城市生活垃圾焚烧底灰混凝土耐久性研究.pdf

2 0 1 4年第 5期 5月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT PR0DUCTS 2 01 4 No 5 Ma v 城市生活垃圾焚烧底灰混凝土耐久性研究 张 涛 ， 赵增增 ( 大连交通大学土木与安全工程学院 ， 1 1 6 0 2 8 ) 摘要 ： 将 3 0 质量 的城 市固体废物焚烧( MS WI ) 底灰掺入 混凝 土中替代水泥 ， 通过对底灰 混凝 土的收缩率 ， 抗 碳化性、 抗渗性、 抗 冻性等进行试验 ， 并与普通混凝土进行对比， 研究 了底灰作为水泥替 代物的可行性。研 究结果表 明 ， 测试 的垃圾焚烧底灰具有一定的火山灰活性 ， 一定范围内掺加底灰的混凝土具有较 小的收缩率 ， 抗碳化性 、 抗渗 性、 抗冻性能优异 ， 底灰的 引入可以改善 混凝 土的耐久性 。 关键词 ： MS WI 底灰 ； 混凝土 ； 收缩率； 抗碳化 性； 抗渗性 ； 抗 冻性 ； 耐久性 Ab s t r a c t ： U s i n g 3 0 mu n i c i p a l s o l i d w a s t e i n c i n e r a t i o n ( MS WI )b o t t o m a s h t o r e p l a c e c e m e n t i n c o n c r e t e ， t h e s h r i n k a g e ，c a r b o n a t i o n r e s i s t a n c e ， i mp e r me a b i l i t y ， f r o s t r e s i s t a n c e o f t h e b o t t o m a a h c o n c r e t e a r e t e s t e d C o mp a r e d wi t h o r d i n a r y c o n c r e t e ， t h e f e a s i b i l i t y o f t h e b o t t o m a s h a s t h e c e me n t s u b s t i t u t e i s s t u d i e d T h e s t u d y r e s u l t s s h o w t h a t t h e wa s t e i n c i n e r a t i o n b o t t o m a s h h a s a c e r t a i n a s h a c t i v i t y T h e c o n c r e t e w i t h a c e r t a i n a mo u n t o f b o t t o m a s h h a s a s ma l l e r s h ri n k a g e r a t e a n d b e t t e r p e r f o rm a n c e s o f c a r b o n a t i o n r e s i s t a n c e ，i mp e rm e a b i l i t y ，f r o s t r e s i s t a n c e Ad d i n g t h e b o t t o m a s h i n t h e c o n c r e t e c a n i mp r o v e t h e d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e Ke y wo r d s ：MS W I b o t t o m a s h ；C o n c r e t e ；S h rin k a g e ； c a r b o n a t i o n r e s i s t a n c e ；I mp e rm e a b i l i t y ；F r o s t r e s i s t a n c e ； Du r a bi l i t y 中图分类号 ： T U 5 2 8 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 4) 0 5 8 4 一 O 4 0前 言 现代消费型社会每年会产生大量城市生 活垃 圾 。