CN111675514A - 生活垃圾焚烧飞灰在水泥稳定碎石混合料中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及生活垃圾焚烧飞灰在水泥稳定碎石混合料中的应用，属于环境工程与公路工程交叉技术领域。本发明的应用是将生活垃圾焚烧飞灰作为被稳定材料使用，生活垃圾焚烧飞灰首先与矿料混合，然后添加水、水泥拌制形成水泥稳定焚烧飞灰/碎石混合料，并且该水泥稳定焚烧飞灰/碎石混合料可以在公路路面基层、底基层中使用。本发明利用生活垃圾焚烧飞灰潜在的胶凝活性为水泥稳定碎石混合料提供辅助胶结作用，同时利用水泥稳定碎石混合料的固结作用稳定固化焚烧飞灰中含有的重金属成分，从而在两者的协同胶结作用下制备性能良好的水泥稳定焚烧飞灰/碎石混合料，并达到生活垃圾焚烧飞灰的资源化、无害化处置目标，同时为公路工程节省筑路材料、节约工程造价。

Description

生活垃圾焚烧飞灰在水泥稳定碎石混合料中的应用
技术领域
本发明属于环境工程与公路工程技术交叉领域，具体涉及生活垃圾焚烧飞灰在制备水泥 稳定焚烧飞灰/碎石混合料中的应用。
背景技术
随着社会和经济的高速发展，生活垃圾的产生量和堆积量逐年增加。垃圾焚烧是实现生 活垃圾无害化、减量化和资源化的主要方法之一。焚烧飞灰是生活垃圾焚烧厂烟气净化*** 的捕集物和烟道及烟囱底部沉降的底灰，焚烧飞灰中含有二噁英、可溶出性重金属及高含量 可溶盐，属于《国家危险废物名录》中的HW18类危险废物。焚烧飞灰资源化利用迫在眉睫。 焚烧飞灰的再生利用渴望被给予政策支持，2017年10月1日实施的《固体废物鉴别标准通 则》(GB34330-2017)明确赋予生活垃圾焚烧飞灰再利用的法律依据，其法令要点是：只要 废弃物再利用同时符合下述三个条件就不再视为废弃物，可以按照相应的产品管理：①只要 符合通行的产品质量标准；②溶出符合产品相应的有害物质限值；③有稳定合理的市场需求。 自此开启了焚烧飞灰的再利用探索之路。
众所周知，道路工程历来就有承纳、消解废弃物的功能，如曾经对社会、环境、民生造 成巨大危害的粉煤灰、高炉矿渣、煤矸石、固硫灰渣、锶盐废渣、铁尾矿砂等固废相继利用 在路基路面中，甚至粉煤灰、煤渣、钢渣、煤矸石、矿渣等已作为常用道路建材编入了公路 路基、路面基层、水泥混凝土路面、沥青路面等施工技术及设计规范中。综合国内外焚烧飞 灰处置现状可知，大规模的资源化利用途径还处于研究与探索中，焚烧飞灰的综合处置利用 主要集中在土木工程领域，如将焚烧飞灰用作填料或细骨料或矿物掺合料用于路基、路面、 路堤以及建筑物中......焚烧飞灰的资源化综合利用是可持续发展的必然趋势。重庆三峰环境从 2011年开始，致力于焚烧飞灰的无害化处置研发，完成了“生活垃圾焚烧飞灰二噁英低温热降 解工艺和设备研究”，建立了一条1吨/小时的二噁英低温热降解处理示范线，焚烧飞灰中二 噁英降解后≤10ng TEQ/kg，该项目于2014年通过重庆市环保局现场验收，同年通过环保部 科技成果鉴定。2014年重庆三峰环境、招商交科院联合中国环科院、招商局重庆渝黔高速等 单位创造性的将生活垃圾焚烧飞灰充当道路材料应用于沥青路面工程中，并成功铺筑了多条 科技示范路。近几年国内外对焚烧飞灰在道路工程中的应用显示出愈演愈烈的趋势。
鉴于生活垃圾焚烧飞灰的主要化学成分中含有CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3和MgO等，其中 CaO、Al2O3、Fe2O等具有一定的活性，能在路面基层强度形成过程中参与固化反应，为强度 形成贡献力量，因此，在生活垃圾焚烧飞灰的无害化处置迫在眉睫与资源化利用大势所趋的 情势下，利用生活垃圾焚烧飞灰的胶结充填作用将其作为道路材料回收运用于路面水泥稳定 碎石基层中，一方面利用生活垃圾焚烧飞灰的活性组分为水稳碎石混合料提供胶结作用，另 一方面利用水泥基材料的固结作用稳定固化生活垃圾焚烧飞灰含有的重金属成分，在两者的 协同胶结作用下达到生活垃圾焚烧飞灰的资源化、无害化处置目标，同时为公路工程节省筑 路材料、节约工程造价。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供生活垃圾焚烧飞灰在水泥稳定碎石混合料中的应用。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
