垃圾焚烧飞灰制备超高强混凝土

混

凝

土

Concrete

鲁刘磊1，欧阳东1，徐畏婷2，易承波1，易

宁1

（1.暨南大学理工学院“重大工程灾害与控制”教育部重点实验室，广东广州510632；2.香港城市大学建筑系，香港）Abstract:

As more and more incineration plant be built and put into use ，the emissions of MSW fly ash become more and more significant.As haz-

ardous waste ，fly ash rich in harmful heavy metals Zn ，Cr ，Pb ，Cd and dioxins.After comprehensive comparison ，using MSW fly ash as supplementary cementitious materials to prepare concrete is the best way of utilization of MSW fly ash.This paper explores the possibility of preparation of high strength concrete with fly ash ：

using conventional technology ，an ultra-high strength concrete with 117.8MPa compressive strength at 28d and 270mm slump have been firstly prepared in the country successfully.Meanwhile ，its leaching amount of heavy metals didn't exceed National standards.Key w ords:

MSW fly ash ；

ultra-high strength concrete ；compressive strength ；heavy metal Using MSW fly ash to prepare ultra-high strength concrete

LU Liu-lei 1，OUYANG Dong 1，XU Wei-ting 2，YI Cheng-bo 1，YI Ning 1

（1.MOE Key Lab of Disaster Forecast and Control in Engineering ，Jinan University ，Guangdong 510632，China ；

2Department of Building and Construction ，City University of Hongkong ，Hongkong ，China ）

垃圾焚烧飞灰制备超高强混凝土

2010年第12期（总第254期）Number 12in 2010（Total No.254）

doi ：10.3969/j.issn.1002-3550.2010.12.035

摘要：随着越来越多的垃圾焚烧厂的建成与投入使用，垃圾焚烧飞灰的排放量越来越巨大。垃圾焚烧飞灰中富含有害重金属Zn 、Cr 、Pb 、Cd

属于危险废物。经综合比较分析，以飞灰作为辅助胶凝材料制备混凝土是飞灰资源化利用的最佳途径。探索了用飞灰

制备超高强混凝土的可能性：应用常规的工艺方法，率先在国内成功研制了28d 抗压强度为117.8MPa 、坍落度为270mm 的飞灰超高强混凝土，且重金属浸出量未超过国家标准。

关键词：垃圾焚烧飞灰；超高强混凝土；抗压强度；重金属中图分类号：TU528.041

文献标志码：A

文章编号：1002-3550（2010）12-0107-04

收稿日期：2010-07-01

实用技术

PRACTICAL TECHNOLOGY

0引言

随着我国城市建设突飞猛进地发展、人民生活水平日新月异的提高，城市生活垃圾的排放日益增多，据统计，全世界每年产生4.9亿t 城市生活垃圾，仅在我国就产生近1.5亿t 。生活垃圾的增多不仅严重影响城市环境质量，而且会传染疾病，对大气、

土壤、水体等造成危害[1]。为了将垃圾污染降到最低，世界各国各地的环保部门可谓是绞尽脑汁。目前，对城市生活垃圾的处理方法主要有填埋法、堆肥法、焚烧法和固化技术，其中焚烧法是一种比较先进的，最能实现垃圾无害化、减量化和资源化的处理方法[2]。

垃圾焚烧飞灰（简称飞灰）就是生活垃圾经高温焚烧后，用烟气净化装置收集得到的残留物。其中含有高浸出浓度的重金

属于危险固体废弃物，环境保

护部门要求在对其进行最终处置之前必须先经过固化/稳定化处理[3]。现今各国对飞灰的处理处置方法主要采用水泥固化/稳定化后的直接填埋，而这种方式一方面不仅占用了大量宝贵的土地资源，大大提高了处置费用，而且飞灰中的有害重金属和

对其造成二次污染；另一方面，这种无害化处理大大浪费了飞灰资源。因此，研究开发适宜的飞灰资源化利用的途径势在必行。

混凝土工业处置利用固体废弃物已经成为国内外混凝土工

业发展的新潮流。而且，飞灰的主要成分属CaO-SiO 2-Al 2O 3-Fe 2O 3体系，具有微弱的火山灰活性，具有一定的资源利用性[4]，可用于制作水泥、混凝土。本文即论述了飞灰在混凝土工业上的资源化利用。同时，探索了用飞灰直接制备超高强混凝土的可能性，旨在拓宽飞灰资源化利用的渠道、

