CN100336758C - 利用焚烧飞灰作为掺合料配制生态混凝土的方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种利用垃圾焚烧飞灰作为掺合料配制生态混凝土的方法。它由水泥、活性矿渣粉和焚烧飞灰作为胶凝材料，并配以辅助材料沸石和外加剂(硅酸钠、减水剂)按一定配比组成。该混凝土具有良好的力学性能和优异的抗渗性能，而且对焚烧飞灰中的重金属等有害物质予以有效吸附、容纳和稳定，使其不易被浸出，符合安全使用标准。本发明将焚烧飞灰加以再生利用，变废为宝，肯有显著社会效益和经济效益。

Description

利用焚烧飞灰作为掺合料配制生态混凝土的方法

技术领域

本发明属建筑材料技术领域，具体涉及一种利用焚烧飞灰作为掺合料配制生态混凝土的方法。

背景技术

随着城市建设的飞速发展，我国城市废弃物的排放也急剧增加，已成为制约经济发展的重要因素。如何经济有效地治理这些垃圾，防止污染，这是一个跨世纪的环保热点问题。废弃物的有效处理或再生利用，不仅技术要求较高，且投资及处理费用亦大。城市废弃物的处理方法有直接填埋、堆肥和焚烧等，我国大部分城市都采用直接填埋。随着可用填埋场地的减少和填埋成本的提高，堆肥因市场原因受到大规模限制且堆肥质量不理想，垃圾焚烧法越来越受到重视。垃圾焚烧技术由于可以有效地破坏有机毒性物质，大大降低垃圾的体积，而且可以回收能源，将会成为我国垃圾资源化、无害化和减容化处理技术的重要研究和发展方向。

但是垃圾焚烧后总会产生一定数量的焚烧灰渣。根据垃圾组成和焚烧温度，焚烧时间的不同，残渣的量约占垃圾焚烧前总重量的5～30％。同时，焚烧也必然会浓集某些化学成分，如重金属物质。垃圾焚烧产生的飞灰因其含有较高浸出浓度的铅和镉等重金属而属于重金属危险废物，在对其进行最终处置之前必须先经过固化/稳定化处理。目前我国城市垃圾的焚烧技术还处于摸索和经验积累阶段，焚烧炉的灰渣和烟气除尘器的飞灰(统称为焚烧灰渣)的处置还未得到足够的重视，几乎全部采取填埋或固化处理，有关焚烧灰渣的处置利用研究更是几近空白。传统的水泥固化技术在处理重金属废物时存在下列问题：(1)需要使用大量水泥，致使废物增容比较大，使固化的费用急剧增加而失去价廉的优势，同时也给后续的运输与处理带来困难；(2)水泥固化基质体的高孔隙率和高渗透性；(3)固化体的强度非常低(28d的强度仅0.35-0.70MPa)，而一些重金属(如Cu、Pb、Zn等)的加入会延缓水泥的凝结和硬化，固化体中的重金属在环境介质的侵蚀下将面临转移到环境中的潜在危险，对环境可能造成二次污染，以及固化体难以再生利用等问题。因此如何安全有效地处置利用焚烧飞灰已成为急需解决的环境和社会问题。与此同时，我们注意到焚烧飞灰中的主要化学成分与目前常用的高炉矿渣、粉煤灰等混凝土掺合料非常接近，均属CaO-SiO₂-Al₂O₃(Fe₂O₃)体系，所以焚烧飞灰既有污染性，又有资源利用性。国内外对焚烧飞灰的处置着重于无害化处理，而对其所具有的资源性却未能充分利用。国内外公开发表的文献中对焚烧飞灰的研究大多是关于如何将其稳定固化后填埋。

