掺预处理垃圾焚烧飞灰水泥土的抗剪强度和浸出毒性试验研究

梁仕华，何 超，龚 星，冯德銮，刘 亮

(广东工业大学土木与交通工程学院，广州 510006)

0 引 言

由于城市化进程加快，中国每年产生的城市固体废物(MSW)数量激增。焚烧是一种有效的MSW处理方法，可大大减少废物量[1-2]。垃圾焚烧飞灰是一种有毒污染物[3-4]，易对人类与环境造成伤害和污染，必须经过稳定化/固化处理[5-13]。处理后的垃圾焚烧飞灰中含有多种氧化物,具有质轻比重小、孔隙大、多孔松散体等优点[14-16]。在确保安全处理的前提下，研究垃圾焚烧飞灰的工程应用对其资源化利用具有重要意义。垃圾焚烧飞灰与石灰、粉煤灰等材料十分相似，目前，国内外学者的研究大多针对石灰和粉煤灰固化土的力学特性，量化石灰和粉煤灰对土体的固化效果[17]。粉煤灰掺入水泥土中会产生大量硅酸盐水化物，大大增强固化土的结构强度[18]。掺入高钙粉煤灰可提高重金属污染土的强度,并能抑制重金属离子的滤出，高钙粉煤灰固化土的强度随干湿循环次数的增加,呈先增大后减小的趋势[19]。然而，对处理后垃圾焚烧飞灰用于加固土的研究并无人涉及。

本文通过水洗和硫酸亚铁药剂处理垃圾焚烧飞灰，保证其浸出毒性符合《危险废物鉴别标准 浸出毒性鉴别》(GB 5085.3—2007)[20]后，将其掺入水泥固化软土中，对掺垃圾焚烧飞灰的水泥土进行了固结不排水试验、浸出毒性试验和电镜扫描试验，分析了水泥土的固化效果和重金属浸出毒性，讨论了焚烧飞灰对水泥土的固化机理，以期为垃圾焚烧飞灰的工程化利用提供科学依据。

1 实 验

1.1 试验材料

在广州某垃圾焚烧厂收集垃圾焚烧飞灰。采用《固体废物 浸出毒性浸出方法 硫酸硝酸法》 (HJ/T 299—2007)[21]进行浸出毒性试验。如表1所示，主要浸出元素为铬、铅。对垃圾焚烧飞灰进行水洗和硫酸亚铁(掺入比为硫酸亚铁药剂质量为软土质量的4%)处理后的重金属浸出量满足规范。后文仅对重金属浸出量较大者进行分析。试验用土取自广州南沙某工地，土样指标见表2。

表1 焚烧飞灰浸出毒性试验结果Table 1 Toxicity test of MWSI fly ash leaching

注： ND为低于检测阀值。

表2 土体参数Table 2 Parameters of soil

1.2 试验方法

在105～110 ℃的温度下烘干软土，取出粉碎，通过直径2 mm的筛并保存在桶中。根据试验设计的水泥和飞灰的掺入量，均匀搅拌，控制水灰比为0.45，含水率为70%，开始制样。制成高80 mm，内径39.1 mm的标准试样，成型1 d后放入标准养护室中养护。标准养护室的温度为(20±5) ℃，相对湿度100%，养护到试验规定的龄期后，根据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)[22]将试样取出进行三轴固结不排水试验(围压100 kPa、200 kPa、300 kPa)，对于掺入20%水泥的试样，围压取600 kPa。试验方案如表3所示。

表3 试验方案设计Table 3 Experimental design

注：编号An，Bn，Cn为水泥和飞灰的梯度水平。如：试验A1代表掺入水泥和飞灰为10%和0%，试验A2代表掺入水泥和飞灰为10%和5%，试验A3代表掺入水泥和飞灰为10%和10%，试验B1代表掺入水泥和飞灰为15%和0%，以此类推。

1.3 SEM测试

对掺入垃圾焚烧飞灰的水泥土进行扫描电子显微镜观测，研究其微观特性。先对试样进行烘干处理后，取出固定并放入真空设备中进行喷金处理，再用仪器美国FEI Quanta 650型扫描电子显微镜放大5000倍扫描分析，得到掺垃圾焚烧飞灰的水泥土的电镜扫描照片。

2 结果与讨论

2.1 三轴固结不排水试验

由抗剪强度包络线图(图1)可得各组别的粘聚力和内摩擦角，如图2所示，表4为结果汇总。

图1 抗剪强度包络线图
Fig.1 Shear strength envelope diagram

图2 飞灰掺量对水泥土抗剪强度影响
Fig.2 Effect of fly ash content on shear strength of cement-soil

表4 三轴试验结果
Table 4 Triaxial test results

组别指标 A1A2A3B1B2B3C1C2C3φ/(°)8.019.6610.8813.8415.4816.5215.8916.4818.12c/kPa132211.00320.15242.68300.28476.02388.84421.89558.06