扩大资源来源的范畴。1飞灰的资源化利用

飞灰的资源化利用目前有9种途径[5]，介于本文的研究，仅探讨其中飞灰在混凝土工业上的应用，作为比较，其他7种应用情况则列于表1。将飞灰应用于混凝土生产有两种途径：①生产水泥，用飞灰水泥制作混凝土；②作为辅助胶凝材料，取代部分水泥直接制备混凝土。

1.1生产水泥

水泥是由石灰石、黏土和其他材料混合经高温煅烧后研磨而成的。在水泥回转窑中，石灰石（CaCO 3）、黏土等经高温煅烧生成制作水泥的材料，这一过程需消耗大量的能量同时释放出大量温室气体CO 2。而飞灰本身即含有石灰（CaO ），以及一些活性组分氧化铝（Al 2O 3）、二氧化硅（SiO 2），所以将飞灰用作石灰源，既能减少因煅烧石灰石而消耗的能量，又能减少分解石灰石时所释放的CO 2。如今，用飞灰烧结水泥在国内已有相当的研究。同济大学施惠生[3]的试验研究表明，将飞灰用作水泥原料不仅能有效地降低处置费用，实现了资源化利用，而且水泥水化

107··

主要缺点

玻璃化属能量密集过程，成本高昂，排放气体污染物

重金属等浸出，对环境造成二次污染重金属等浸出，对环境造成二次污染只能使用少量飞灰；盐类导致植物中毒产品性能劣于商业化吸附剂；残液需处理

可能增加废水中的重金属含量

表1

其他七种垃圾焚烧飞灰资源化利用途径[5，

8]

应用途径陶瓷玻璃、陶瓷玻璃

道路堤坝改良土壤吸附剂调理污泥

是否需预处理

否是是是否否主要优点消耗废弃物；节约资源

消耗废弃物；高温破坏有害有机物、封装或分离重金属

降低成本；节省处置费用；节约资源易于实施；减轻负荷，减少地面沉降

消耗废弃物；节约资源消耗废弃物；节约资源

易于实施

后重金属能被有效地固化/稳定化在水化产物中，浸出量低于鉴别标准规定的指标，不会对环境造成的二次污染。武汉理工大学马保国等[2]用掺入16.32%的飞灰烧成的熟料制得的水泥，其胶凝性能好，早期强度高，后期强度增进率大，28d 抗压强度达65.4MPa 。因此，飞灰是一种可行的有待开发的生产水泥的资源。

然而，飞灰含有较高浓度的重金属和氯化物，重金属在加热时易挥发，氯化物在高温时容易分解产生游离的氯，用于生产水泥则会造成尾气中重金属的二次污染和设备的腐蚀[4]。因此，应注意防止这些问题，则必须对飞灰进行预处理以去除重金属和氯化物，或控制其掺入量。

1.2直接制备混凝土

飞灰与目前常用的辅助胶凝材料高炉矿渣、粉煤灰等非常接近，同属CaO-SiO 2-Al 2O 3-Fe 2O 2体系，因此可取代部分水泥直接制备混凝土。混凝土的一个重要的工程性质是抗压强度。Hamernik 和Frantz [6]等研究表明，将飞灰作为辅助胶凝材料取代部分水泥掺入混凝土中，可提高混凝土的抗压强度：当用飞灰取代45%的水泥时，其抗压强度与原来的相当；而当取代量为水泥用量的15%时，

其抗压强度比原来的明显要高。当然，最优水泥取代量取决于飞灰的特征，主要是它的火山灰活性。另外，飞灰稳定过程中毒性不一定消失，须仔细评估飞灰对使用环境安全性的影响。同济大学施惠生[7]等的试验表明，将飞灰掺入混凝土中，水泥水化能有效地固封重金属，其浸出毒性远低于国家标准，不影响使用环境的安全。因此，用飞灰制备混凝土无需预处理且安全可行，同时适量的飞灰还可提高混凝土的力学性能。

以直接制备混凝土的方式处理飞灰具有极大的潜力：一方

行稳定和固化，而且用飞灰取代等质量水泥直接掺入混凝土，则节约了水泥，降低了混凝土制品的成本；另一方面，飞灰的固结填埋费用将近2000元/t ，而用于混凝土中的处置费用却只需200元/t 左右，从而大大节省了飞灰处理处置费用。