1、生活垃圾焚烧飞灰在水泥稳定碎石混合料中的应用，所述应用中将生活垃圾焚烧飞灰 作为被稳定材料使用制备水泥稳定焚烧飞灰/碎石混合料，减少水泥稳定碎石混合料中粒径不 大于5mm的矿料用量。
优选的，所述水泥稳定焚烧飞灰/碎石混合料按照如下方法制备：首先将含水量不超过 20％的生活垃圾焚烧飞灰与矿料混合，加水拌和均匀后密封闷料6～24h，然后依次添加水泥 和水拌制均匀后形成水泥稳定焚烧飞灰/碎石混合料。
优选的，所述水泥稳定焚烧飞灰/碎石混合料中所述水泥质量占所述生活垃圾焚烧飞灰中 固体成分和矿料中固体成分总质量的3～6％。
优选的，所述水泥稳定碎石混合料中水泥质量占矿料中固体成分质量的3～6％。
优选的，所述生活垃圾焚烧飞灰中固体成分占生活垃圾焚烧飞灰中固体成分与矿料中固 体成分质量总和的百分比小于4％时，粒径不大于3mm的矿料使用量相比于水泥稳定碎石混 合料中降低的百分数最高为15.1％。
优选的，所述生活垃圾焚烧飞灰中固体成分占生活垃圾焚烧飞灰中固体成分与矿料中固 体成分质量总和的百分比小于4％时，粒径不大于3mm的矿料使用量相比于水泥稳定碎石混 合料中降低的百分数最高为12.5％。
优选的，所述生活垃圾焚烧飞灰中固体成分占生活垃圾焚烧飞灰中固体成分与矿料中固 体成分质量总和的百分比为4～6％时，粒径不大于3mm的矿料使用量相比于水泥稳定碎石混 合料中降低的百分数为20.8～56.6％。
优选的，所述生活垃圾焚烧飞灰中固体成分占生活垃圾焚烧飞灰中固体成分与矿料中固 体成分质量总和的百分比为4～6％时，粒径不大于5mm的矿料使用量相比于水泥稳定碎石混 合料中降低的百分数为15～45％。
优选的，所述矿料的级配类型为C-B-1型级配、C-B-2型级配、C-B-3型级配、C-C-2型 级配或CF-A-L型级配。
优选的，所述水泥为42.5级普通硅酸盐水泥。
优选的，所述生活垃圾焚烧飞灰的强度活性指数为54.7％。
优选的，所述生活垃圾焚烧飞灰的固体成分中二噁英含量≤10ng TEQ/kg。
优选的，所述生活垃圾焚烧飞灰的固体成分中CaO、SiO2、Al2O3和Fe2O3的总含量为45％～70％。
优选的，所述生活垃圾焚烧飞灰的固体成分中Cl含量不超过15％。
优选的，所述生活垃圾焚烧飞灰的固体成分中重金属的总含量不超过1％，所述重金属中 Zn、Pb、Cr、Cd、Cu和Mn的总含量不超过0.88％。
本发明的有益效果在于：
本发明公开了生活垃圾焚烧飞灰在水泥稳定碎石混合料中的应用，主要是将生活垃圾焚 烧飞灰作为被稳定材料使用，可以适当降低水泥稳定碎石中粒径不大于5mm的矿料的使用 量，从而形成一种新型的水泥稳定焚烧飞灰/碎石混合料。本发明的应用不但能够降低混合料 中粒径小于5mm的矿料的用量，为公路工程引入新的筑路材料，节约工程造价；而且能够实 现生活垃圾焚烧飞灰的大规模消耗与资源化清洁利用，首先，我国公路里程截至2019年已达 484.65万公里(居世界第一)，高级公路、一级公路、二级公路、三级公路无机结合料稳定 类基层厚度较厚，常用厚度分别为50～60cm、40～60cm、20～55cm、20～45cm，如此巨大的容 器能够大规模消纳生活垃圾焚烧飞灰，其次，生活垃圾焚烧飞灰中含CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3等活性组分，能在水泥基材料强度形成过程中参与固化反应，发挥胶结充填作用，为生活垃 圾焚烧飞灰提供资源化利用价值，最后，水泥稳定碎石混合料中水泥结合料的水化产物能够 通过离子交换或吸附等方式稳定固化生活垃圾焚烧飞灰中含有的重金属成分，在以上因素的 协同作用下，生活垃圾焚烧飞灰在水泥稳定碎石混合料中的应用能够实现生活垃圾焚烧飞灰 的资源化、无害化处置目标。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某 种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发 明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露 的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加 以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精 神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特 征可以相互组合。