从图1、图2和表4分析得，相同水泥掺量下，掺入一定量的飞灰，抗剪强度指标提高。这是因为垃圾焚烧飞灰具备与粉煤灰相似的性质，飞灰微细颗粒分布于固化土孔隙内，使得土壤和飞灰的界面紧密接触。飞灰颗粒呈球形并外表光滑，掺入水泥土后可滚球润滑，起到减水作用。在固化土中，在水泥固化土中，活性组分(如二氧化硅、活性氧化铝等)可与水化产物发生反应，生成的火山灰反应产物，填充土壤孔隙，导致微观水平上的孔隙致密化并提高固化土强度，内摩擦角和粘聚力得到提高。在20%水泥掺量下，与不掺飞灰相比，掺入10%飞灰的水泥土内摩擦角增大14.03%，粘聚力提高43.81%；掺入15%水泥和10%飞灰的试样的内摩擦角和粘聚力分别增大19.36%和96.7%；在10%水泥掺量下，掺入10%飞灰的水泥土强度提高最明显，内摩擦角增大36%，粘聚力提高142.4%。这表明，在水泥土中掺入一定量的垃圾焚烧飞灰，可在一定程度上提高水泥土的抗剪强度，这为垃圾焚烧飞灰的工程应用提供科学依据。

2.2 SEM分析

从图3可以看出，掺垃圾焚烧飞灰的水泥土含有大量不同大小的胶结物，结构多呈块状、团状或颗粒状，水泥的水化反应使颗粒胶结在一块，整体致密性大大提高，最终导致固化土的宏观强度提高。

图3 不同水泥/飞灰配比下试样的SEM图
Fig.3 SEM images of samples with different cement/fly ash

掺入预处理垃圾焚烧飞灰的水泥土强度特征是其微观特性的宏观表现，两者联系紧密。在相同水泥掺量下，随着处理后飞灰掺入，飞灰微细颗粒分布于水泥浆体的集相之中，起到微集料效应，显著地增强了水泥土的结构强度；随着胶结反应和水泥水化反应的进行，垃圾焚烧飞灰和水泥加固土界面间的接触越趋紧密，这也证实了掺入一定量的垃圾焚烧飞灰能提高水泥土的强度。

2.3 浸出毒性试验

掺不同预处理垃圾焚烧飞灰的水泥土的滤出液中重金属离子浓度如表5所示。铬元素、铅元素、及锌元素的滤出液离子浓度均满足《危险废物鉴别标准 浸出毒性鉴别》(GB 5085.3—2007)。经水泥固化后重金属离子的滤出量显著降低，且随水泥掺量的增加而进一步降低；其中，滤出液中的Cr浸出浓度降低至少50%，Zn、Pb浸出浓度降低至少97%，并且Zn和Pb浸出浓度远远低于规范值。结果表明，水泥土中飞灰重金属元素浸出毒性显著降低，掺入飞灰的水泥土中，水泥的水化反应可生成大量水化胶凝体，这类胶凝体比表面积和表面吸附能大，对重金属起到包裹和吸附作用。同时，重金属离子还可经过置换和络合作用与晶格结合，生成的晶体结构更坚固、稳定，最终实现对重金属的固化/稳定[19]。故在确保垃圾焚烧飞灰的安全处理前提下，可将其应用于淤泥的固化。

表5 浸出毒性试验结果Table 5 Leaching toxicity test results

注：NT表示未测试样品。

3 结 论

(1)对掺处理后垃圾焚烧飞灰的水泥土进行三轴固结不排水试验。结果表明，随着水泥和飞灰含量的增加，水泥土的粘聚力提高和内摩擦角增大。当掺入10%飞灰和10%水泥，抗剪强度指标得到最大提升，内摩擦角增大36%，粘聚力提高142.4%。这表明，在水泥土中掺入适量的处理后飞灰，可进一步提升水泥土的抗剪强度。

(2)对试样进行电镜扫描试验。处理后飞灰的掺入令水泥土颗粒表面逐渐出现块状、团状胶结物，飞灰微细颗粒分布于水泥浆体的集相之中，就像细微的集料一样。微集料效应显著地增强了水泥土的结构强度，伴随着水泥水化反应和火山灰反应的进行，垃圾焚烧飞灰和水泥加固土界面间的接触越趋紧密，整体性和致密性提高，这也从侧面证实了掺入一定量的垃圾焚烧飞灰能提高水泥土的强度。

(3)对掺处理后垃圾焚烧飞灰的水泥土进行浸出毒性试验。结果表明，重金属元素铬、铅、锌远低于规范要求的控制值，铬元素浸出量降低至少50%，锌、铅元素降低至少97%，均满足《危险废物鉴别标准 浸出毒性鉴别》(GB 5085.3—2007)的标准，为垃圾焚烧飞灰的工程应用提供科学理论依据。