城市生活垃圾焚烧飞灰对沥青混合料TSR的影响分析_李菁若

㊀D O I :10.14048/j.i s s n .1671-2579.2016.01.054城市生活垃圾焚烧飞灰对沥青混合料T S R 的影响分析李菁若,谭巍(招商局重庆交通科研设计院有限公司,重庆市㊀400067)摘要:为了探索城市生活垃圾焚烧飞灰对沥青混合料冻融劈裂抗拉强度比(T S R )的影响原因,首先测试不同飞灰掺量的沥青混合料的T S R ;其次通过添加石膏㊁N a C l 与C a C l 2等物质,研究遇水反应膨胀物与可溶氯盐对沥青混合料T S R 的影响;最后通过飞灰的水解与水洗,进一步佐证飞灰沥青混合料T S R 的影响因素㊂结果表明:2%~5%掺量的飞灰沥青混合料的T S R 均不满足规范要求,与飞灰本身的物化性能有关;石膏㊁N a C l 与C a C l 2均对沥青混合料的T S R 起恶化作用,且T S R 均不满足规范要求;水解飞灰提前释放水合反应膨胀压力,T S R 得到改善,但仍不满足规范要求;水洗飞灰,不仅经历水解过程,还洗掉了近26.8%的可溶盐,其T S R 大大改善,满足规范要求㊂飞灰表面的多微孔㊁大的比表面能㊁遇水膨胀物的水合作用㊁可溶盐的溶解-结晶作用等物化性质是造成沥青混合料T S R 降低的主要原因㊂关键词:路面工程;城市生活垃圾焚烧飞灰;沥青混合料;冻融劈裂强度比;可溶盐收稿日期:2015-08-13基金项目:国家垃圾处理与资源化工程技术中心资助项目(编号:F S 14-229)作者简介:李菁若,女,硕士,助理工程师.E -m a i l :l i j i n gr u o @c m h k .c o m ㊀㊀随着现代化进程的快速推进,经济的飞速发展,各行各业的副产品㊁废弃物的堆积量也日趋增长,中国城市人均生活垃圾产生量为(0.9~1.0)k g /d ,如全国城市人口按3.5亿人计算,则城市生活垃圾1d 产生量为32万~35万t ,体积为100万~200万m 3,而且垃圾量呈现逐年显著增长的趋势,因此垃圾问题日益突出㊂垃圾焚烧处理因其可有效实现垃圾的减量减容化与资源化,成为国内外优先推荐的生活垃圾处理方式㊂据不完全统计,2013年底,全国焚烧发电厂约170座,仅炉排焚烧处理垃圾生成飞灰约5750t /d ㊂飞灰中含有的二噁英㊁重金属以及可溶盐等有毒有害物对地下水体㊁周围生态环境以及人体健康造成了潜在危害,成为危险固体废物㊂重庆同兴垃圾焚烧发电厂利用低温热降解技术实现了飞灰二噁英的高效降解,但是仍然面临着飞灰重金属浸出毒性的风险,进一步寻求飞灰无害化㊁资源化处置目标成为亟待解决的问题㊂李新明等指出飞灰可以用作筑路材料,在使用过程中能够避免与人居环境直接接触,环境影响较小,且飞灰用量较大,是目前中国垃圾焚烧飞灰资源化利用的较好途径㊂刘青认为可以利用沥青良好的粘结性㊁憎水性㊁化学稳定性及耐腐蚀性等,将飞灰加入热熔沥青中,产生皂化反应,包容飞灰有害物质并最终形成固体,从而稳定飞灰㊂陆鲁等㊁严建华等通过试验研究得出沥青固化飞灰能够取得较好的效果㊂彭雯提出飞灰应用于沥青混凝土的理念,但并未对其进行实质性的试验研究㊂该文将城市生活垃圾焚烧飞灰替代一定比例的矿粉,以干法形式与矿粉一起加入沥青混合料中,其余工艺同热拌沥青混合料,制备飞灰沥青混合料试件,着重研究飞灰对沥青混合料冻融劈裂抗拉强度比(T S R )的影响,并分析影响原因,以期进一步了解飞灰沥青混合料的水稳定性㊂1㊀试验部分1.1㊀原材料与主要仪器城市生活垃圾焚烧飞灰为重庆同兴垃圾焚烧发电厂焚烧飞灰,不同时期的飞灰本身的物化性能波动大,源自于一年四季的城市生活垃圾种类不同,该文中飞灰沥青混合料T S R 的试验数据均为针对此次取样飞灰在误差范围内多次试验的平均值;集料为重庆古剑山沥青拌和站生产的石灰岩热料;矿粉采用石灰岩磨细矿粉;沥青采用S K70#普通沥青㊂石膏为梁平精制石膏粉,梁平县华丽石膏加工厂生产,规格为325目,含C