垃圾 焚烧 法是 我 国处 理城 市垃 圾 的重 要途 径 和 发展方 向 1 。垃圾焚烧会产生一定量的灰渣， 其 中底 灰产量 占垃圾处理量 的 1 5 。 目前 ， 我国大多数底 灰用于填埋 ， 这不仅 占用很多土地资源而且填埋费 用 巨大。另一方面 。 随着普通设施建设 的不断增长 我国每年的水泥需求量 日益增加。据统计 ， 2 0 1 2年 我国水泥产量达到 2 3 7亿 t ，大量水泥生产带来 了 矿石资源 、 能源的消耗 ， 以及对大气和环境造成的 污染 。利用垃圾焚烧底灰替代部分水泥拌制混凝 土，可一定程度上减少建筑行业对水泥 的使用量 。 具有较高的经济和社会效益。 目前 ， 关于垃圾焚烧 底灰混凝土耐久性的报道较少，大多数是关于底灰 集料混凝土的报道 l - 4 。而耐久性问题是混凝土应用 过程中暴露 出来 的非常突出的问题 ， 许多混凝土结 构的破坏与都耐久性有关 ， 混凝土的耐久性正越来 越多地引起 工程技术人员和 国家政府部 门的关 注 与重视I 5 I。 为了探讨城市垃圾焚烧底灰混凝土的耐久性 ， 我们在大连城市生活垃圾焚烧发 电厂选取了垃圾 基金 项 目： 大连市科学技术基金计划项 目( 2 0 1 1 J 2 D W0 0 6 ) 。 一 8 4一 焚烧底灰试样并进行研磨筛分处理使其满足水 泥 的细度要求 。本文试验采用 4 2 5级普通硅 酸盐水 泥 ， 底灰掺量 占总胶凝材料用量的 3 0 ， 配制了 C 3 0 强度等级的混凝土， 进行 了干缩试验 、 抗渗性试验 、 抗冻性试验 、 抗碳化等试验研究 并 与普通混凝土 进行 了比较 和分析 ， 试验结果发现 ， 底灰具有一定 的火山灰活性 ， 与普通混凝土相 比 一定范 围内掺 加底灰的混凝土具有较小的体积收缩率 ， 抗碳化性 能 、 抗渗性 、 抗冻性能也较优异。 1 原材 料和试 验 方法 1 1 原 材料 垃圾焚烧底灰 ：自大连市城市城市垃圾焚烧 厂 。文献 1 0 】 的研 究结果 表 明 ， 湿磨 的底 灰 可 以表现 出较 好 的火 山灰 活 性 ， 对试 件 的 强度 有 显 著改 善 作 用并可以抑制膨胀。因此 ， 本研究首先使用球磨机 对 MS WI 底灰进行 了湿磨处理 ，并筛 滤使其通过 4 0 1 x m的试验筛 ， 底灰的 比表面积为 4 2 5 m2 k g ， 符合 G B 1 7 5 2 0 0 7 通用硅酸盐水泥 的要求。使用 X射 线荧光光谱仪对底灰进行化学成分 ， 结果见表 1 。由 表 1可以看出 ， 底灰富含氧化硅 、 氧化钙和氧化铝 ， 该组成属 于典型的 S i O 2 一 C a O A 1 2 O 3 体系 ， 这种组成 的材料适宜用作水泥基材料 中的普通火 山灰矿物 掺合料 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 张 涛 赵增增 城市生活垃圾焚烧底灰混凝土耐久性研究 水 泥 ： 4 2 5级普 通 硅 酸盐 水 泥 ， 3 d抗 折 强度 6 7 MP a ，3 d抗 压 强 度 2 1 4 MP a ， 2 8 d抗 折 强度 8 9 MP a ， 2 8 d抗压强度 4 9 0 MP a ；细度为 8 0 m 方孔筛 筛余量 3 2 ； 初凝时间 1 7 3 mi n ， 终凝 时间 2 4 9 mi n 。 减水剂 ： S D 一 1聚羧酸高性能减水剂 ，外观呈淡 红色 ， 为油状液体 ， 减水 率 3 0 ， 比重 1 0 8 k g m ， 固 含 量 2 0 。 细集 料 ： 天 然 河 砂 ， 物 理 力 学 性 能 指标 见 表 2 ， 符合 G B T 1 4 6 8 4 -2 0 0 1 建筑用砂 规 范 类标 准 要求。图 1 为细集料的粒径分布曲线。 表 2细集料的物理力学性能 1 0 0 8 O 6 0 羹4 0 2 O O 0 1 5 0 3 0 0 6 0 1 1 8 2 3 6 4 7 5 筛孔尺寸 mm 图 1 细集料的粒径分布 粗集料 ： 普通碎石 ， 粒径 5 2 5 mm。图 2为粗集 料的粒径分布曲线。经试验得到粗集料的表观密度 2 6 9 8 k m ， 堆积密度 1 6 2 4 k m ， 吸水率 O 9 8 ， 压碎 指标 8 6 物理指标和级配均符合 G B T l 4 6 8 5 2 0 1 l 建设用卵石 、 碎石 的要求 。 