以下实施例中采用的生活垃圾焚烧飞灰均为经过低温热降解处理二噁英后的飞灰，且经 过低温热降解处理二噁英后的生活垃圾焚烧飞灰中二噁英降解率＞95％。二噁英解毒后的生 活垃圾焚烧飞灰中二噁英含量≤10ng TEQ/kg，不具有二噁英致毒风险。二噁英解毒后的生活 垃圾焚烧飞灰的强度活性指数为54.7％，二噁英解毒后的生活垃圾焚烧飞灰的固体成分中 CaO、SiO2、Al2O3和Fe2O3的总含量为45～70％，Cl含量不超过15％，重金属的总含量不超 过1％，且重金属中Zn、Pb、Cr、Cd、Cu和Mn的总含量不超过0.88％。
实施例1
生活垃圾焚烧飞灰用于路面基层环境风险评估，具体为：
首先将强度活性指数为54.7％、含水量不超过20％的生活垃圾焚烧飞灰等量替代级配分 别为C-B-1型、C-B-3型中粒径不大于5mm的矿料，生活垃圾焚烧飞灰与剩余的未替代的矿 料混合均匀后加水拌匀并密封闷料16h，然后添加水泥，再加水拌制均匀后采用重型击实法 进行击实试验，获得最大干密度与最佳含水量，最后在击实试验的基础上按照表1所示的各 试件的组成材料用量进行水泥稳定焚烧飞灰/碎石混合料试件的制备。
表1各试件的组成材料用量
Figure BDA0002513840460000041
Figure BDA0002513840460000051
依据重庆地区生活垃圾焚烧飞灰重金属化合物种类、主要重金属含量及形态，确定生活 垃圾焚烧飞灰作为路面基层材料七种主要金属污染物：铬(Cr)、镍(Ni)、铜(Cu)、锌(Zn)、镉(Cd)、锰(Mn)和铅(Pb)，在水泥稳定焚烧飞灰/碎石混合料试件进行环境 风险评估中将探讨这七种重金属。而Cu元素虽在二噁英解毒后的生活垃圾焚烧飞灰中有检 出，但在水泥稳定焚烧飞灰/碎石基层试块中均未检出。因此，在对掺加生活垃圾焚烧飞灰的 路基试块的重金属浸出中，主要评估铬(Cr)、镍(Ni)、锌(Zn)、镉(Cd)、锰(Mn) 和铅(Pb)这六种金属污染物的环境风险。水泥稳定焚烧飞灰/碎石基层试块在经雨水淋溶、 浸泡后，生活垃圾焚烧飞灰重金属可能随雨水溶出并随淋溶液迁移扩散进入地下水，据Texas 州立大学水资源研究中心建立的毒性物质稀释迁移模型(Texas州确定废物和污染土壤污染地 下水的毒性物质迁移规律采用了此模型，该模型用于确定废物填埋处置和污染土壤/场地受雨 水淋漓条件下其中的毒性物质迁移至地下水饮用水井的稀释衰减倍数，并以此制定相关污染控制标准)，实施例1中制备的水泥稳定焚烧飞灰/碎石基层试块在使用过程中对地下水的污 染情况如表2所示。
表2使用过程中各重金属元素在地下水中的暴露浓度Cgw(mg/L)
Figure BDA0002513840460000052
注：Ⅲ类标准以人体健康基准值为依据，主要适用于集中式生活饮用水水源及工、农业用水。
由表2可知，实施例1中制备的所有水泥稳定焚烧飞灰/碎石试件中重金属污染物的暴露 浓度均低于《地下水质量标准》(GB/T 14848-2017)三类标准限值，表明铺设生活垃圾焚烧 飞灰路面基层在长期使用过程中生活垃圾焚烧飞灰中含有的各种重金属(Cr、Ni、Zn、Cd、 Mn和Pb)均不会对地下水环境造成不利影响。
对实施例1中制备的水泥稳定焚烧飞灰/碎石混合料试件的应用进行人体健康风险评价， 如表3所示。
表3使用过程中各重金属元素对人体健康的风险值
金属元素 试块1 试块2 试块3 试块4 试块5
Cr 8.57×10<sup>-5</sup> 5.84×10<sup>-5</sup> 4.38×10<sup>-5</sup> 6.84×10<sup>-5</sup> 1.42×10<sup>-4</sup>