a S O 4ȡ96%㊂无水氯化钙与氯化钠均为成都市科龙化工试剂厂生产,分析纯52㊀中㊀外㊀公㊀路第36卷㊀第1期2016年2月网络出版时间：2016-03-02 13:47:37网络出版地址：/kcms/detail/43.1363.U.20160302.1347.054.html(A R)㊂1.2㊀飞灰预处理工艺(1)飞灰水解工艺㊂称取一定质量的飞灰,加入适量的生活饮用水;每隔2~3h搅拌一次,每次搅拌30m i n左右,持续1d左右;然后放入75ħ的烘箱中烘干;最后研磨成粉㊁装袋备用㊂(2)飞灰水洗工艺㊂称取一定质量的飞灰,加入5倍质量的蒸馏水,在强力搅拌器下搅拌20m i n左右,滤掉多余水分;再次加入5倍质量的蒸馏水,搅拌后放置1d左右;滤掉多余水分后,放入75ħ的烘箱中烘干,称重,计算损失率,即可溶盐组分含量;最后研磨成粉㊁装袋备用㊂2㊀结果与讨论2.1㊀飞灰沥青混合料的冻融劈裂试验对不同掺量的飞灰沥青混合料分别进行冻融劈裂试验,结果如表1所示㊂表1㊀飞灰沥青混合料冻融劈裂试验结果飞灰掺量/%T S R/%飞灰掺量/%T S R/% 081.3359.1265.2560.3从表1可知:未掺飞灰的沥青混合料试件T S R 满足规范要求(ɲ75%);而飞灰沥青混合料的T S R 均不满足规范要求,且随着飞灰掺量的增加,T S R呈现降低趋势㊂石灰岩矿粉的B E T比表面积与孔容分别为2.348m2/g㊁0.00729c m3/g;而飞灰的B E T比表面积与孔容分别为7.282m2/g㊁0.0339c m3/g,可见飞灰的B E T比表面积与孔容分别为矿粉的3.1倍㊁4.65倍,说明飞灰表面多微孔㊁比表面积大㊂飞灰取代矿粉后,其表面微孔利用毛细管作用力吸附沥青中的轻质油分,降低了沥青的柔性,此时飞灰沥青表面的吸附层中树脂和油分大大减少,沥青质相对增多㊂而沥青中的固体石蜡在空气中冷却结晶时有向表面集聚的趋势,使沥青的表面能降低,对沥青的粘结力与粘附力不利㊂另外,飞灰的亲水系数约比矿粉的亲水系数大18.8%,说明飞灰比矿粉易与水亲和,而不易与沥青亲和;且飞灰易吸潮,含水率有时高达15%(矿粉为0.1%),在冻融下,飞灰微孔内水分体积膨胀,借助毛细管作用贯穿到矿料表面,影响矿料与沥青的粘附性,因此影响着飞灰沥青混合料的T S R㊂此外,重庆同兴垃圾焚烧发电厂通过低温热降解技术去除了飞灰中ȡ95%的二噁英,除此之外,飞灰在化学组成上,不仅主要含有C a O㊁S i O2㊁A l2O3㊁F e2O3㊁M g O㊁K2O㊁N a2O㊁P2O5,还含有不可忽略比例的S O2-3㊁C l-与重金属,如铅㊁镉㊁铬㊁汞㊁砷㊁锌㊁铜㊁锰㊁钡㊁镍㊁硒㊁钒㊁钴㊁铀等㊂在矿物组成上,飞灰主要由碳酸盐㊁硫酸盐㊁硅酸盐㊁氯化物㊁C a(O H)2㊁金属与非金属氧化物等构成㊂飞灰的主要化学组成与重金属种类或含量几乎与粉煤灰相同,并且均含有一定量的S O3㊂在J T GF40-2004‘公路沥青路面施工技术规范“中已有规定,粉煤灰可以用作沥青混合料的填料,与矿粉混合使用㊂并且相关研究表明:粉煤灰能够提高沥青混合料的高温稳定性㊁水稳定性,虽然低温抗裂性有所降低,但都满足路用性能要求㊂但是另有研究表明:能够用在路基路面中的粉煤灰需要控制S O3的含量,这是因为S O3含量较高时,在有水作用下,会与C a O或C a(O H)2等发生反应,生成二水石膏或者十水钙质芒硝等,体积膨胀,产生膨胀损伤力,破坏路面结构㊂另外,与飞灰一样,某些沥青路面用融冰化雪剂也含有水溶性氯盐,在遇水时融冰化雪剂较水更易浸入路面孔隙中,温度下降时,其中的氯盐结晶,产生结晶膨胀,损坏路面结构㊂类似研究均表明在对飞灰沥青混合料T S R影响因素的分析上,除了考虑飞灰本身的物理性能外,尚需着重研究飞灰中硫酸盐与可溶性氯盐对飞灰沥青混合料水稳定性的影响㊂2.2㊀遇水反应膨胀物对沥青混合料T S