碱激发城市生活垃圾焚烧底灰和矿渣绿色胶凝材料性能研究.pdf

2023年第6 期（总第40 4期）Number 6 in 2023(Total No.404)doi:10.3969/j.issn.1002-3550.2023.06.016混凝土ConcreteMATERIALAND ADMINICLE原材料及辅助物料碱激发城市生活垃圾焚烧底灰和矿渣绿色胶凝材料性能研究周世浩1，梁臻，陈超云，郑晨昊，刘军2（1.深圳市交通工程质量监督站，广东深圳518 0 49；2.深圳大学土木与交通工程学院，广东省滨海土木工程耐久性重点实验室，广东深圳518 0 6 0)摘要：研究了城市生活垃圾焚烧底灰与粒化高炉矿渣制成的碱激发材料(AASL)抗压强度影响因素，通过改变粒化高炉矿渣掺量和Na,O掺量对AASL进行抗压强度测试以及利用高分辨率扫描电子显微镜和能量色散X光能谱仪观察材料微观形貌，探索AASL抗压强度发展规律。试验结果表明粒化高炉矿渣掺量增加有利于底灰-矿渣碱激发材料抗压强度发展而NazO掺量的增加不一定导致试样抗压强度提高，掺有30%粒化高炉矿渣和Na20为5%时养护56 d抗压强度可达52.7 7 MPa。关键词：城市生活垃圾焚烧底灰；粒化高炉矿渣；碱激发；Na2O掺量中图分类号：TU528.041Strength analysis of alkali-activated cementitious materials prepared from municipalsolid waste incineration bottom ash and granulated blast furnace slagZHOU Shihao,LIANG Zhen,CHEN Chaoyun,ZHENG Chenhao,LIU Jun?(1.Shenzhen Traffic Engineering Quality Supervision Station,Shenzhen 518049,China;2.Guangdong Provincial Key Laboratory of Durability for Marine Civil Engineering,College of Civil and Transportation Engineering,Shenzhen University,Shenzhen 518060,China)Abstract:The influence factors of compressive strength of alkali-activated materials made from municipal solid waste incineration bottom ash and granulated blast furnace slag(AASL)were studied.The compressive strength of AASL was tested by changing the content ofgranulated blast furnace slag and NazO,and the micro morphology of materials was observed by high resolution scanning electron micro-scope and energy dispersive X-ray spectrometer to explore the development law of compressive strength of AASL.Experimental resultsshow that the increase of granulated blast furnace slag content is conducive to the development of compressive strength of alkali-activatedmaterial made from municipal solid waste incineration bottom ash and granulated blast furnace slag,while the increase of NazO contentdoes not necessarily lead to the