粉煤灰和炉渣在混凝土中焚烧产生的应用

抽象的

作为用于处置的城市固体废物焚烧（垃圾焚烧）的产品，如飞灰和炉渣填埋空间变得越来越稀少，减少设置的材料的迫切需要。采用焚烧的产品在混凝土生产的方法是通过利用粉煤灰和矿渣取代水泥，粗骨料以适当的比例进行可行性研究探讨在本文中。结果表明，粉煤灰和矿渣的C30混凝土最佳替代率是30％和20％，能够满足最低强度要求。铜，锌，铅，铬，和Cd的垃圾焚烧混凝土样品中浸出的浓度被确定为小于固体废物浸出毒性的标识值。根据扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）分析，焚烧飞灰具有一定的分散性。垃圾焚烧飞灰的粒径确定为接近于煤飞灰，和表面形态是不规则的。的主要部件包括SiO₂, CaCO_3.和加利福尼亚州₂SiO₄，它们类似于煤粉灰中存在的那些。炉渣结构松动，不规则，其主要成分是SIO₂．SIO.₂和al.₂O_3.在粉煤灰和渣中参与水泥的水化反应，可以提高混凝土强度。因此证实，废焚烧产生的粉煤灰和渣可用于以适当的比例替代水泥和粗聚集体，并且是解决固体废物填埋场空间稀缺问题的有效方法。

1.介绍

根据2018年的调查，中国固体废物总量达到3.1590亿吨，年增长率为4% [1］.市政固体废物处理的常用方法目前包括卫生垃圾填埋场和焚烧。随着焚烧产生少量废物，最常用于解决越来越多的市政固体废物生产[2］.焚烧的主要产物是炉渣和飞灰。由于炉渣只含有少量重金属，故可作为二次建筑材料重复使用[3.，4］.然而，由于粉煤灰重金属含量高，属于危险废物，因此必须在排放前进行处理。由于粉煤灰和矿渣的填埋空间越来越少，迫切需要一种回收这些材料的方法[5］.

工业废渣如矿渣、粉煤灰等被广泛采用作为辅助胶凝材料。都市固体废物焚烧飞灰与燃煤飞灰具有相似的特性，包括化学成分及热史[6，7］.对msi飞灰残留物最常见的管理策略之一是先处理后填埋，因为其化学成分在处置前需要适当的稳定。稳定方法包括分离、凝固/稳定和热处理[8］.探讨了使用MSWI粉煤灰作为混凝土中的骨料，具有粉煤灰混凝土的性能，确定与所需强度的自然骨料相似[9- - - - - -12］.此外，一些学者使用MSWI粉煤灰和炉渣部分替代混凝土生产中的水泥，结果说明这些废物显示出良好的波兹托尔行为，并有助于增加混凝土强度[13- - - - - -15］.还确定msi渣可用作人工骨料、颗粒粘结剂和路面基层骨料[16- - - - - -19］.一些学者对msw粉煤灰和炉渣的副产物安全性进行了研究。然而，由于没有足够的测试和质量标准来评估废物的污染潜力，因此很难得出有关环境合理性的结论。还需要进一步的实验来研究在混凝土中加入MSWI粉煤灰和矿渣对环境的影响[20.- - - - - -22］.

用粉煤灰代替水泥、用矿渣代替混凝土粗骨料的研究较少。因此，本初步研究的目的是探索MSWI粉煤灰和矿渣替代胶凝材料和粗集料的可行性。研究结果为混凝土工业的可持续发展提供了理想的粉煤灰和矿渣置换率。

2.材料和方法

2．1.材料

本研究使用的原料包括水泥、细骨料、粗骨料、MSWI粉煤灰、MSWI矿渣、水、减水剂。粉煤灰和炉渣是从中国吉林的MSWI装置中获得的。粉煤灰细度模数为3.2，堆积密度为1420 kg/m^3.的16％和水分含量。The bulk density was 1201 kg/m^3.，表观密度为2307 kg / m^3.．24h后，MSWI渣的吸收率为10%，破碎指数为30%。从吉林省某水泥厂获得了P·O 42.5型普通硅酸盐水泥。细骨料为天然河砂，粒径小于5mm，表观密度2553 kg/m^3.，包装密度为1715kg /m^3.，和的2.5细度模数。The particle size of the coarse aggregate was 5–25 mm, the apparent density was 2677 kg/m^3.，包装密度为1501千克/米^3.．实验所用的减水剂为聚羧酸减水剂，减水率为30%。