R的影响2.2.1㊀石膏对沥青混合料T S R的影响㊀㊀飞灰中含有一定量的硫酸盐㊁少量的游离氧化钙等遇水发生水合反应而体积膨胀的物质,因此为了研究飞灰中的硫酸盐对沥青混合料T S R的作用,采用添加石膏替代矿粉制备石膏沥青混合料的方法进行表征㊂表2为不同石膏掺量的沥青混合料的T S R,其中0.426%的石膏掺量对应2%飞灰质量的10.34%的S O3百分数;1.149%的石膏掺量对应3%飞灰质量的25.6%的S O3百分数㊂据统计,同兴飞灰自2006年至今,S O3的含量为7.73%~10.34%,甚至更多㊂表2㊀石膏对沥青混合料的冻融劈裂性能的影响石膏掺量/%T S R/%石膏掺量/%T S R/%0.42673.51.14965.7在生活垃圾焚烧飞灰形成中,中和剂C a(O H)2浆体与烟尘中酸性气体(S O x㊁H C l㊁H F等)发生中和152㊀2016年第1期㊀李菁若,等:城市生活垃圾焚烧飞灰对沥青混合料T S R的影响分析㊀㊀反应,其中C a(O H)2浆体与S O x反应生成石膏㊂飞灰中的石膏主要为硬石膏,另外含有部分的半水石膏与二水石膏,其中二水石膏是由C a2+和S O42-组成的离子结合层与水分子层交替形成的一种层状结构,比较稳定,不再发生水化反应;半水石膏中C a2+与S O42-彼此错开,在水分子层中形成了直径为3Å的沟道,水分子可以通过沟道,所以半水石膏易水化;硬石膏中C a2+-S O42--C a2+的周围也存在着尺寸大约为3Å的沟道,所以硬石膏也易水化,且其在潮湿空气中即可吸湿转化为半水石膏,水化速度比半水石膏快㊂另外碱性的飞灰环境亦可为石膏的水化起活化作用㊂石膏水化后实际体积增加,能够在试件内部产生膨胀损伤力,降低试件强度,因此添加石膏的沥青混合料T S R降低,且随着石膏掺量的增多,内部损伤力增大,T S R降低程度也增加㊂这也说明飞灰中的石膏类等遇水反应㊁体积膨胀物质影响着飞灰沥青混合料的T S R㊂2.2.2㊀飞灰水解对沥青混合料T S R的影响㊀㊀为了消除飞灰遇水反应引发的体积膨胀损伤力,现将飞灰水解,尽量使其内部遇水反应物充分水解㊂飞灰经水解后拌制的飞灰沥青混合料的T S R结果如表3所示㊂表3㊀飞灰经水解后对沥青混合料的冻融劈裂性能的影响飞灰掺量/%T S R/%飞灰掺量/%T S R/% 271.1369.2对比表1㊁3可知:与2%㊁3%未水解飞灰掺量的沥青混合料的T S R相比,2%㊁3%水解飞灰掺量的沥青混合料的T S R分别提高了9.0%㊁17.1%(2%水解飞灰掺量的沥青混合料的T S R为71.1%,此试验数据仅为此次试验取样的飞灰多次测试后的平均值)㊂这说明飞灰在水解过程中,遇水反应膨胀物与水反应,实际体积增加,提前释放因体积膨胀而形成的内部损伤力,因此水解飞灰沥青混合料冻融后的T S R较未水解飞灰的T S R有所改善㊂但是飞灰经水解后的T S R依然不满足规范要求,说明除了遇水反应膨胀物影响飞灰沥青混合料的T S R外,尚有其他物质在起作用㊂2.3㊀可溶盐对沥青混合料T S R的影响2.3.1㊀C l-对沥青混合料T S R的影响㊀㊀据统计,重庆同兴飞灰自2006年至今,C l-的含量一般在10%~15%之间,有时高达30%~40%,甚至高于50%㊂氯盐一般为可溶盐,且为飞灰中的主要可溶盐㊂为了探讨可溶氯盐对沥青混合料T S R的影响,现选取水溶性的N a C l与C a C l2作为研究对象㊂试验结果如表4所示,其中N a C l㊁C a C l2中C l-的掺量分别对应2%飞灰质量的15%㊁35%的C l-百分数;对应3%飞灰质量的10%㊁23.3%的C l-百分数㊂表4㊀氯盐对沥青混合料的冻融劈裂性能的影响氯盐种类掺量/%T S R/%N a C l0.49470.11.15466.3C a C l20.44874.31.05070.1从表4可知:加入C l-后,沥青混合料的T S R降低,且随C l-含量的增加,T