比较分析以上两种利用飞灰制作混凝土的途径，直接制备混凝土的方式具有以下优势：

（1）工艺流程简单。直接制备混凝土，飞灰中的有害物质可一步到位地稳定/固化，

相反以飞灰水泥制备混凝土则需经历煅烧、破碎、粉磨、流通以及制作混凝土等众多环节，工艺繁杂，而且存在对环境造成二次污染的可能。

（2）

不会向大气扩散。生产水泥时，依然存

对环境造成二次

污染。

（3）无需对飞灰进行预处理，无需改进任何设备，成本更加低廉。

（4）消化潜力更大。虽然制作混凝土时，飞灰掺入量不高，但是混凝土产量巨大，少数混凝土工厂即可消化所有飞灰。

因此，综合经济、社会及环境效益，9种飞灰资源化利用的途径中，将飞灰作为辅助胶凝材料制备混凝土是彻底实现飞灰资源化避免进入填埋场最适宜的途径。

目前，用飞灰制备普通混凝土已有不少研究，而直接制备超高强混凝土却是尚未涉足。值得一提的是，随着人类社会的发展和进步，房屋建筑物正逐步高层化、超高层化，跨海桥梁也逐渐大跨化、超大跨化，这种形势则要求减小构件截面尺寸、减轻结构自重，从而使超高强混凝土的应用成为必然趋势。

然而，资源的短缺却限制着超高强混凝土的发展。因此，本研究成果不仅有利于拓宽飞灰资源化利用的渠道，提升它的利用价值，而且可大大降低制备超高强混凝土的成本。

2飞灰制备超高强混凝土

2.1技术途径

本试验采用通用的制备超高强混凝土的技术路线：硅酸盐水泥+活性矿物掺料+高效减水剂，并以矿物减水理论[9]为指导。同时，采用常规的搅拌工艺拌制混凝土试件。具体的技术措施如下。