2.2。抗压强度测试

这个测试是指“普通混凝土配合比设计规范”（JGJ 55-2011）23］.按C30强度等级制作标准立方试样(150 mm × 150 mm × 150 mm)，坍落度为30 ~ 50 mm。分别用质量比为10%、20%、30%、40%的矿渣替代天然粗集料，用质量比为10%、20%、30%、40%的粉煤灰替代水泥。混凝混合比设计为水灰比0.48，减水剂密度为1.1 kg/m^3.．具体的混合设计如表所示1．After curing for 28 days at the relative temperature of 20 ± 2°C and the relative humidity of 95%, the test sample was taken for testing. Before the compressive strength tests, the specimen was soaked in warm water for 20 h, and the surface was cleaned. Then, the specimen was tested at 0.5–0.9 MPa/s uniform loading speed by using a press machine (Jinxi Mechanical, China). When the compressive strength reached the steady-state, the loading was stopped and the compressive strength was recorded.

2.3。重金属浸出试验

重金属的浸出浓度是凝固体安全评价的重要指标，可以确保产品无毒并对环境无害[24，25］.这个测试是指HJ557-2010“固体废物浸出毒性浸出方法标准卧式振动过滤程序的标准”，由中国国家标准[规定26］.具体的测试步骤描述如下：将浓缩硫酸和硝酸加入到去离子水中，质量比为2：1，以3,5和7的pH制备浸出溶液。将样品在50℃干燥磨削前°C;然后，将10g粒径为<9.5mm的粒径为<9.5mm，并加入200ml浸出溶液（液态比例为20：1）。然后将样品固定在往复水平振荡机上，以110±5rpm振荡24小时，然后静置16小时。通过用0.45μm的微孔膜抽滤获得澄清的滤液，通过原子吸收光谱法测定浸出溶液中重金属的含量。

2.4。综合表征

用扫描电子显微镜(SEM)观察材料的微观形貌，用x射线衍射(XRD)检测样品的组成[27］.分析粉煤灰和渣的微观结构和组成可提高对混凝土中两种材料的反应机理的了解及混凝土强度的影响因素。

3.结果和讨论

3.1。混凝土抗压强度

发现与粉煤灰和炉渣混合的混凝土的故障过程和模式与普通混凝土一致。故障过程通常在粗骨料和水泥凝胶之间的粘合中开始，尤其是片状和水泥凝胶之间的界面，这是炉渣骨料中的主要故障区域。对于不同的粉煤灰替代速率，具有不变的渣替代率的强度测试结果如图所示1(一)．结果表明:随着粉煤灰置换率的增加，抗压强度先增大后减小，而矿渣置换率不变;粉煤灰和矿渣置换率均为10%时，最大强度可达53 MPa。粉煤灰可以填补不同粒径之间的空隙，使混凝土结构更加密实，而微集料的形成也可以显著提高料浆硬度。研究表明，灰分对获得良好的抗压强度起着重要作用[28］.此外，提高了混凝土的均匀性，粉煤灰颗粒在水泥浆中分散良好，能够填充和细化混凝土中的毛细孔[29］.随着粉煤灰掺量的增加，混凝土抗压强度逐渐降低。通过以上分析可知，混凝土强度主要来源于水泥水化后产生的胶凝材料。粉煤灰一旦替代水泥，减少水泥用量，水化后胶凝材料相应减少。粉煤灰虽然能产生一定量的胶凝材料，但比替代水泥要少得多。因此，混凝土强度的降低是不可避免的。

不同炉渣替代率下，粉煤灰替代率不变的掺混试样强度如图所示1 (b)．粉煤灰替代率是0％，20％和30％，而当渣替代率达到20％，出现的最大的混凝土强度。随着10％和40％的粉煤灰替代率，最高强度出现的10％的炉渣替代率。聚集等级配对混凝土的机械性能和砂石骨料的空隙率对混凝土性能显著影响。具有减小的孔隙率，工作性能和混凝土的机械性能可以提高。当炉渣更换率是20％，优越的灰度普通碎石骨料和矿渣集料，它可以促进混凝土的强度之间形成。同时，在渣中的高替代率会导致水泥和粉煤灰之间的弱粘结界面。

粗集料的碎渣指数较高，其极限渣含量为20%，混凝土强度随渣率的增加而降低。粉煤灰替代率为40%，矿渣替代率为40%时，混凝土强度最低，小于30 Mpa。因此，粉煤灰和矿渣不能完全替代混凝土中的水泥和粗骨料。根据上述结果确定配合比为B20C30，该配合比既能满足抗压强度要求，又具有最大的粉煤灰和矿渣置换率。炉渣和粉煤灰的替代率分别为20%和30%。