Ni 3.30×10<sup>-5</sup> 1.55×10<sup>-5</sup> 2.11×10<sup>-5</sup> 2.64×10<sup>-5</sup> 4.01×10<sup>-5</sup>
Zn 3.00×10<sup>-6</sup> 1.64×10<sup>-5</sup> 9.20×10<sup>-7</sup> 2.48×10<sup>-5</sup> 3.00×10<sup>-5</sup>
Cd 4.28×10<sup>-5</sup> 0 0 6.44×10<sup>-5</sup> 1.50×10<sup>-4</sup>
危害商(Q)合计 1.65×10<sup>-4</sup> 7.55×10<sup>-5</sup> 6.58×10<sup>-5</sup> 1.84×10<sup>-4</sup> 3.63×10<sup>-4</sup>
Cr 1.29×10<sup>-7</sup> 8.76×10<sup>-8</sup> 6.57×10<sup>-8</sup> 1.03×10<sup>-7</sup> 2.13×10<sup>-7</sup>
致癌风险值(R)合计 1.29×10<sup>-7</sup> 8.76×10<sup>-8</sup> 6.57×10<sup>-8</sup> 1.03×10<sup>-7</sup> 2.13×10<sup>-7</sup>
美国EPA规定在人体健康风险评价中，对致癌物质可接受的风险水平数量级在10-6～10-4范围，小于10-6表示风险不显著，10-6～10-4表示存在一定风险，大于10-4表示有较显著的风 险；非致癌物质的可接受风险指数应小于1.0，若大于1.0表示风险不可接受。由表3知，不 同配比焚烧飞灰作为路面基层材料后六种重金属的非致癌物风险值(Q)以及危害商(Q)合 计都远小于1，非致癌风险处于可接受范围；特征污染物单一和累积致癌风险值(R)都小于 10-6，致癌风险不明显，表明掺加比分别为1％、1.5％、2％和4％的焚烧飞灰制备的路面基层 材料是可行的，对人体不具有危害性，生活垃圾焚烧飞灰路面基层材料用于铺路时，环境风 险可接受。
对实施例1中制备的水泥稳定焚烧飞灰/碎石基层试块废弃后进入一般工业废物填埋场填 埋产生的环境风险进行评估，如表4～表5所示。
表4废弃后各重金属元素在地下水中的暴露浓度Cgw(mg/L)
样品名称 Cr Ni Zn Cd Mn Pb
试块1 — 0.002 0.0003 — 0.003 —
试块2 — 0.0027 0.001 0.001 0.002 —
试块3 — 0.001 0.0027 0.0007 0.002 —
试块4 0.002 0.002 0.008 0.001 0.003 0.002
试块5 — — 0.0037 0.001 0.0037 —
《地下水质量标准》III类标准 0.05 0.02 1.0 0.005 0.1 0.01
由表4可知，所有金属污染物的暴露浓度均低于《地下水质量标准》(GB/T 14848-2017) 三类标准限值，由此可知，从路面基层试块废弃后处置角度考虑，生活垃圾焚烧飞灰路面基 层试块各重金属均不会对地下水质量造成不利影响。
表5废弃后各重金属元素对人体健康的风险值
金属元素 试块1 试块2 试块3 试块4 试块5
Cr 0 0 0 1.32×10<sup>-2</sup> 0
Ni 1.98×10<sup>-3</sup> 2.67×10<sup>-3</sup> 9.88×10<sup>-4</sup> 1.98×10<sup>-3</sup> 0
Zn 1.98×10<sup>-5</sup> 6.59×10<sup>-5</sup> 1.78×10<sup>-4</sup> 5.27×10<sup>-4</sup> 2.44×10<sup>-4</sup>
Cd 0 1.98×10<sup>-2</sup> 1.38×10<sup>-2</sup> 1.98×10<sup>-2</sup> 1.98×10<sup>-2</sup>
危害商(Q)合计 0.002 0.022 0.015 0.035 0.020
