道路用炉渣集料的稳定化处理研究

张春良 周通 刘永国 薛永超

华邦建投集团股份有限公司 东南大学

摘 要：为改善道路用炉渣的集料性能，拓展其在道路工程中的应用范围，设计了一种将炉渣与污泥联合稳定化处理的方法，并对稳定化处理后的炉渣进行集料性能检测。研究结果表明:炉渣和污泥的联合稳定化处理可显著加快炉渣的碳酸化过程，有效提高炉渣的集料性能;干基比为8∶2或7∶3时，炉渣与污泥稳定化处理效果最好，且效率较高;稳定化处理前后，炉渣颗粒的吸水率下降了60.7%，压碎值降低了54.3%，其整体性能趋近于天然玄武岩集料，有效提高了炉渣的工程集料性能。

关键词：道路工程;炉渣;污泥;碳酸化;联合稳定化;

0 引言

城市生活垃圾焚烧处理，具备占地面积少、卫生条件好、减量化程度高的优点，已成为城市生活垃圾的主流处理方法之一[1]。然而焚烧处理后产生的炉渣颗粒给生态环境带来了巨大的压力，据统计，2020年我国垃圾焚烧厂日产炉渣约4.0×104t(按20%计算)[2]。拓展炉渣的资源化利用途径，提高其资源化利用率已成为研究者的共识。

由于炉渣与道路工程中的天然集料存在一定的相似性[3]，且天然集料的开采对环境存在不利影响，因此研究者对其在道路工程领域的应用展开了探索。然而由于新制炉渣中的钙离子主要以氢氧化物的形式存在，其力学强度有限，且炉渣中的重金属会随时间增长而发生浸出反应[4,5,6]，进而降低炉渣的力学性能。因此现阶段炉渣与天然集料相比存在一定差距，炉渣沥青混合料的性能要低于一般沥青混合料，其在道路工程中的应用有限，利用率也不高。

为改善炉渣颗粒的集料性能，促进其在道路工程中的应用，设计了一种炉渣稳定化处理方法，通过将炉渣与污泥一同联合稳定化处理，利用污泥中丰富的微生物加速炉渣颗粒中金属盐的析出与钙离子的碳酸化进程，以提高炉渣颗粒的力学性能，缩小炉渣颗粒性能的波动范围，促进炉渣的资源化利用。

1 联合稳定化处理机理

对炉渣进行预处理可以有效增强其力学性能并提高其内部金属盐的化学稳定性，主要方法包括风化处理、固化处理与高温热处理等[7]。自然风化处理由于具有前期投资少、后期运行成本低、产物性能优良的优势，发展潜力较好。碳酸化是自然风化处理过程中极为关键的一步，通过改变物质的矿物学特征，使物质稳定化。风化处理主要通过炉渣中的Ca(OH)2、金属盐等碱性物质与空气中CO2缓慢的碳酸化反应生成Ca CO3等沉淀，以改善炉渣的多孔结构，提高其集料性能。

基于炉渣风化处理的碳酸化过程，可利用污泥中微生物新陈代谢产生的CO2加快炉渣的碳酸化进程，构建炉渣与污泥的联合稳定化处理体系，其主要反应机理如下所示:

(1)污泥中微生物的新陈代谢产生CO2，提高了水中CO32-离子的含量。

(2)炉渣中钙盐(以Ca(OH)2为主)的碳酸化反应过程将消耗大量的OH-离子，反应产物为碳酸钙Ca CO3，使得联合稳定系统的整体p H值下降。

(3)炉渣碳酸化所生成的Ca CO3，在外部压力与环境因素耦合作用下将转变为方解石晶体，其结构强度更大，力学性能有较大的提升。

(4)联合稳定系统p H值的降低，将使重金属盐类在炉渣材料中的溶解度下降，促进其析出。

(5)部分重金属元素(Pb、Cu、Zn等)也会发生碳酸化反应，所生成的碳酸盐溶解度更小，进一步促进重金属元素的析出。

(6)发生碳酸化反应和未发生碳酸化反应的重金属元素在联合稳定化过程中，都将被碳酸化生成的方解石(碳酸钙Ca CO3)充分包裹，形成性质稳定的复合结构。

2 材料与方法

2.1 炉渣与污泥的基本性质

炉渣是生活垃圾经高温焚烧处理后的产物，由于曾在900～1200℃的高温下长时间烘烤，具有内部结构疏松多孔、吸水率高的特性，承载能力与一般天然集料存在一定差距[4]。炉渣呈碱性，p H值大于等于10，并含有大量的重金属，金属元素在炉渣中会与CO32-离子和OH-离子缓慢反应，生成溶解度较小的盐类，进而从炉渣表面析出，影响炉渣颗粒的整体力学性能。城市生活垃圾所产生的污泥一般为黄褐色絮状的半固体，主要成分为微生物菌群、有机物、无机颗粒和水，其p H值在6～7.5之间，含水率通常大于70%，含有较多重金属元素。