1 o 0 8 0 6 0 撰 4 O 旺 jl； 2 0 0 2 3 6 4 7 5 9 5 0 l 9 U U 3 1 5 U 筛孔尺寸 m m 图 2 粗集料 的粒径分 布 1 2 试验 方法 收缩试验 ： 按照 G B T 5 0 0 8 2 2 0 0 9中关于测试 硬化 混 凝 土试件 收 缩变形 的性 能 的方 法 进行 。试 件 尺寸为1 0 0 mm 1 0 0 mm 5 1 5 m m，使用 卧式混凝土收 缩仪 ， 试件两头预埋侧头 ， 采用 3 9 0 d混凝 土的收 缩变形作为收缩指标 。 抗碳 化性试验 ： 按照 G B T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9 ( 普通 混凝土长期性能和耐久性能试 验方法标准 中碳化 试验规定 的方法进行 ， 采用 1 0 0 mm 1 0 0 mmx 1 0 0 mm 的立方体试件 ， 在标准养护条件下养护 2 8 d后进行 碳化试验， 碳化时间为 3 d 、 7 d和 2 8 d 。 抗渗性试验 ： 按照 G B T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9中抗水渗 性试 验 中规 定 的方 法 进行 。 首先 采 用逐 级 加 压 法测 定混凝土的抗渗等级 ， 之后采用渗水高度法测定恒 定水压下试件 的平均渗水高度。采用上 口内部直径 1 7 5 mm、下 口内部直径 1 8 5 m m和高度 1 5 0 mm的圆 台体试件 。 抗 冻性试验 ： 采 用 G B T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9中的快 冻法 ， 测定混凝土在快速冻融循环条件下混凝土的 抗冻性能 。试件 尺寸为 1 0 0 mmx l 0 0 m mx 4 0 0 mm 试 件养护 2 8 d后测试试件的初始质量和横 向基频 ， 之 后开始冻融循环试验 ， 最低温度设置为一 2 0 ， 最高 温度设置为 7 。 每隔 2 5次冻融循环后测试试件的 质量和横向频率 ， 当试件相对动弹模下降到 6 0 或 者质量损失率达到 5 时停止试验 。 2配合 比 的确定 根据 J G J 5 5 2 O l 1 普通混凝土配合 比设计规 程进行试配，水灰比为 0 4 5 ，坍落度控制在 3 0 5 0 ra m， 以普通混凝土的配合 比为基准 ， 用垃圾焚烧 底灰替代普通混凝 土中相同质量的水泥 ， 得到底灰 混凝土。针对垃圾焚烧底灰吸水率较大 的特点 ， 在 试配之前参照了 G B T 1 5 9 6 -2 0 0 5 用于水泥和混 凝土中的粉煤灰 中附录 B的需水量比试验方法 ： 测定试验胶砂和对 比胶砂 的流动度 ， 以二者流动度 达 到 1 3 0 1 4 0 mm 时 的加 水 量 之 比确 定底 灰 的需 水 量 比。试验发现 本研究使用底灰 的需水量 比约为 1 1 0 。 附加水与水灰 比用水作为底灰混凝土总的用 水量。具体配合 比如表 3所示 。 3试 验结 果及 分析 3 1 收 缩试 验 表 4为普通混凝 土和底 灰混凝土 的收缩试验 一 8 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年第 5 期 混凝土与水泥制品 总第 2 1 7 期 表 3 试验用混凝土配合 比 k g ， m 结果 图 3为二种混凝土的收缩对 比曲线。从图 3 可以看出 ， 底灰混凝 土收缩随时间发展 曲线和普通 混凝土不同。由于底灰混凝土含水量较高且容易泌 水 ( 水泥量较少 ， 水化产物不 足以封堵混凝土 中的 毛细孑 L 内部水分容易 自下而上运动 ) 的特点 ， 底灰 混凝土前期 的收缩要明显高于普通混凝土 ： 后期 由 于底灰具有一定的火山灰活性 ， 底灰混凝土的较大 毛细孔会被 C S H凝胶所填充 ，形成较细的凝胶 孔 ， 导致底灰混凝土后期收缩变缓 ， 低于普通混凝 土的收缩 。但是底灰混凝土早期收缩大于普通混凝 土 ， 不利于底灰混凝土早期裂缝的控制。 3 2 抗 碳化 试验 表 5为普通混凝土和底灰混凝 土的碳化性能 试验结果。