为解决城市生活垃圾的污染问题，仅上海市目前就已建成两大两小四个生活垃圾焚烧厂，垃圾处理量达3000t/d。如果按焚烧1t垃圾由20％灰渣生成，则四厂每天会有600t的焚烧灰渣生成。如此大量的灰渣产生，若未对其进行适当的处理和利用而直接堆置和倾倒，不仅会浪费资源，更严重地将会污染环境，对人民的生产和生活造成很大危害。如何将焚烧灰渣安全而有效地处置利用，是当前人们关注的一个重点课题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种以垃圾焚烧飞灰作为掺合料配制生态混凝土的方法，以便对焚烧飞灰进行资源化利用。

本发明提出的利用垃圾焚烧飞灰为掺合料配制生态混凝土的方法，以水泥、活性矿渣微粉和垃圾焚烧飞灰作为胶凝材料，并配以辅助材料沸石以及外加剂(硅酸钠、减水剂)等，其中，各组份的质量配比如下：

胶凝材料(总量为100％)：

水泥               30-70％

矿渣微粉           50-20％

焚烧飞灰           20-10％，

辅助材料和外加剂：

沸石               3-8％

硅酸钠             0.5-2％

减水剂             0.5-1.5％

辅助材料和外加剂的用料质量百分比按胶凝材料为基数计算。

本发明利用垃圾焚烧厂产生的焚烧飞灰取代部分水泥，并与其它掺合料、外加剂等进行复合改性，配制高性能混凝土，并确保其安全使用。将焚烧飞灰作为混凝土的掺合料再生利用，真正做到了变废为宝，这一发明将环境废弃物处置与材料科学的发展有机地溶为一体，是对焚烧飞灰等废弃物处置利用的突破，具有显著的社会效益和经济效益。

具体实施方式

所用焚烧飞灰取自上海浦东御桥垃圾焚烧厂烟气除尘器，经烘干、粉磨，控制其比表面积约为360m²/Kg。焚烧飞灰的主要化学成分波动范围见表1。

            表1  焚烧飞灰的主要化学成分波动范围(％)

名称	SiO2	Fe2O3	Al2O3	TiO2	CaO	MgO	SO3	Cl-	f-CaO	烧失量
											飞灰	22.5-26.5	3.0-5.0	6.2-8.5	0.3-0.9	21.3-25.5	2.1-3.2	11.0-12.5	8.5-10.0	0.5-1.5	20.0-22.0

从表1中可以看出焚烧飞灰中的主要化学成分也是CaO、SiO₂、Al₂O₃和Fe₂O₃，与目前常用的高炉矿渣、粉煤灰等混凝土掺合料非常接近。

但是焚烧飞灰中又含有较高浓度的重金属等有害物质，其重金属含量及浸出毒性见表2。

                         表2  焚烧飞灰的浸出毒性

金属名称	焚烧飞灰浸出液浓度(mg/l)	焚烧飞灰中重金属含量(mg/kg)	固体废物浸出毒性鉴别标准(mg/l)
				ZnPbCuCdCr	54.0-59.024.0-28.05.5-10.51.2-3.51.5-4.3	3000-45001200-1850380-68030.5-43.7128.0-160.5	503.0500.31.5

从表2可以看出，焚烧飞灰浸出液中Zn、Pb、Cd、Cr的浓度均高于固体废物浸出毒性鉴别标准(GB5085.3-1996)，也正是因为这一点使焚烧飞灰被普遍认为是一种危险废物，因此在对其最终利用时必须对其中重金属等有害物质进行特别处理。

下表是焚烧飞灰掺量为20％时对水泥浆体物理性能及力学性能的影响。从表中可以看出焚烧飞灰对水泥浆体物理性能影响较小，同时焚烧飞灰仍然具有一定的胶凝反应活性。

              表3  焚烧飞灰-水泥复合胶凝体系的物理及力学性能

	标准稠度需水量(％)	凝结时间		安定性	活性指数(％)	抗压强度(MPa)
									初凝(h:min)	终凝(h:min)	3d	7d	28d
		水泥	27.50			2:04	3:15	合格						100	45.4	56.2	62.5
焚烧飞灰-水泥	28.75			1:50	2:43				合格	57	42.3	50.0	54.9