研究所用的炉渣、污泥均取自雷州生活垃圾焚烧厂。每日从垃圾焚烧厂采集50kg炉渣和40kg脱水后的污泥，持续两周，取回的炉渣样品、污泥需分开均匀搅拌混合，再将两者分别置于阴凉干燥的区域使其自然风干，最后筛掉较大的未燃物及杂质，试验用污泥的含水率为45%～60%。试验用炉渣和污泥样品的基本性质如表1所示。

表1 试验用炉渣与污泥的基本性质 下载原图

2.2 炉渣与污泥联合稳定化处理

联合稳定化处理方法主要通过图1所示的联合稳定化反应池来实现。反应池尺寸为0.9m×0.9m×0.1m，由四块PVC板拼合而成，柱体中央设有直径10cm的铁丝 导管，侧面设置有横向并列三根直径20mm的辅助导气管，导气管上均匀排布直径4mm的圆形小孔，各孔孔距为12mm，以提供空气流通。反应池下部为滤 和集液池，用以接收向下渗出的液体。

图1 联合稳定化反应池 下载原图

设置五个试验组进行炉渣与污泥的联合稳定化研究，试验组中炉渣与污泥的质量比例分别为10∶0(只含有炉渣)、9∶1、8∶2、7∶3和6∶4，分别均匀填入5个反应池中。各试验组内混合物的基本性质如表2所示。

表2 各试验组内混合物的基本性质 下载原图

试验周期设为24周，单周期时间设为7天。每周期末，在稳定化反应池上选三个点取样并混合均匀。将取样烘干后研磨至150目，再进行相关试验。

2.3 试验方法

将取得的样品研磨，按比例加入蒸馏水，样品与蒸馏水质量比为5∶1。试验温度设定为25℃，震荡混合时间设为30min，震荡混合后用酸度计检测混合物的p H值。

将各反应池内取得的炉渣和污泥混合物在440℃下灼烧，通过计算灼烧前后物质的质量损失比例，得到混合物的有机质含量。由于炉渣内部存在部分矿物组分易与水结合生成不稳定的水化物，在高温灼烧时分解成为气体逸出。此外为研究不同炉渣与污泥比例对稳定化处理的影响，采用了干基比作为控制因素，这导致不同稳定体系炉渣的掺加量是不同的，难以简单对比。因此采用1号空白组作为标准，假设各联合稳定体系的水化反应相同，通过式(1)换算所掺加污泥的有机质占比，再通过式(2)反推联合稳定体系的稳定化进程。

式中，mC代表污泥中有机质的占比;mbef和maft分别代表高温灼烧前、后的试样质量;代表所测联合稳定体系中炉渣的占比;c2代表空白组中有机质的含量。

式中，DOC代表试样中溶解性碳的含量;p1代表空白组样品的溶解性碳的含量;p代表掺有污泥的联合稳定体系混合物中溶解性碳的含量。

通过检测炉渣和污泥联合稳定化处理体系的p H值、有机质的含量与DOC的含量，判断炉渣碳酸化进程的快慢，探究不同炉渣与污泥干基比对联合稳定化处理体系效率的影响。

按照规范[8]对联合稳定化处理前后的炉渣进行性能试验，将其与天然玄武岩集料进行对比，评价联合稳定化处理的效果。

3 炉渣与污泥联合化稳定处理成效

3.1 p H值检测结果

5组混合物在不同稳定周期下的p H值检测结果见图2所示。

图2 不同比例混合物在不同稳定周期的p H变化 下载原图

由图2可知，加入不同比例的污泥后，混合物的初始p H值均存在明显的下降。经过风化堆放处理，随着时间增长，各组试样的整体p H值均存在下降趋势。1号稳定体系由于只含有炉渣，经过24个周期的风化反应后，其p H值仍大于10;对于掺有污泥的稳定体系，经过24个周期的风化反应后，其p H值均明显小于10。对比四种不同干基比混合物的稳定化p H值，可知当炉渣与污泥干基比例为8∶2、7∶3与6∶4时，联合稳定体系p H值的降低效果最好，炉渣具有较快的碳酸化进程。同时综合稳定化处理效率，当炉渣与污泥干基比为8∶2和7∶3时，联合稳定化处理法的费效比最好。

3.2 有机碳含量检测结果

炉渣和污泥联合稳定化处理体系的有机物与DOC含量检测汇总结果如图3和图4所示。

图3 各联合稳定化处理体系中有机质的含量变化 下载原图

图4 各联合稳定化处理体系中DOC的含量变化 下载原图

由图3可知，不同干基比联合稳定体系的有机质含量随时间的增长而减小，其中2号、3号、4号和5号联合稳定体系的有机质初始含量分别为46.5%、45.3%、43.8%和43.1%，经24个周期的联合稳定化处理，分别下降至33.7%、26.2%、24.4%和21.7%，其有机物降解率分别为27.53%、42.16%、44.29%与49.65%。说明经过联合稳定化处理，污泥中的有机质得到了充分的消耗。