从表中可 以看 出， 底灰混凝土和普通混 表 4混凝土收缩试验结果 配合 比 收缩率 编 号 7 d 1 4 d 21 d 2 8 d 5 6 d 9 0 d 0 O1 8 2 0 0 32 8 0 0 4 47 0 05 08 0 05 5 0 0 05 75 3 #0 0 2 4 4 0 0 3 8 0 0 04 5 7 0 0 4 9 1 0 O 5 1 7 0 0 5 3 0 褂 婚 H - 7 1 4 2 1 2 8 5 6 9 0 龄期 d 图 3 混凝土干缩率试验结果 凝土的碳化深度随龄期的增长呈逐渐增加态势 。底 灰混凝土前期的碳化深度明显高于普通混凝土 ， 但 底灰混凝 土 2 8 d的碳化 深度小于普通混凝土 。同 时 ， 与普通混凝土相 比， 掺 有底灰 的混凝土碳化速 表 5 混凝 土碳化深度试验结果 mm 度较慢 ，说明底灰能够降低混凝土的碳化深度 ， 改 善混凝土 的抗碳化性能。 3 - 3 抗 渗性 试验 表 6和表 7分别为普通混凝土和底灰混凝土 渗透压和渗水高度试验结果。由表可见 ， 本试验 中 普通混凝土的抗渗等级可以达到 P 6等级 ，而底灰 混凝土的抗渗等级达到了 P 8等级。当掺加底灰后 ， 混凝土的抗渗高度明显低于普通混凝土 ， 说明的掺 入底灰对混凝土的抗渗性有利。这主要是由于底灰 具有火山灰 活性 ， 使混凝 土的结构更加致 密 ， 混凝 土 的孔 结构 趋 于一 致 。试 验结 果 同时可 表 明 ， 混 凝 土的抗渗性能与凝胶材料的性能有一定关系。 表 6 混凝土发生渗水量 的渗 透压 3 4 抗 冻性 试验 表 8和表 9为普通 混凝 土和底灰 混凝 土在不 同冻融循环后质量 以及动弹性模量的试验结果 。 图 4为 二 种 混凝 土 试 件 2 5次 到 1 0 0次冻 融 循 环 前 后 动弹性模量损失率的变化曲线。动弹性模量损失率 我们定义为相对 于冻融作用混凝土初始动弹性模 一 8 6一 量值 与冻融循环后混凝土初始动弹性模量值降低 的百分 比。 从表 9可以看出 ，普通混凝土经过 7 5次冻融 循环后 ，动弹性模量降低为初始数值 的 4 6 1 2 ， 而 底灰混凝土可以经受 7 5次冻融循环。7 5次冻融循 环后 。 普通混凝土和底灰混凝土的质量损失率均在 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 张 涛 ， 赵增增 城市生活垃圾焚烧底灰混凝土耐久性研究 配合 比 初始 动弹 2 5次冻融循环 5 0次冻融循环 7 5次冻融循环 1 0 0次冻融循环 编号 模量 k g 动弹模 G P a 变化率， 动弹模 G P a 变化率， 动弹模量 G P a 变化 率 动弹模量 G P a 变化率 日 凸_ 0 删 惫 需 4混 凝 土 动 弹 性 模 量 变 化 情 况 5 之 内。 从图 4可以看 出 底灰混凝土的质量减少和动 弹性模量降低幅度均小于普通混凝土。这是因为结 构 的致 密化 和孔结构 的合理化使得 底灰混凝土具 有较强的抗冻性 。 4结 论 ( 1 ) 底灰混凝土试件的前期 收缩 明显高于普通 混凝 土试件 ；由于底灰具有一定 的火 山灰活性 ， 使 得底灰混凝土后期收缩变缓 ， 低于普通混凝 土的收 缩 。底灰混凝土早期收缩大于普通混凝土 ， 不利于 底灰混凝土早期裂缝的控制。 ( 2 ) 底灰混凝土和普通混凝土的碳化深度 随龄 期 的增长呈逐渐增加趋势 底灰混凝 土前期 的碳化 深度 明显 高于普通混凝土 ， 2 8 d的碳化深度小于基 准混凝 土 ； 与普通混凝 土相 比， 掺有底灰 的混凝 土 碳化速度慢 ，底灰能够降低混凝土的碳化深度 ， 改 善混凝土的的抗碳化性能 ( 3 ) 本试验 中 ， 普通混凝 土的抗渗等级可 以达 到 P 6 ， 而底灰混凝土的抗渗等级达到 了 P 8等级 ； 掺 加底灰后 ，混凝土 的抗 渗高度 明显低于普通混凝 土 ， 说明底灰对混凝土的抗渗性有利。 ( 4 ) 底灰混凝土可 以经受 7 5次冻融循环 。 底灰 混凝土 的质量减少 和动弹性模量 降低 幅度均小 于 普通混凝土 ， 结构的致密化和孑 L 结构的合理化使得 底灰混凝土具有较强的抗冻性。 ( 5 ) 城市 垃圾 焚烧底 灰有一定 的火 山灰活性 ， 一 定范 围内掺加底灰的混凝土与普通混凝土相 比， 底灰 混凝 土具 有较小的收缩率 ， 抗碳化性能 、 抗渗 性 、 抗 冻 性 能 优 异 ， 说 明底 灰 的 加 入 可 以改 善 混 凝 土 的耐 久 性能 。 参考 文献： 【 1 】 崔正龙 ， 大芳 贺 羲喜， 北 迁政 文， 等 再 生混凝 土的 冻融循 环试验研究 J 】 建筑材料学报， 2 0 0 7 ( 6 ) ： 5 3 4 5 3 7 2 】 高红 江， 崔正龙 城市垃圾熔渣骨料混凝 土耐久性试验研 究 J 1 工业建 筑， 2 0 0 9 ， 3 9 ( 增) ： 9 2 7 9 3 0 3 】 崔正龙 城 市垃圾熔渣及 其所取再生混凝土 的研究f J 硅 酸盐通报， 2 0 0 7 ， 2 6 f 4 ) ： 7 0 5 7 0 9 【 4 】 崔正龙， 汪振 双 城市垃圾熔渣再生混凝土耐 久性 能的试 验研 究 J 辽 宁工 程 技术大 学 学 报： 自然科 学 版， 2 0 0 9 ， 2 8 ( 2 ) ： 2 3 1 - 2 3 3 【 5 未翠霞 ， 宋少 民 大掺量粉煤 灰活性粉末混凝土耐 久性研 究f J 新型建筑材料， 2 0 0 5 ( 6 ) ： 2 7 2 9 6 郑青 ， 许 晓东， 杜泽， 等 矿粉掺量 对混凝 土性能 的影响 J 混凝 土与水泥制品 2 0 1 1 ( 4 ) ：2 2 2 4 7 】 雷文 晗， 彭小芹， 谢永 江， 等 硅微 粉对 混凝 土性能 的影 响 【 J J 混凝土， 2 0 1 1 ( 6 ) ： 1 0 0 1 0 7 8 F i l i p p o n i P P o l e t t i n i ， A ， P o m i a ， R ， a n d S i r i n i ， P P h y s i c a l a n d me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f c e me n t b a s e d p r o d u c t s c o n t a i n i n g i n - c i n e r a t i o n b o a o m a s h Wa s t e Ma n a g e me n t ， 2 0 0 3 ， 2 3 ( 2 ) ： 1 4 5 - 1 5 6 9 K e p p e M ， P a v l i k Z ， a n d Z u mO r ， J D u r a b i l i t y o f Mo rt a r w i t h Hi g h Co n t e n t o f Mu n i c i p a l S o l i d W a s t e I n c i n e r a t i o n Bo t t o m As h J 】 I A C S I T C o i m b a t o r e C o n f e r e n c e s ， I P C S I T ， 2 0 1 2 ， 2 8 ： 1 3 7 1 4 2 1 0 】B e r t o l i n i ， L ， C a r s a n a ， M ， C a s s a g o ， D ， Q u a d r i o C u r z i o ， A a n d C o l l e p a r d i ，MMS W I a s h e s a s mi n e r a l a d d i t i o n s i n c o n c r e t e C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 4 ， 3 4 ( 1 0 ) ： 1 8 9 9 1 9 0 6 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 3 2 4 作者 简介 ： 张涛 ( 1 9 7 2 一 ) ， 女 ， 教授 。 通讯地址 ： 大连市沙河 口区黄河路 7 9 4号 联 系 电话 ： 1 59 0 9 8 6 8 7 0 2 通讯作者 ： 赵增增 ( 1 9 8 7 一 ) ， 男， 硕士研 究生。 联系 电话 ： 1 3 4 7 8 4 7 6 1 5 7 8 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m