S R依次降低,说明C l-对沥青混合料的水稳定性有不良影响;不同种类㊁不同掺量的氯盐沥青混合料的T S R均不满足规范要求,其T S R降低程度与引入的阳离子种类亦有所相关,二价钙离子对T S R的降低程度略小于一价钠离子㊂以上原因主要有两点:①温度降低,可溶氯盐结晶而膨胀,对试件形成膨胀损伤力;②N a+与沥青形成不稳定的化学吸附层,易被乳化,降低了沥青与集料的粘附性,而C a2+可以与沥青中阴离子表面活性物质发生化学吸附生成不溶于水的㊁稳定的皂类吸附层,所以添加C a C l2对混合料T S R的影响程度略小于N a C l㊂2.3.2㊀水洗飞灰对沥青混合料T S R的影响㊀㊀为了进一步探讨飞灰中的可溶盐对沥青混合料T S R的影响,现将飞灰水洗,经水洗后的飞灰可溶盐损失率如表5所示,水洗飞灰沥青混合料T S R测试结果如表6所示㊂表5㊀飞灰经水洗后可溶盐损失率可溶盐损失率/%均值/%27.725.427.226.8表6㊀飞灰经水洗后对沥青混合料的冻融劈裂性能的影响飞灰掺量/%T S R/%飞灰掺量/%T S R/% 282.2375.7从表5㊁6中可知:飞灰中可溶盐含量为26.8%左右;水洗飞灰沥青混合料的T S R均满足规范要求,且与2%㊁3%未水解飞灰掺量的沥青混合料的T S R相比,分别提高了26.1%㊁28.1%㊂这是因为飞灰经水洗时,一方面可以让遇水反应膨胀物与水反应,释放膨252㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀中㊀外㊀公㊀路㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第36卷㊀胀压力;另一方面可以去除可溶盐,消除结晶膨胀压力㊂飞灰沥青混合料冻融劈裂试验的饱水过程包括真空饱水㊁冻融和高温水浴3个过程,其中试件经真空饱水后,其开口孔隙几乎可以全部充满水分,在(-18ʃ2)ħ㊁(16ʃ1)h的冷冻与(60ʃ0.5)ħ㊁24h的高温过程中,开口孔隙中的水分与飞灰组分中的可溶盐㊁遇水反应物质产生溶解-结晶或者水合反应,体积膨胀,因而从内部对试件造成损伤力,降低其劈裂强度㊂并且因体积膨胀形成的内部毛细通道可以供飞灰微孔内部水分㊁试件外部水分迁移到矿料表面,而矿料由于晶体结构的存在,致使其表面具有很大的极性,同时水分子的极性大于沥青的极性,因而水分子与矿料表面的极性差小于沥青与矿料表面的极性差,另外集料表面或多或少具有亲水憎油性能,因此,水与矿料表面的吸附作用强于沥青与矿料表面的吸附作用,即水分子易于从矿料表面挤走已被吸附的沥青而与矿料表面的活性中心发生吸附,造成飞灰沥青混合料的T S R降低㊂飞灰经水洗后,提前释放了水合反应膨胀压力,消除了可溶盐结晶膨胀压力,飞灰沥青混合料的水稳定性得到改善,T S R满足规范要求㊂3㊀结语城市生活垃圾焚烧飞灰储量大㊁资源化利用率低,且面临着二次环境污染问题㊂飞灰的沥青路面应用属于国内外创新技术,涉及到公路㊁环境㊁化学等多项交叉学科,又因为飞灰的物理化学性能复杂且波动性大,需要重点对飞灰沥青路面的路用性能与使用环境(包括拌和㊁施工㊁使用㊁再生等阶段)进行风险评估㊂该文着重研究飞灰对沥青混合料T S R造成的影响并进行原因分析,通过试验研究,得出飞灰的物理化学性质是影响飞灰沥青混合料T S R的主要因素㊂飞灰表面的多微孔㊁比表面能大㊁亲水系数大㊁含水率高等物理性质,影响飞灰沥青胶浆的粘结力以及沥青与矿料界面之间的粘附性等;飞灰中含有的硫酸盐等遇水膨胀物与可溶氯盐等,在冻融劈裂试验条件下,产生水合反应与溶解-结晶作用,均于试件内部形成膨胀损伤力,降低了试件整体强度㊂参考文献:[1]㊀张旭健,王廖沙,王文丰,等.一种处理垃圾焚烧飞灰的新型重金属螯合剂[J].环境科学,2014(3). 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