可接受的风险指为社会公认、公众可以接受的不良健康效应的风险概率。对于非致癌物 质，风险指数小于1.0时表示风险可接受；若大于1，则表示风险不可接受。由表5知，生活 垃圾焚烧飞灰作为路面基层材料中，通过饮用地下水途径导致的非致癌风险中五种不同配比 的试块中重金属的非致癌风险值都小于1，处于可接受范围，累计危害商(Q)小于1，处于 可接受范围。
实施例2
将生活垃圾焚烧飞灰作为被稳定材料使用，制备水泥稳定焚烧飞灰/碎石混合料，按照如 下方法进行：
采用C-B-3型级配，且压碎值为23.8％的矿料：
(1)首先将含有1kg固体成分的强度活性指数为54.7％、含水量不超过20％的生活垃圾 焚烧飞灰与含有99kg固体成分的矿料(其中该矿料中含有粒径为0～5mm的矿料23kg，其 余为粒径大于5mm的矿料)混合均匀后加水拌料并密封闷料12h，然后添加3.1kg的水泥，再加水拌制均匀形成水泥稳定焚烧飞灰/碎石混合料。采用的0～5mm的矿料相比于原始的级 配为C-B-3型的矿料中粒径同为0～5mm矿料的使用量降低的百分数为4.17％。
(2)首先将含有1.5kg固体成分的强度活性指数为54.7％、含水量不超过20％的生活垃 圾焚烧飞灰与含有98.5kg固体成分的矿料(其中该矿料中含有粒径为0～5mm的矿料22.5kg， 其余为粒径大于5mm的矿料)混合均匀后加水拌料并密封闷料12h，然后添加3.1kg的水泥， 再加水拌制均匀形成水泥稳定焚烧飞灰/碎石混合料。采用的0～5mm的矿料相比于原始的级 配为C-B-3型的矿料中粒径同为0～5mm矿料的使用量降低的百分数为6.25％。
(3)首先将含有2kg固体成分的强度活性指数为54.7％、含水量不超过20％的生活垃圾 焚烧飞灰与含有98kg固体成分的矿料(其中该矿料中含有粒径为0～5mm的矿料22kg，其 余为粒径大于5mm的矿料)混合均匀后加水拌料并密封闷料12h，然后添加3.1kg的水泥，再加水拌制均匀形成水泥稳定焚烧飞灰/碎石混合料。采用的0～5mm的矿料相比于原始的级 配为C-B-3型的矿料中粒径同为0～5mm矿料的使用量降低的百分数为8.33％。
实施例3
将生活垃圾焚烧飞灰作为被稳定材料使用，制备水泥稳定焚烧飞灰/碎石混合料，按照如 下方法进行：
采用C-B-3型级配、压碎值为23.4％的矿料：
(1)首先将含有2kg固体成分的强度活性指数为54.7％、含水量不超过20％的生活垃圾 焚烧飞灰与含有98kg固体成分的矿料(其中该矿料中含有粒径为0～5mm的矿料17kg，其 余为粒径大于5mm的矿料)混合均匀后加水拌料并密封闷料16h，然后添加4kg的水泥，再加水拌制均匀形成水泥稳定焚烧飞灰/碎石混合料。采用的0～5mm的矿料相比于原始的级配 为C-B-3型的矿料中粒径同为0～5mm矿料的使用量降低的百分数为10.53％。
(2)首先将含有4kg固体成分的强度活性指数为54.7％、含水量不超过20％的生活垃圾 焚烧飞灰与含有95kg固体成分的矿料(其中该矿料中含有粒径为0～5mm的矿料14kg，其 余为粒径大于5mm的矿料)混合均匀后加水拌料并密封闷料16h，然后添加4kg的水泥，再加水拌制均匀形成水泥稳定焚烧飞灰/碎石混合料。采用的0～5mm的矿料相比于原始的级配 为C-B-3型的矿料中粒径同为0～5mm矿料的使用量降低的百分数为26.32％。
(3)首先将含有6kg固体成分的强度活性指数为54.7％、含水量不超过20％的生活垃圾 焚烧飞灰与含有92kg固体成分的矿料(其中该矿料中含有粒径为0～5mm的矿料11kg，其 余为粒径大于5mm的矿料)混合均匀后加水拌料并密封闷料16h，然后添加4kg的水泥，再加水拌制均匀形成水泥稳定焚烧飞灰/碎石混合料。采用的0～5mm的矿料相比于原始的级配 为C-B-3型的矿料中粒径同为0～5mm矿料的使用量降低的百分数为42.10％。
实施例4
将生活垃圾焚烧飞灰作为被稳定材料使用，制备水泥稳定焚烧飞灰/碎石混合料，按照如 下方法进行：
采用C-B-1型级配、压碎值为19.6％的矿料：
(1)首先将含有2kg固体成分的强度活性指数为54.7％、含水量不超过20％的生活垃圾 焚烧飞灰与含有98kg固体成分的矿料(其中该矿料中含有粒径为0～5mm的矿料38kg，其 余为粒径大于5mm的矿料)混合均匀后加水拌料并密封闷料20h，然后添加5kg的水泥，再加水拌制均匀形成水泥稳定焚烧飞灰/碎石混合料。采用的0～5mm的矿料相比于原始的级配 为C-B-1型的矿料中粒径同为0～5mm的矿料使用量降低的百分数为5％。
