□□ 孫保金 (蘇州市相城區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)站有限公司，江蘇 蘇州 215000)

引言

垃圾焚燒飛灰(以下簡(jiǎn)稱“飛灰”)是生活垃圾焚燒煙氣凈化系統(tǒng)收集而得的殘余物，因含有一些重金屬等污染成分，若處理不當(dāng)，將會(huì)造成重金屬遷移，進(jìn)而污染地下水、土壤及空氣，因此如何安全有效地處置垃圾焚燒飛灰已成為急需解決的環(huán)境問(wèn)題之一[1-5]。本文以蘇州市城市垃圾焚燒飛灰為主要研究對(duì)象，采用水洗、酸洗、鹽洗等方式對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，進(jìn)而部分替代水泥制成飛灰-水泥復(fù)合體系，測(cè)定其凝結(jié)時(shí)間、凈漿抗壓強(qiáng)度等物理力學(xué)性能，同時(shí)采用紅外光譜法對(duì)該體系的水化過(guò)程進(jìn)行分析探討，以期為該地區(qū)垃圾焚燒飛灰預(yù)處理及其應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 原材料

焚燒飛灰取自蘇州市七子山垃圾焚燒廠，為淡灰色干燥粒狀粉末，運(yùn)用化學(xué)全分析的方法分析原樣飛灰的化學(xué)組成，其主要化學(xué)組成分見(jiàn)表1。由表1可知，其化學(xué)成分中SiO2和CaO的含量較高，兩者之和為51.48%。

表1 原樣飛灰的化學(xué)成分 %

試驗(yàn)中選用小野田P·Ⅱ 52.5水泥，比表面積為374 m2/kg，其他物理性能見(jiàn)表2。

表2 水泥的物理性能

膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)所需的標(biāo)準(zhǔn)砂用市售黃砂代替，其細(xì)度模數(shù)為2.34，屬于中砂，物理性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 砂子物理性能

另外，預(yù)處理飛灰試樣時(shí)所用的冰醋酸、磷酸、FeSO4溶液均為市售；成型過(guò)程所用的聚羧酸鹽減水劑(固含量為38.4%)來(lái)自于蘇州興邦化學(xué)建材有限公司。

2 飛灰的預(yù)處理

采用自來(lái)水、磷酸、冰醋酸、硫酸亞鐵分別對(duì)飛灰進(jìn)行處理，平行制成4份分析樣。各處理過(guò)程具體為：

(1)水處理飛灰。將飛灰與水以1∶8的固液比置于容器內(nèi)，攪拌1 min，洗3次后取下層漿體倒入托盤(pán)放進(jìn)烘箱，設(shè)置烘箱溫度為105 ℃。因烘干后飛灰呈大塊狀，故將大塊飛灰置于球磨機(jī)內(nèi)研磨10 min后取出，最后把磨細(xì)的飛灰置于自封密封袋中保存。

(2)磷酸處理飛灰。平均1 kg飛灰用30 g磷酸處理。將飛灰與磷酸溶液以1∶6的固液比置于容器內(nèi)，攪拌1 min，靜止12 h后取下層漿體，在設(shè)定溫度為105 ℃的烘箱內(nèi)烘干。之后的操作同水處理過(guò)程。

(3)冰醋酸處理、FeSO4溶液處理過(guò)程與磷酸處理過(guò)程相同。

3 預(yù)處理飛灰對(duì)水泥力學(xué)性能的影響

將不同方法預(yù)處理所得飛灰以30%摻量替代小野田水泥后，制成飛灰水泥的膠砂試樣，攪拌后進(jìn)行跳桌實(shí)驗(yàn)，記錄其流動(dòng)度數(shù)據(jù)見(jiàn)表4，然后置于膠砂試模中成型，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期后，測(cè)定抗折、抗壓強(qiáng)度結(jié)果見(jiàn)表4。其中，試驗(yàn)采用了非標(biāo)準(zhǔn)砂，根據(jù)成型過(guò)程中的實(shí)際情況，將膠砂比調(diào)整為1∶2.5，同時(shí)，為了成型需要，各組試樣在成型過(guò)程中均外加7‰的聚羧酸鹽減水劑。

其中，膠砂流動(dòng)度試驗(yàn)參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2419—2004《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》；膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)參照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》。