improvement of compressive strength of the sample.When 30%granulated blast furnace slag and 5%Na20are mixed,the compressive strength of the samples cured for 56 days can reach 52.77 MPa.Key words:municipal solid waste incineration bottom ash;granulated blast furnace slag;alkali-activated;Na,O content文献标志码：A文章编号：10 0 2-3550(2 0 2 3)0 6-0 0 8 1-0 30引言垃圾焚烧技术有望成为我国处理垃圾的主要方式，因其可将垃圾中的化学能转变为热能等其他形式能量,具有处理速度快、占地面积小、减量化、无害化和高效率，可进行资源化回收等优点。垃圾焚烧产生城市生活垃圾焚烧飞灰和城市生活垃圾焚烧底灰两种废弃物，其中焚烧底灰为垃圾焚烧发电的主要残余物 2-3,同时粒化高炉矿渣也是高炉炼铁过程产生的工业废料，如何绿色资源化处理数量巨大废弃物具有重要意义。使用碱金属活化剂可有效激活上述垃圾焚烧发电废弃物潜在活性 4-,制成由 SiO44四面体和 A1O4-四面体构成的三维网络状结构物质组成的收稿日期：2 0 2 2-0 3-0 9基金项目：国家自然科学基金（52 17 8 2 34）；深圳市2 0 2 1年可持续发展科技专项（KCXFZ20201221173202008）；深圳市国际科技合作研究项目（GJHZ20180928155602083）81低碳碱激发胶凝材料，以粒化高炉矿渣为原料制备新型低碳胶凝材料因其环保效益和优越的性能已引起了众多研究者的兴趣。粒化高炉矿渣掺量和Na,O掺量为控制碱激发底灰-矿渣胶凝材料抗压强度重要影响因素。使用合适掺量高效生产高抗压强度的碱激发材料具有重要工程意义。为了更好研究此抗压强度变化规律，设计以下试验探索粒化高炉矿渣掺量和NaO掺量对胶凝材料抗压强度影响。1试验1.1原材料试验使用非晶相较多的4 8 mm生活垃圾焚烧底灰和S95级粒化高炉矿渣分别由中国广东省东莞市麻涌环保热电厂和上海微神新型建材有限公司提供，其化学成分见表1所示。试验采用氢氧化钠(NaOH)与液体硅酸钠(NazSiO3)混合激发，氢氧化钠是分析纯（纯度超过9 6%)由上海阿拉丁生化科技股份有限公司生产，液体硅酸钠生产厂家为佛山南海科凝新材料科技有限公司,其物理化学指标见表2 所示。试验中采用的氢氧化钙(Ca(OH)2)由西陇科学股份有限公司提供，氢氧化钙含量 9 5%。1.2配合比试验研究粒化高炉矿渣掺量、Na2O掺量对城市生活表3酉配合比样品编号底灰/gAASL10617.6AASL20615.6AASL30613.6AASL30513.6AASL30613.6AASL30713.6注：M掺合料=M底灰+M粒化高炉矿渣+Mca(OH2;Na,0%=（MNn a o H/2/40 6 2+MNa s Si 0:8.9%）/M掺合料；M掺合料表示为掺合料的质量；M底灰表示为底灰的质量；M粒化高炉矿潜表示为粒化高炉矿渣的质量；Mca(on),表示为Ca(OH)2的质量；MNaon表示为NaOH的质量；MNsasio表示为Na,SiO，的质量。1.3试件制作生活垃圾焚烧底灰使用前需对其进行预处理，其中预处理包括筛选出非晶相较多的4 8 mm底灰，使用磁铁吸取底灰中铁类杂质，使用球磨机以350 rad/min转速球磨30min，最后使用马弗炉烧30 min得到预处理底灰。根据表3,将预处理后底灰与去离子水、氢氧化钠固体搅拌混合后静置4h得到糊状试样，往糊状试样加人粒化高炉矿渣、氢氧化钙和液体硅酸钠混合搅拌灌注在5mmx5mmx5mm的钢模中，并用保鲜膜包裹钢模固化2 4h后脱模。样品将放在密封容器中并在标准固化条件下固化（2 0 2），相对湿度 9 0%)至龄期。1.4试验方法将养护至龄期的试块取出在SEMTester1000抗压试验机进行抗压强度试验以及将养护至龄期的破碎样品放在6 0 烘箱中干燥至恒重后喷金处理，用高分辨率扫描电子显微镜SEM)和能量色散X光能谱仪(EDS)进行微观结构观察。