2.1.1选用优质水泥

由混凝土强度计算公式可知，在其他条件相同的情况下，混凝土强度与水泥强度成正比，选用优质高强度等级水泥是提高混凝土强度的最根本措施。

由于制备超高强混凝土时水泥用量较大，水化热高，所以需选取低水化热水泥，即水泥中C 2S 比例须增大，而C 3S 及C 3A 量减少。2.1.2选用优质骨料

配制超高强混凝土的骨料应符合以下要求：

（1）骨料的最大粒径要小。文献[10]建议制备超高强混凝土的粗骨料的最大粒径宜为10~14mm ，因为骨料粒径越大，存在微裂纹的概率就越大。

（2）骨料母岩抗压强度要大于混凝土强度。根据文献[10]，混凝土中骨料的应力约为混凝土平均应力的1.7倍，因此，粗骨料母岩强度宜大于混凝土强度的1.7倍。

（3）骨料粒形好，方圆型颗粒多，针、片状颗粒少；含泥、含粉率小，级配良好。2.1.3采用低水胶比

众所周知，混凝土的强度取决于水胶比。水胶比越低，硬化水泥浆体越密实，混凝土强度就越高。本试验即采用0.19水胶比。2.1.4掺加高效减水剂

在和易性相近时，掺加高效减水剂可降低水胶比，达到减水的目的，从而改善混凝土的内部结构，提高混凝土的强度[11]。2.1.5提高胶凝材料的用量

由于本试验中采用的水胶比很低，为保证混凝土的工作性，需提高胶凝材料的用量来保持必要的用水量，因此，试验中采

108··

表4

超高强混凝土的配合比、流动性及抗压强度胶结材组成/%编号1234

胶结材用量/（kg/m 3）800800800800

MSW

5

水泥75.070.057.565.0

FS 25252525

SF

555

RHA

12.5

水胶比0.190.190.190.19

高效减水剂

/%2.52.52.52.5

粗骨料/（kg/m 3

）

爪米406406406406

碎石540540540540

中砂/（kg/m 3）630630630630

流动性/mm

扩展度705750680740

坍落度

255280265270

抗压强度/MPa 28d 104.3106.5112.6117.8

3d 78.482.392.3100.3

7d 92.599.6106.7111.3

用的胶凝材料的用量均为800kg/m 3。2.1.6

掺加活性矿物掺合料

活性矿物掺料是制备超高强混凝土不可或缺的组分。活性矿物掺合料的增强机理，与以下两个效应[11]密切相关：

（1

）火山灰效应：矿物掺合料具有良好的火山灰活性，含有的SiO 2、Al 2O 3等活性组分，在碱性环境条件下可水化生成C-S-H 凝胶。

（2）微集料填充效应：细微矿物掺合料颗粒填充在水泥颗粒之间，使胶凝材料具有良好的级配。在水灰比不变、不影响水泥浆体孔隙率的条件下，可细化混凝土内部的孔隙。

目前，常用的活性矿物掺合料有硅灰、磨细矿渣、粉煤灰和稻壳灰等，活性最好的属硅灰。本试验重点研究了利用飞灰复掺其他活性矿物掺合料来拌制超高强混凝土。2.1.7

控制水泥用量

水泥用量较大时，水化热高。因此，须增大活性矿物掺合料用

量，取代等质量的水泥，从而降低水化热。例如，本试验则掺入了占总胶凝材料用量25%的磨细矿渣。

2.2试验材料

（1）水泥：广州市越堡水泥有限公司的金羊牌42.5R 级硅酸盐水泥。

（2）活性矿物掺合料：垃圾焚烧飞灰（MSW ）：广州李坑垃圾焚烧发电厂的焚烧飞灰；磨细矿渣（FS ）：广东韶钢嘉羊新型材料有限公司生产的S95磨细矿渣粉；硅灰（SF ）：埃肯国际贸易有限公司生产的微硅粉；气化稻壳灰（RHA ）：河南某啤酒厂气化稻壳灰。各自的化学成分及物理性能列于表2、

3中。（3）骨料：①粗骨料：增城石场产5~10mm 瓜米石和大亚湾石场产5~20mm 碎石，两级粗骨料配合成5~20mm 连续级配骨料。②细骨料：花都区碳步镇新都砂石厂北江河砂，含泥量0.9%，细度模数为2.84，级配良好。

（4）外加剂：聚梭酸类高效减水剂。

表2

垃圾焚烧飞灰中化学成分的质量分数

比表面积

/（cm 2/g ）约18万

ZnO 0.52

CaO 20.31

SiO 222.47

Al 2O 34.46

Fe 2O 30.94

SO 39.25

K 2O 5.98Na 2O 4.26

CdO 0.07

Cr 2O 30.09

PbO 0.16

CuO 0.07

Loss 23.2

化学成分/%比表面积/（cm 2/g ）34505240约20万约55万

表3

其他胶凝材料化学成分和物理性能

化学成分/%胶结料水泥磨细矿渣硅灰稻壳灰

Loss 1.3-2.14.5

CaO 50.5041.260.631.52

SiO 230.3034.2493.7889.60

Al 2O 312.1014.150.36-Fe 2O 3--1.25-TiO 20.42---MgO 2.907.220.740.56

SO 32.7---2.3试验方法

本试验分为两个部分：抗压强度测试和重金属浸出试验。具体试验操作如下：

（1）混凝土成型：称取各种材料、用搅拌机充分搅拌后，测试拌合物的流动性，再振动成型。

（2）养护：混凝土入模后静置24h 后拆模，在（20±2）℃下密封养护至规定龄期（3、7、28d ）。

（3）强度测试：采用非标准试件100mm ×100mm ×100mm ，结果乘尺寸换算系数0.95。

（4）重金属浸出测试：结合实际情况，对德国的水槽浸出法[12]

进行改进：采用100mm ×100mm ×100mm 混凝土试件，养护28d 后浸没于装有中性溶液（去离子水）的塑料或玻璃水槽中，每4周对浸出液进行ICP 测试，

总共历时16周（前四周每隔周换水1次，接下来每隔1个月换水1次）。最后，将试验结果同我国重金属浸出液最高允许浓度限值进行对比。

2.4试验结果与分析

试验结果参见表4和图1，并对此进行如下讨论分析：（1）从表2、3可见，飞灰的主要成分属CaO-SiO 2-Al 2O 3-Fe 2O 3体系，同水泥、磨细矿渣等胶凝材料相近。飞灰的烧失量高达23.2%，说明其中含有大量挥发性物质和未燃尽的有机物存在。

（2）比较表4中的4种配合比，将具有高火山灰活性的气化稻壳灰、飞灰分别与其他活性矿物掺合料复合掺入，均能进一步提高混凝土的强度。

值得一提的是，掺飞灰的混凝土在3、7、28d 的抗压强度均是最高的，其中28d 抗压强度高达117.8MPa ，并获得坍落度270mm 。

（3）经16周的浸出试验表明，除Cr 和Zn 外，其他重金属元素As 、Cd 、Pb 、Ni 、Cu 、Co 都很好地固化在混凝土中，浸出量几乎为零。由图1可见，重金属Cr 和Zn 经16周浸出的浸出量几乎稳定在0.009mg/mL 和0.012mg/mL （浓度限值为0.01mg/mL