表4 飛灰水泥的物理力學(xué)性能

由表4可以看出，基準(zhǔn)水泥的流動(dòng)度為180 mm，當(dāng)摻有飛灰時(shí)，由于飛灰吸水性較大，水泥砂漿的流動(dòng)度降低，但其中水處理和冰醋酸處理的飛灰卻不同程度地增大水泥砂漿的流動(dòng)度，這是因?yàn)榻?jīng)過(guò)水處理和冰醋酸處理的飛灰需水性減小?；鶞?zhǔn)水泥與非標(biāo)準(zhǔn)砂制成的水泥試塊28 d抗壓強(qiáng)度只有47.1 MPa，比基準(zhǔn)水泥與標(biāo)準(zhǔn)砂制成的水泥試塊28 d強(qiáng)度52.7 MPa低了5.6 MPa。摻入未處理飛灰后的水泥試塊3個(gè)齡期的強(qiáng)度均有所降低，且降幅較大。由表4還可看出，經(jīng)過(guò)不同方法預(yù)處理后，飛灰的性能發(fā)生了較大改變，其中水處理的效果較好，主要表現(xiàn)在水泥強(qiáng)度方面，水處理的飛灰摻入水泥后，水泥強(qiáng)度得到了很大提高。各組試樣的抗折強(qiáng)度隨著齡期的增長(zhǎng)而增大，但摻入原樣飛灰的水泥7 d抗折強(qiáng)度增幅最小，僅從1.8 MPa增長(zhǎng)到1.9 MPa，這可能是由于未處理飛灰所含的非活性物質(zhì)較多，故而強(qiáng)度增長(zhǎng)較小[6-7]。經(jīng)FeSO4溶液處理后的飛灰制成的試塊抗壓強(qiáng)度比酸處理的飛灰試塊抗壓強(qiáng)度略高。磷酸和冰醋酸兩種酸洗方法對(duì)比，發(fā)現(xiàn)此兩種酸處理對(duì)試件強(qiáng)度的改善效果相似，冰醋酸處理后的飛灰所制試樣的流動(dòng)度較大，利于成型，且從經(jīng)濟(jì)方面考慮，選冰醋酸成本較低。

4 水化過(guò)程機(jī)理分析

對(duì)水化過(guò)程機(jī)理進(jìn)行分析前需要制備水化樣。水化樣的制備過(guò)程為：將所制的膠凝材料凈漿試樣放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)，分別養(yǎng)護(hù)至所需齡期后，將其立即破碎，取其核心部分浸泡于無(wú)水乙醇中以終止水化，之后用行星磨磨細(xì)，抽濾、烘干，密封保存待用。

選用不同預(yù)處理方式的飛灰，進(jìn)而制備飛灰-水泥復(fù)合體系，固定水灰比為0.38，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)至7 d、28 d，制備水化樣進(jìn)行IR分析，其中不同預(yù)處理后的飛灰紅外光譜如圖1所示，飛灰-水泥復(fù)合體系7 d和28 d水化樣的紅外光譜分別如圖2和圖3所示。

圖1 各預(yù)處理飛灰紅外光譜圖

圖2 7 d水化樣紅外光譜圖

圖3 28 d水化樣紅外光譜

圖1中3 550～3 720 cm-1收縮頻率范圍符合無(wú)水堿性氫氧化物(OH-)的伸縮頻率范圍，由此可以確定四種飛灰中OH-的存在，推測(cè)可能是Ca(OH)2中的OH-；硅酸根的紅外光譜中，出現(xiàn)了兩個(gè)范圍的吸收譜帶，均位于860～1 175 cm-1范圍；SO42-的吸收譜帶范圍分別位于1 210～1 040 cm-1、1 036～960 cm-1、680～580 cm-1，從而推測(cè)飛灰中可能含有CaSO4[8]。

由圖2和圖3可以看出，隨著水化齡期的增長(zhǎng)，相同波數(shù)處的峰值發(fā)生變化。波數(shù)為998 cm-1處的峰是由于C3S隨齡期的增長(zhǎng)不斷水化生成水化硅酸鈣；波數(shù)為1 440 cm-1處的峰是由于C3A不斷水化生成大量的水化鋁酸鈣，很顯然摻入飛灰后的飛灰-水泥體系中C3A含量較少，隨著水化齡期的延長(zhǎng)，在1 120 cm-1處均有吸收峰，且并沒(méi)有發(fā)生峰值的變化。其他相同波數(shù)處峰的峰值大小則出現(xiàn)小幅度偏移。其中，隨著水化齡期的延長(zhǎng)，波數(shù)為970 cm-1處的峰因C3S不斷水化移至水化硅酸鈣出現(xiàn)(波數(shù)為998 cm-1)，這是由于飛灰里面的活性物質(zhì)與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)，影響了飛灰-水泥體系的膠砂強(qiáng)度[9-10]。

5 結(jié)論

5.1 飛灰-水泥體系中，水泥自身水化提供一部分強(qiáng)度，水泥水化產(chǎn)物中含有大量的Ca(OH)2等堿性物質(zhì)，這些堿性物質(zhì)可以激發(fā)飛灰活性，使未水化的飛灰水化，即二次水化提高強(qiáng)度。

5.2 經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，飛灰中的堿性物質(zhì)和氯鹽會(huì)減少，這對(duì)飛灰-水泥體系的前期水化過(guò)程有影響，水化中期C3S水化產(chǎn)生的Ca(OH)2可以激發(fā)飛灰的潛在活性，最終使飛灰-水泥體系的膠砂強(qiáng)度得以提高。