2结果与讨论2.1粒化高炉矿渣掺量对AASL抗压强度的影响Naz0掺量6%，不同粒化高炉矿渣掺量对碱激发胶凝材料试样强度影响如图1(a)所示。由图1(a)可以清楚的看出，在6%Na20掺量及同矿渣掺量条件下，所有样品抗压强度都随着养护龄期的增加而增加，掺有矿渣30%样品养护56 d后抗压强度达到46.36 MPa;在相同Naz0掺量及同龄期条件下，随着粒化高炉矿渣掺量从10%增加到30%，试样抗压强度得到增强，掺有30%的粒化高炉矿渣的试样显现出最高的抗压强度,产生这种现象的原因是因为粒化高炉矿渣较底灰具有更多非晶相，用矿渣替代部分底灰后，OH-将溶解出更多Ca2+、Si 4+、A 13+等离子参与化学反应合成82表1生活垃圾焚烧底灰和粒化高炉矿渣的化学成分原材料SiO,CaO Al,O,Na,O Fe,O,SO,Mgo K,O TiO248mm底灰48.2 0 2 2.2 0 7.0 15.50 4.9 9 2.0 31.8 41.510.7 7粒化高炉矿渣31.8 6 39.8 116.536.8 9 0.430.0 46.8 9 0.541.2 3表2 液体硅酸钠的物理化学指标波美度/(2 0）Na,0/%408.9垃圾焚烧底灰与粒化高炉矿渣制成的碱激发胶凝材料抗压强度影响，其配合比见表3所示。粒化高炉矿渣掺入量10%、2 0%、30%;激发剂Na20掺量5%、6%、7%粒化高炉矿渣/gCa(OH)2/g20.440.460.460.460.460.4%SiO2/%H,0/%28.862.3NaoH/gNa,SiO;/g1.08941.08941.08940.83041.08941.3474C-S-H、C-A-S-H、N-A-S-H 凝胶,凝胶的生成有助于样品抗压强度发展 8-9 。将粒化高炉矿渣掺量以及养护时间对应AASL抗压强度结果进行拟合分析得到图1(b)。分析发现抗压强度与粒化高炉矿渣掺量和养护时间具有较强线性关系，得到拟合方程(1)。因此可参考拟合方程(1)估计Na2O掺量为6%的AASL材料抗压强度值。(1)式中：Z00.482 071.628 95;a-0.984 830.069 39;6一0.249 70.029 52;粒化高炉矿渣掺量，%；-养护时间,d。2.2NazO掺量对AASL抗压强度的影响图2 a）所示为掺有30%矿渣样品在不同Na20掺量下抗压强度图。图2(a)显示在早期养护3d样品中,随着Naz0掺量增加表现出更高抗压强度；养护7、14、2 8、56 d样品中，随着Na,O掺量减少对应样品抗压强度增加,其中AASL305在养护56 d后抗压强度可达52.7 7 MPa;在Naz0为5%和6%时，样品抗压强度随龄期增长呈不断增长的趋势，而Na20为7%的样品抗压强度表现出先下降趋势后增长趋势。产生以上现象的原因是：(1)在早期强度发展时期，更高的NazO掺量将提供更多OH加速溶解Ca2+、Si 4t、A 13+等离子促进体系发生化学反应，所以早期NaO掺量为7%样品表现出更优抗压性能。(2)Na,O掺量增加带来的高碱性会使体系更易碳化并在样品中形成碳酸钠破坏部分地质聚合过程 1,导致样品抗压强度下降，由于密封的养护环境只能提供有限的二氧化碳，碳化带来的负面影响相对较少，且随着聚合反应不断进行，生成凝胶将填补样品孔隙，所以样品抗压强度会模数M3.34Na,O/%水灰比60.460.460.450.460.470.4Z=zo+ax+b+y60504030201006050-AASL3074030200呈现先减少后增加趋势。(3)Na,O掺量增加会引人更多Nat合成N-A-S-H凝胶，减少C-S-H凝胶的生成,C-S-H较N-A-S-H具有更高的强度支持作用 1-12 ,所以Na20掺量为5%时抗压强度更高。以NaO掺量和养护时间对应AASL抗压强度结果进回归拟合得到图2(b)与方程(2),Na2O掺量和养护时间和AASL抗压强度值具有较强线性关系，可用方程（2）对粒化高炉矿渣为30%的AASL抗压强度值进行估计。Z=zo+ax+b+y式中：Z049.345 754.618 89;a-3.946 10.75415;6-0.361160.03209;-Na,0%掺量,%;养护时间，d。2.3AASL材料的微观结构图3表示不同AASL样品的SEM和EDS图。图中大致物质分为两类，一类是呈现团状的C-S-H类凝胶物质,第二类是来源于生活垃圾焚烧底灰本身未参与化学反应的小颗粒杂质，小颗粒杂质表面都被凝胶物质所包裹。