利影响。掺发电炉底渣混凝土强度降低主要是由于焚烧渣所含杂质与水泥石界面的致密性较差，泡水条件下存在结构物质溶出问题，降低了混凝土的强度，因此，发电炉底渣混凝土的软化系数低于基准混凝土。但掺发电炉底渣混凝土仍满足《墙体材料应用统一技术规范》（GB 50574-2010）规定的块体材料软化系数不小于0.85的要求。
4.4 干燥收缩
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表 13为3个批次的发电炉底渣混凝土的干燥收缩值测试结果，试验结果表明，掺入发电炉底渣的干硬性混凝土干燥收缩值小于采用选矿废渣的基准混凝土，28d干燥收缩值降低7%~12%。
4.5 抗侵蚀性能
对发电炉底渣混凝土的抗侵蚀性能测试，试验结果如表 14所示。
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由发电炉底渣混凝土抗侵蚀试验结果可知：
（1）在三种溶液中，所有试件浸泡150天后，发电炉底渣混凝土的抗压强度均超过15MPa，强度满足《墙体材料应用统一技术规范》（GB 50574-2010）规定的混凝土小型空心砌块使用规定。
（2）三组发电炉底渣混凝土在不同溶液中强度有增有降，波动较大：F1#在碱溶液中强度增长26%，但在盐溶液中强度降低5%，在酸溶液中增长10%；F4#在碱溶液中强度增长7.8%，在盐溶液中强度增长15%，在酸溶液中增长21%；F6#在碱溶液中强度增长8%，但在盐溶液中强度降低21%，在酸溶液中降低6%。整体而言，三组发电炉底渣混凝土受盐溶液侵蚀的劣化影响最大，强度降低；其次在酸溶液中强度有一定的增长；在碱溶液条件下强度均实现了增长。
（3）发电炉底渣混凝土的耐酸、碱侵蚀性能相对优于基准混凝土。这与发电炉底渣的原材料组成有关，发电炉底渣由高温焚烧产生的熔渣以及一定量的玻璃、陶瓷组成，颗粒性能较为稳定，耐酸、碱侵蚀能力优于采矿选矿废渣，因此，发电炉底渣有利于增强混凝土的抗酸、碱侵蚀能力。
（4）盐侵蚀破坏机理包括与水泥石反应生成可溶物或者在混凝土内部结晶产生结晶压力，但发电炉底渣的成分相对复杂，可能存在与侵蚀性离子发生反应生成稳定物质的杂质，又由于杂质成分具有波动性，导致不同批次发电炉底渣混凝土的抗盐侵蚀能力波动性较大。
5 结论
分析生活垃圾焚烧发电炉底渣部分取代采矿选矿废渣制备混凝土的稳定性、安定性、长期力学性能及耐久性能测试结果，可得出以下结论：
（1）不同批次发电炉底渣混凝土抗压强度的偏差基本稳定在试验误差范围内，不同批次发电炉底渣配制的混凝土性能稳定性较好。
（2）用30%的发电炉底渣取代采矿选矿废渣制备混凝土，不同批次发电炉底渣的安定性能较为稳定，试件膨胀率最高0.04%，安定性满足标准≤0.80%的要求。
（3）由于发电炉底渣含有较多杂质，与水泥石的界面粘结力较差，且发电炉渣中的玻璃、陶瓷等成分的膨胀系数与水泥石、普通骨料相差较大，使得混凝土内部结构易发生脱粘或浆体开裂，发电炉底渣对混凝土后期强度的发展有不利影响；随着龄期的增长，混凝土的抗压强度均呈现上升的趋势，不同批次发电炉底渣混凝土的抗压强度逐步接近，发电炉底渣混凝土强度性能稳定性随龄期增长而提高。
（4）掺发电炉底渣的混凝土抗冻性与基准混凝土相近；掺加发电炉底渣混凝土软化系数低于基准混凝土，发电炉底渣对混凝土软化系数有不利影响，但仍满足《墙体材料应用统一技术规范》（GB 50574-2010）规定的块体材料软化系数不小于0.85的要求；掺入发电炉底渣的混凝土干燥收缩值小于基准混凝土，28d干燥收缩值降低7%~12%；发电炉底渣混凝土受盐溶液侵蚀的劣化影响最大，强度降低，耐酸、碱侵蚀性能相对优于基准混凝土。
参考文献
[] BERTOLINI L,CARSANA M,CASSAGO D,et al.MSWI Ashes Asmineral Additions in Concrete[J].Cement and Concrete Research,2004(10):1899-1906.
[] 董恒瑞,邓铃夕,王海标.以炉底渣和破碎加气混凝土为轻骨料制备轻质混凝土的试验研究[J].重庆建筑,2020,19(04):26-29.
[] 姜少波.电厂炉底渣在蒸压加气混凝土生产中的应用实践[J].建筑砌块与砌块建筑,2016(04):43-45.
[] 郑建峰,周雪原,宋敏生,李恒芳,李彦龙,眭立,牟龙.利用电厂炉底渣生产轻集料混凝土小型空心砌块的实践[J].建筑砌块与砌块建筑,2014(05):4-6+13.