(2)首先将含有4kg固体成分的强度活性指数为54.7％、含水量不超过20％的生活垃圾 焚烧飞灰与含有95kg固体成分的矿料(其中该矿料中含有粒径为0～5mm的矿料35kg，其 余为粒径大于5mm的矿料)混合均匀后加水拌料并密封闷料20h，然后添加5kg的水泥，再加水拌制均匀形成水泥稳定焚烧飞灰/碎石混合料。采用的0～5mm的矿料相比于原始的级配 为C-B-1型的矿料中粒径同为0～5mm的矿料使用量降低的百分数为12.5％。
(3)首先将含有6kg固体成分的强度活性指数为54.7％、含水量不超过20％的生活垃圾 焚烧飞灰与含有92kg固体成分的矿料(其中该矿料中含有粒径为0～5mm的矿料32kg，其 余为粒径大于5mm的矿料)混合均匀后加水拌料并密封闷料20h，然后添加5kg的水泥，再加水拌制均匀形成水泥稳定焚烧飞灰/碎石混合料。采用的0～5mm的矿料相比于原始的级配 为C-B-1型的矿料中粒径同为0～5mm的矿料使用量降低的百分数为20％。
对比实施例1
采用C-B-3型级配、压碎值为23.8％的矿料：
首先将含有100kg固体成分的矿料(其中该矿料中含有粒径为0～5mm的矿料24kg，其 余为粒径大于5mm的矿料)混合均匀后加水拌料并密封闷料12h，然后添加3.1kg的水泥，再加水拌制均匀形成水泥稳定焚烧飞灰/碎石混合料。
表6实施例2及对比实施例1中制备的水泥稳定焚烧飞灰/碎石混合料材料用量表
Figure BDA0002513840460000091
对比实施例2
采用C-B-3型级配、压碎值为23.4％的矿料：
首先将含有100kg固体成分的矿料(其中该矿料中含有粒径为0～5mm的矿料19kg，其 余为粒径大于5mm的矿料)混合均匀后加水拌料并密封闷料16h，然后添加4kg的水泥，再加水拌制均匀形成水泥稳定焚烧飞灰/碎石混合料。
表7实施例3及对比实施例2中制备的水泥稳定焚烧飞灰/碎石混合料材料用量表
Figure BDA0002513840460000092
Figure BDA0002513840460000101
对比实施例3
采用C-B-1型级配、压碎值为19.6％的矿料：
首先将含有100kg固体成分的矿料(其中该矿料中含有粒径为0～5mm的矿料40kg，其 余为粒径大于5mm的矿料)混合均匀后加水拌料并密封闷料20h，然后添加5kg的水泥，再加水拌制均匀形成水泥稳定焚烧飞灰/碎石混合料。
表8实施例4及对比实施例3中制备的水泥稳定焚烧飞灰/碎石混合料材料用量表
Figure BDA0002513840460000102
测试实施例2～4中制备得到的水泥稳定焚烧飞灰/碎石混合料的性能，与对比实施例1～ 3中制备的水泥稳定碎石混合料进行比较，其结果如表9所示。
表9实施例2～4及对比实施例1～3中制备的水泥稳定焚烧飞灰/碎石混合料性能检测结果
Figure BDA0002513840460000103
Figure BDA0002513840460000111
表10《公路路面基层施工技术细则》(JTG/T F20-2015)中对于水泥稳定材料、水泥粉煤灰稳定材料的
7d龄期无侧限抗压强度标准(MPa)
Figure BDA0002513840460000112
从表9中检测到的水泥稳定焚烧飞灰/碎石混合料的结果以及表10中行业规范关于水泥 稳定材料、水泥粉煤灰稳定材料的7d龄期无侧限抗压强度标准的规定可知，本发明采用生活 垃圾焚烧飞灰制备的水泥稳定碎石混合料的性能与常用的水泥稳定碎石性能或水泥粉煤灰稳 定材料相似，可以在各等级公路路面基层或底基层中使用。