和0.05mg/mL ），均未超过国家标准。

3结论

通过上述试验研究发现：适当掺入垃圾焚烧飞灰可用于制备强度等级为C100的超高强混凝土，并且可获得良好的工作性能。同时掺垃圾焚烧飞灰超高强混凝土的重金属浸出量均没有超过国家标准，并不影响使用环境的安全。

因此，可以初步认为，垃圾焚烧飞灰作为辅助胶凝材料制备超高强混凝土是安全可行的。

当然，本试验仅是对飞灰制备超高强109··

混凝土进行了探索性研究，并不成熟，有待进一步深入研究。

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（五）———水泥厂利用废弃物的基本准则[J].水泥，2003（5）.作者简介：鲁刘磊（1986-），在读研究生。

单位地址：广东省广州市天河区黄埔大道西601号暨南大学力学与

土木工程系试验楼（510632）

联系电话：189********

图1中性溶液中Cr 、Zn

的浸出量

结果表明：单掺钢纤维混凝土和单掺膨胀剂混凝土的四个评价指标均低于普通混凝土，抗裂等级为II 级，而钢纤维与膨胀剂双掺的混凝土抗裂效果最好，平板上只出现了少数几条微裂缝，抗裂等级达到了I 级，明显优于其他混凝土，更适合于东部沿海地下防护工程。1.3.4

Cl -渗透试验

本文采用ASTM C 1202-05的测试方法[9]———将混凝土试件（直径100mm ，厚55mm 的圆柱体）一端浸在NaCl 溶液中，另一端浸在NaOH 溶液中，

试件的两端保持60V 直流电位差，记录6h 内通过试件的电量（C ），以该电量的大小评价混凝土抗Cl -渗透的能力。试验结果见表5。

从表5中可以看出：单掺钢纤维或单掺膨胀剂均能提高混凝土的抗渗性能，较普通混凝土的氯离子通过量分别减少了55%，62%，Cl -渗透评价为低。钢纤维与膨胀剂双掺抗渗能力最好，较普通混凝土的氯离子通过量减少79%，Cl -渗透评价为极低。双掺法抗渗能力大幅度提高的原因是钢纤维与微膨胀的复合效应，钢纤维限制了膨胀和收缩，微膨胀又补偿了收缩，提高了抑制裂缝引伸与发展的能力。且因微膨胀效应，增进了混凝土致密性，改变了孔形貌，减少与缩小了裂缝源的尺度和数量，改善了孔结构和孔分布状态，使大孔变小，连通孔封闭，抗渗性提高[5]。

2工程应用

以本文提供的钢纤维膨胀混凝土的配合比，通过工地试拌调整，用于某地下防护工程试验段，从施工配合比、模板支立、钢筋绑扎、混凝土搅拌、运输、浇筑、振捣、拆模直到养护都做到严格按施工操作规程和设计要求组织施工，投入使用后观测洞

内侧墙和拱顶均未发现裂缝和渗水现象，实测现场混凝土试件28d 抗压强度均为80MPa 以上，超过设计强度要求，表明钢纤维膨胀混凝土完全能够达到高强度、高抗裂、高抗渗的要求。

3结论

（1）掺钢纤维或掺膨胀剂均降低混凝土的工作性，但通过掺入适量的高效减水剂和优质粉煤灰可以改善混凝土和易性，提高坍落度，满足泵送要求。

（2）单掺钢纤维混凝土的抗压、抗弯、拉劈抗强度较之普通混凝土均有明显提高，单掺膨胀剂混凝土较之普通混凝土稍有提高，两者都明显改善了混凝土的抗裂性能和抗渗性能。

（3）钢纤维和膨胀剂双掺产生了协同叠加效果，使钢纤维膨胀混凝土的力学性能、

抗裂性能和抗渗性能较之普通混凝土、单掺钢纤维混凝土和单掺膨胀剂混凝土均有了显著地提高，是一种适于地下防护工程结构自防水的高性能混凝土。

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concrete's ability to resist chloride Ion penetration[S].作者简介：罗成立（1982-），男，博士研究生，主要从事机场施工与材

料方面研究。

单位地址：西安空军工程大学工程学院五系研究生十五队（710038）联系电话：153********

表5

混凝土Cl -渗透试验结果

Cl -渗透评价

中低低极低

混凝土类型

C SFRC EC SFREC

通电量/C 268212001020560

·上接第77页

110··