由图4可知，不同干基比的联合稳定化处理体系中DOC的含量整体呈下降趋势，其中3号、4号和5号反应体系的DOC含量下降最为显著，DOC值分别下降了9.5×103mg/kg、8.6×103mg/kg、8.2×103mg/kg和7.9×103mg/kg，降解率分别为46.02%、50.29%、48.43%和46.62%。由此可知，各联合稳定化处理体系中的有机物逐渐被微生物利用分解，体系的碳酸化反应进行正常。

由试验结果可知，联合稳定化处理法可促进炉渣的碳酸化反应，有效地将炉渣与污泥稳定化。综合稳定化处理试验结果，可知当炉渣与污泥的干基比为8∶2和7∶3时，联合稳定化处理法的费效比最高。

3.3 稳定化处理后的炉渣性能研究

天然玄武岩集料具备优良的力学性能，被广泛应用于沥青混合料中，选用天然玄武岩集料与稳定化处理后的炉渣进行性能对比，以评价稳定化处理的效果，如表3所示。

表3 稳定化处理前后炉渣颗粒与玄武岩集料的基本性能指标 下载原图

由表3可知，未经稳定化处理炉渣的集料性能较天然玄武岩集料存在较大差距，而稳定化处理后炉渣的集料性能则明显趋近于天然玄武岩集料。经稳定化处理后，炉渣颗粒的吸水率最高降低了了60.7%，且颗粒的表观密度与堆积密度亦得到了一定提高，这说明稳定化处理有效降低了炉渣颗粒的开口孔隙，其致密性得到明显改善。由于炉渣颗粒含有大量的金属盐，其p H值一般≥10，该类金属盐会随着时间的增长而逐渐析出，这将增加炉渣颗粒的孔隙数，进而降低其结构强度。经稳定化处理的炉渣，其p H值明显下降，最高降幅可达到21.9%，说明稳定化处理减少了炉渣中金属盐的含量，有利于炉渣结构强度的提高。压碎值是道路工程集料重要的力学指标，过高的压碎值易导致混合料出现坑槽、早期开裂等病害。稳定化处理前后，压碎值的最大降幅可达54.3%，说明三种粒径炉渣颗粒的力学性能得到明显增强，有利于炉渣颗粒在沥青混合料中的应用。

4 结论

为增强城市生活垃圾焚烧炉渣的力学性能，提高炉渣的资源化利用率，践行可持续发展理念，基于炉渣在风化处理过程中的碳酸化反应，设计了一种将焚烧炉渣与污泥联合稳定化的处理方法，主要结论如下:

(1)基于炉渣的自然风化处理的碳酸化反应，提出一种通过碳酸化反应降低炉渣的碱性，并同时增加炉渣内碳酸钙含量的稳定化处理方法，拓展了炉渣颗粒的稳定化处理方法和再利用途径。

(2)将炉渣与污泥混合堆置进行风化处理，可明显加快炉渣的碳酸化过程。炉渣通过碳酸化可生成Ca CO3以增强结构力学性能，提高其耐久性。当炉渣与污泥的干基比为8∶2或7∶3时，稳定化处理效果最好，且效率较高。

(3)较稳定化处理前，稳定化处理后炉渣颗粒的吸水率下降了60.7%，压碎值降低了54.3%，其致密性与结构强度得到了明显改善，其整体性能趋近于玄武岩集料，可在沥青混合料中取得更好应用效果。

参考文献

[1] 林莉，颜未蔚，杨国栋，等．垃圾焚烧炉渣特性分析及制备免烧砖技术研究[J]．环境科学研究，2021(5):1238-1246.

[2] 袁满昌，温冬．焚烧炉渣的综合处理与资源化利用研究[J]．环境卫生工程，2019(2):45-50.

[3] 过震文，郑云鹏，胡明君．生活垃圾焚烧炉渣集料变异性及其对沥青混合料性能影响[J]．石油沥青，2020(6):21-27+40.

[4] 徐斌，何昌轩，胡艳军，等．柱淋滤模式下生活垃圾焚烧炉渣中Cu2+和Zn2+浸出规律[J]．化工进展，2020(S2):406-412.

[5] 孙瑜，李立寒，黄崇伟．垃圾焚烧炉渣沥青混合料的基本性能[J]．建筑材料学 ，2020(4):978-983.

[6] 朱亚婷．透水炉渣沥青混合料的路用性能及环境安全性研究[D]．南京:南京林业大学，2019.

[7] 南晓杰．垃圾焚烧炉渣与城市污泥协同稳定过程及重金属环境行为研究[D]．重庆:重庆大学，2015.

[8] 中华人民共和国交通部．公路工程集料试验规程:JTG E42-2005[S]．北京:人民交通出版社，2005.