从实施例2与对比实施例1之间的性能测试结果的对比可知，将生活垃圾焚烧飞灰用作 被稳定材料时，不但能够适当降低混料中粒径小于5mm的矿料的用量，并且在掺量适宜时能 够提高无侧限抗压强度，同时能够充分对生活垃圾焚烧飞灰进行再次利用，其原因在于：生 活垃圾焚烧飞灰潜在的胶凝活性能够为水泥稳定碎石混合料提供辅助胶结作用，同时利用水 泥稳定碎石混合料的固结作用稳定固化焚烧飞灰中含有的重金属成分，从而在两者的协同胶 结作用下达到生活垃圾焚烧飞灰的资源化、无害化处置目标以及为公路工程引入新的筑路材 料，节约工程造价。具体原因在于：生活垃圾焚烧飞灰是生活垃圾焚烧厂烟气净化***的捕 集物和烟道及烟囱底部沉降的底灰，其主要化学成分属SiO2-CaO-Al2O3-Fe2O3胶凝体系，与 目前常用的粒化高炉矿渣、粉煤灰、火山灰等辅助性胶凝材料非常接近。生活垃圾焚烧飞灰 掺入到水泥基材料中，将会发生系列的物理化学反应，如生活垃圾焚烧飞灰中的CaSO4与水 泥中C3A或其水化产物反应生成钙矾石，生活垃圾焚烧飞灰中的氯盐与水泥中C3A(铝酸三 钙)或水化铝酸钙或低硫型钙矾石反应生成Friedel盐等类似物质，生活垃圾焚烧飞灰中的玻 璃态氧化铝与水泥水化产物Ca(OH)2反应生成水化铝酸盐，生活垃圾焚烧飞灰中的活性氧化 铝与生活垃圾焚烧飞灰或水泥中的CaSO4反应生成钙矾石等化学反应；除此之外，水泥水化 产物微孔数量多，晶体颗粒极小，表面积巨大，能够将生活垃圾焚烧飞灰紧紧的吸附在微孔 壁上，可使生活垃圾焚烧飞灰以物理方式固化在水泥基材料的结构体中；C-S-H凝胶亦会由 于巨大的比表面积，可以通过胶粒表面所带“负”动电荷产生的扩散双电层对生活垃圾焚烧飞 灰氯盐中的正负离子产生强吸附固化作用等；另外，水泥水化生成的Ca(OH)2使水泥浆体具 有较高的pH值，因此生活垃圾焚烧飞灰中含有的重金属成分有可能同OH-或硅酸盐矿物发 生复分解沉淀反应形成低溶解度的氢氧化物沉淀或含钙的盐类，或通过物理吸附与包胶作用 吸收在高比表面积的C-S-H中，或通过同形替代作用以点阵结合形式进入晶体相中(如在硬 化水泥浆体的C-S-H结构中，Pb通常以吸附(C-S-H+Pb→Pb-C-S-H)、同晶替代 (C-S-H+Pb→Pb-S-H+Ca)、沉淀反应(Pb+OH+Ca+SO4 2-→复盐)等形式固化在水泥中；Zn 置换C-S-H中的Ca或与C-S-H表面Ca发生反应生成含Ca和Zn的氧化物或氢氧化物，如 CaZn2(OH)6·2H2O；Cu能够在水泥颗粒表面形成不溶性的沉积物，如CuO与C2S通过物理作 用结合，形成含Cu-Ca-Si的化合物；Cr即可通过物理吸附吸收进水化产物如C-S-H中，又可 通过同晶替代方式进入钙矾石晶格中，如CrO4 2-替代钙矾石中的SO4 2-；Cd通过沉淀反应结 合进Ca(OH)2中)。由此可见，生活垃圾焚烧飞灰与水泥基材料之间存在化学组分间的化学 键合、凝胶产物的微孔壁吸附、凝胶胶粒表面扩散双电层吸附等固化或吸附方式，使生活垃 圾焚烧飞灰组分稳固在水泥基材料中，并且可以通过各组成材料间的优化组合得到活性优良 的生活垃圾焚烧飞灰/水泥复合胶凝体系，使其不仅具有优良的物理力学性能，而且在使用环 境中可确保其稳定性与长期安全性，不会对环境造成二次污染，最终实现生活垃圾焚烧飞灰 的清洁化利用；另外水泥稳定碎石混合料常使用于路面面层以下部位，不会发生因车轮磨耗 或冷热环境作用下而引起的表层材料(含生活垃圾焚烧飞灰)剥落与飞散。
从实施例2～4与对比实施例1～3之间的性能测试结果的对比可知，生活垃圾焚烧飞灰除 了能够替代混料中粒径小于5mm的矿料，还可进一步减少混料中粒径小于5mm的矿料用量， 因为生活垃圾焚烧飞灰的比表面积很大，0.075mm筛孔通过率大于70％，0.3mm筛孔通过率 大于90％，且几乎100％通过0.6mm的筛孔。将其应用于制备水泥稳定焚烧飞灰/碎石混合料 中，相当于用粒径极小的粉尘取代了粒径小于5mm的矿料颗粒，即大大增加了原本矿料中细 料微粉的占比，如此一方面物料失衡，另一方面对混合料的抗收缩开裂性能不利。因此，为 了能有效的降低混合料的收缩，抑制开裂，也更有利于物料的平衡，所以随着生活垃圾焚烧 飞灰掺量的增加，在等量取代的基础上，适当的额外降低0～5mm的矿料的用量。
同样的，采用其它级配类型的矿料(C-B-1型级配、C-B-2型级配、C-B-3型级配、C-C-2 型级配或CF-A-L型级配)按照实施例2～4中的方法制备得到的水泥稳定焚烧飞灰/碎石混合 料依然具有如实施例2～4中的混合料的性质，降低水泥稳定碎石中粒径不大于5mm的矿料 的使用量。