粒化高炉矿渣掺量对样品影响可将图3(a）（b)对比，从图中可以清楚看出AASL106小颗粒杂质较多，这是因为AASL106含更高掺量底灰，底灰具有大量低活性杂质未参与聚合反应。对比图3(b)(d),Naz0掺量为5%时凝胶呈大块状和团状,但随着NazO掺量增加,凝胶相对分散无法很好成型，所以NazO掺量为5%时抗压强度更优。对图3中(c)(d)中各一点进行EDS处理得到其对应元素质量百分比。EDS图表示NazO掺量的增加将增加试样凝胶的Na+质量百分比，印证2.1节中提到高NazO掺量体系中更多Nat引人合成N-A-S-H凝胶代替C-S-H凝胶为抗压强度降低原因。+AASL106AASL206+AASL306垂1020养护时间/d(a)-AASL305AASL3061020养护时间/d(a)50强度40亚1030元25203040工工30：5060图1不同粒化高炉矿渣掺量AASL抗压强度55工50强度工4540H3530250掺5.5J6.05040图2 不同Na2O掺量AASL抗压强度H类凝胶(a)AASL106-28d(2)小颗粒杂23结论（1）一般来说，添加更多粒化高炉矿渣有利于提高碱激发底灰-矿渣试样抗压强度。这与粒化高炉矿渣本身具有高活性属性和生活垃圾焚烧底灰具有较多低活性杂质有关。（2)较低Na2O掺量更适合碱激发底灰-矿渣抗压强度发展。5%Na,0掺量已足够溶解粒化高炉矿渣和生活垃圾焚烧底83模型方程绘图abReduced Chi-SqrR(COD)调整后R掺量%1510(b)?606.57.00102030(b)养护天数/d(c)AASL305-28dSiNaA10000(d)AASL307-28 d图3AASL的SEM、ED S图下转第9 0 页Planez=z.+ax+by强度0.482071.628950.984830.69390.24970.0295214.443740.866 660.860 311020304050600养护天数/dReducedChi-SqrR(COD)调整后R405060小颗粒杂(b)AASL306-28dSiCaA1Na模型方程绘图ZaPlanez=zo+ax+by强度49.345754.61889-3.9461 0.754150.36116 0.032.0917.062130.785 780.77558C-S-H类凝胶元索质量/品Ca18.4Si12.3AI5.8Na4.4C16.342.9元素质量/%Ca13.4Si15.5CaAINaC4.89.210.346.9材料力学性能试验方法：JC/T24612018S.北京：中国建材工业出版社,2 0 1 8.13JStandard test method for microscopical determination of parametersof the air-void system in hardened concreteS.American Society ofTesting Materials,2012.14赵燕茹,刘芳芳,王磊,等.基于孔结构的单面冻后混凝土抗压强度模型研究 建筑材料学报，2 0 2 0,2 3(6)：1 32 9-1 344.15YANG D,YAN C,LIU S,et al.Stress-strain constitutive model ofconcrete corroded by saline soil under uniaxial compressionJ.Construction and Building Materials,2019(213):665-674.16董毓利,谢和平,李世平,混凝土受压损伤力学本构模型的研究 工程力学,1 9 9 6,1 3(1):44-53.17JRAKESH K,BHATTACHARJEE B.Porosity,pore size distribution上接第7 4页45-54.24JSAKINO K,NAKAHARA H,MORINO S,et al.Behavior of central-ly loaded concrete-filled steel-tube short columnsJ.Journal ofStructural 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