为了克服普通水泥固化焚烧飞灰后强度低，有害物质浸出率高等缺陷，本实用新型技术提供一种新型安全利用焚烧飞灰配制生态混凝土的模式。在利用焚烧飞灰配制混凝土时，应注意两个方面的问题，一是混凝土的各项性能；二是确保混凝土中有害物质的浸出符合国家标准。众所周知，硅酸盐水泥的主要水化产物C-S-H凝胶具有退化的粘土构造，具有较强的离子吸附和交换能力，尤其是Al取代部分Si后，吸附和交换能力以及固化体的力学性能随C-S-H中Ca/Si比下降而提高，而C-S-H中Ca/Si与系统的酸度成反比。努力降低液相Ca(OH)₂浓度、提高系统酸度可以提高水泥固化体滞留有害离子的能力。掺加活性矿渣微粉，由于其活性SiO₂与水泥水化产生的Ca(OH)₂反应，消耗了Ca(OH)₂并形成C-S-H，提高了C-S-H吸附能力并改善了孔结构(新生C-S-H堵塞孔隙增加体系的致密度)。在混凝土中添加磨细沸石，一方面沸石具有强吸附性和离子交换吸附，从而可以容纳和稳定有害重金属，同时沸石还具有一定的胶凝活性，一举两得。另外通过降低水灰比、添加硅酸钠作为活性激发剂等措施，提高混凝土的力学性能和耐久性，并保证焚烧飞灰中重金属不易从混凝土中浸出，从而确保其安全使用。

生态混凝土配合比见表4。其中单位立方混凝土水泥用量为550kg，浆集比为35∶65。粗集料的最大粒径不超过20mm，连续级配。

                          表4  生态混凝土配合比

胶凝材料(100％)			沸石	硅酸钠	高效减水剂	水灰比	砂率
								水泥	矿渣	飞灰
40-60	30-40	10-20									5％	1％	1％	0.35	40％

生态混凝土的主要技术性能见下表。

                      表5  生态混凝土的主要技术性能

	流动性坍落度(mm)	抗压强度(MPa)			抗渗性(MPa)
						28d	60d	90d
		生态混凝土	175	60.2					65.5	68.7	1.2

从表中可以看出，生态混凝土具有良好的力学性能，同时具有优异的抗渗性，说明生态混凝土致密度很高，其优异的抗渗性也对其抵抗重金属的浸出非常有利。混凝土其它耐久性能与普通混凝土基本一样。重金属浸出试验按照《固体废物浸出毒性浸出方法水平振荡法》(GB5086.2-1997)进行，滤液用ICP进行分析，下表列出了28天龄期的生态混凝土中重金属的浸出情况。

                        表6  生态混凝土中重金属的浸出(mg/l)

	Zn	Pb	Cu	Cd	Cr
						生态混凝土	0.0221	ND	0.0032	0.0051	ND
固体废物浸出毒性鉴别标准	50	3.0	50	0.3	1.5

从表中可以看出，掺20％焚烧飞灰的混凝土重金属浸出量很低，说明焚烧飞灰在混凝土中由于稀释效应、胶凝材料对重金属的物理包容以及化学结合等共同作用，使得重金属在混凝土中得以稳定存在，其浸出远远低于固体废物浸出毒性鉴别标准。因此焚烧飞灰作为混凝土掺合料使用是安全可靠的。

Claims (1)

1、一种利用垃圾焚烧飞灰作为掺合料配制生态混凝土的方法，其特征在于以水泥、活性矿渣微粉和垃圾焚烧飞灰作为胶凝材料，并配以辅助材料沸石及外加剂，其中，各组份按质量配比如下：

胶凝材料，总量为100％：

水泥            30-70％

活性矿渣微粉    50-20％

焚烧飞灰        20-10％，

辅助材料和外加剂：

沸石            3-8％

硅酸钠          0.5-2％

减水剂          0.5-1.5％

辅助材料和外加剂的用料质量百分比按胶凝材料为基数计算。