综上所述，将生活垃圾焚烧飞灰作为被稳定材料使用，可以适当降低水泥稳定碎石中粒 径不大于5mm的矿料的使用量，从而形成一种新型的水泥稳定焚烧飞灰/碎石混合料。本发 明的应用不但能够利用生活垃圾焚烧飞灰潜在的胶凝活性能够为水泥稳定碎石混合料提供辅 助胶结作用，同时能够利用水泥稳定碎石混合料中水泥的固结作用稳定固化生活垃圾焚烧飞 灰中含有的重金属成分，对生活垃圾焚烧飞灰进行再次利用，达到焚烧飞灰的资源化、无害 化处置目标。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施 例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进 行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求 范围当中。

Claims (10)

1.生活垃圾焚烧飞灰在水泥稳定碎石混合料中的应用，其特征在于，所述应用中将生活垃圾焚烧飞灰作为被稳定材料制备水泥稳定焚烧飞灰/碎石混合料，减少水泥稳定碎石混合料中粒径不大于5mm的矿料用量。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述水泥稳定焚烧飞灰/碎石混合料按照如下方法制备：首先将含水量不超过20％的生活垃圾焚烧飞灰与矿料混合，拌和均匀后加水拌料，并密封闷料6～24h，然后添加水泥后用水拌制均匀形成水泥稳定焚烧飞灰/碎石混合料。
3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于，所述水泥稳定焚烧飞灰/碎石混合料中所述水泥质量占所述生活垃圾焚烧飞灰中固体成分和矿料中固体成分总质量的3～6％；所述水泥稳定碎石混合料中水泥质量占矿料中固体成分质量的3～6％。
4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，所述生活垃圾焚烧飞灰的固体成分占生活垃圾焚烧飞灰的固体成分与矿料的固体成分质量总和的百分比小于4％时，粒径不大于3mm的矿料使用量相比于水泥稳定碎石中同粒径规格的矿料降低的百分数最高为15.1％。
5.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，所述生活垃圾焚烧飞灰的固体成分占生活垃圾焚烧飞灰的固体成分与矿料的固体成分质量总和的百分比小于4％时，粒径不大于5mm的矿料使用量相比于水泥稳定碎石中同粒径规格的矿料降低的百分数最高为12.5％。
6.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，所述生活垃圾焚烧飞灰的固体成分占生活垃圾焚烧飞灰的固体成分与矿料的固体成分质量总和的百分比为4～6％时，粒径不大于3mm的矿料使用量相比于水泥稳定碎石中同粒径规格的矿料降低的百分数为20.8～56.6％。
7.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，所述生活垃圾焚烧飞灰的固体成分占生活垃圾焚烧飞灰的固体成分与矿料的固体成分质量总和的百分比为4～6％时，粒径不大于5mm的矿料使用量相比于水泥稳定碎石中同粒径规格的矿料降低的百分数为15～45％。
8.根据权利要求1～7任一项所述的应用，其特征在于，所述矿料的级配类型为C-B-1型级配、C-B-2型级配、C-B-3型级配、C-C-2型级配、CF-A-S型级配或CF-A-L型级配。
9.根据权利要求1～7任一项所述的应用，其特征在于，所述水泥为42.5级普通硅酸盐水泥，所述生活垃圾焚烧飞灰的强度活性指数为54.7％。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述生活垃圾焚烧飞灰的固体成分中二噁英含量≤10ng TEQ/kg，CaO、SiO2、Al2O3和Fe2O3的总含量为45％～70％，Cl含量不超过15％，所述生活垃圾焚烧飞灰的固体成分中重金属的总含量不超过1％，所述重金属中Zn、Pb、Cr、Cd、Cu和Mn的总含量不超过0.88％。
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