３．２．重金属浸出

桌子2显示了掺入B20C30的粉煤灰、渣、混凝重金属的浸出结果。粉煤灰中重金属Cd的浸出浓度显著高于固体废物的浸出毒性鉴定标准。粉煤灰、矿渣混合混凝土中重金属浸出浓度虽未超过限值，但随着酸性的增加，重金属浸出浓度逐渐增加，Cr、Cd、Pb浓度逐渐接近现值。pH值对重金属浸出浓度有显著影响。随着酸度的增加，重金属的浸出浓度逐渐增加。因此，碱性条件有利于重金属的固化。由于混凝土为碱性，粉煤灰和矿渣中的重金属通过包合、取代或吸收等方式在水化产物中固化。从重金属危害的角度来看，粉煤灰和矿渣在混凝土中应用是可行的。

3.3。表征分析

3.3.1。SEM分析

使用SEM粉煤灰，炉渣和混凝土用B0C0和B20C30微观结构的混合比进行了表征。飞灰微观结构显示在图2(一个)．可见，未受扰动的粉煤灰相孔隙大，形状不规则，弥散性强，能够填补混凝土空隙，提高混凝土强度。底部渣的微观结构如图所示2 (b)，炉渣颗粒疏松多孔结构。单个粒子形状不规则，有多个边缘和角度，表面粗糙。球形颗粒相对较少，粒径介于粗集料和细集料之间。因此，可以观察到混凝土中粗骨料的置换，以改善骨料级配，提高混凝土强度。

如图所示3.在固化28天后，B20C30的混凝土样品含有大量的穗。B0C0的片状含量高，而B20C30混凝土的C-S-H凝胶含量也具有紧凑的结构。将水合的C-S-H凝胶在混凝土系统中纵横交错，并且微小的惰性颗粒围绕凝胶分布，表明明胶量可以基本上达到长期强度要求[30.］.这可能归因于B20C30混凝土中的粉煤灰和渣，可以改善混凝土灰度。此外，大量分散的细粉煤灰颗粒起晶体的作用，提高了紧凑性和孔结构，粉煤灰和渣参与了混凝土的水化反应，也可以增强B20C30的强度。

3.3.2。XRD分析

以B20C30为配合比，采用XRD分析了粉煤灰、矿渣和混凝土微晶的主要成分。分析论证了粉煤灰代替水泥、矿渣代替粗骨料的可行性。如图所示4，在结晶相中检测到重金属中的重金属，因为重金属的含量低，大多数由硅酸盐或硅酸盐或硅酸盐含有或以无定形形式存在。另外，粉煤灰通常是2θ.分别为11.6°、20.8°、24.9°、29.4°、43.8°、49.9°、56.5°，其主衍射峰为CaCO_3.．为2.θ.等于26.6°，29.4°，38.5°和39.5°，主要衍射峰是SIO₂，由于2的衍射峰θ.为32.7°，主衍射峰为Ca₂（SIO₄)．从XRD结果可以看出，MSWI粉煤灰的主要成分与煤炭粉煤灰相似，且粉煤灰颗粒细小，呈球形，可以增强混凝土的和易性。因此，MSWI粉煤灰可以作为水泥的替代品。

如图所示5，炉渣的主要结晶物质为SiO₂．当衍射峰值为2时θ.是20.8°，26.7°，36.6°和39.5°，主要衍射峰是SiO₂;当衍射峰值为2时θ.为29.3°，主要衍射峰为CaCO_3.;当衍射峰值为2时θ.分别为26.8°和31.4°，主要衍射峰为CaSiO_3.;当衍射峰值为2时θ.是在10°至20°范围内，这表示炉渣可以包含无定形材料。与炉渣的SEM图像相结合，它可以看出，这种材料具有带有疏松多孔的表面，其主要是由它的成形温度的无定形几何结构。The slag particle size is less than 5 mm, and its main components are similar to aggregate; thus, aggregate grading can be improved. Therefore, it is feasible to use slag to partially replace fine aggregate.

在图6，比较了B0C0和B20C30配合比混凝土的XRD结果。2θ的衍射峰分别为21°、26.8°、28°、42.5°和60.1°，主衍射峰为C-S-H(水合硅酸钙)。B0C0混凝土和B20C30混凝土的主峰集中在20°~ 30°之间，B20C30生成的C-S-H与B0C0生成的C-S-H基本相同。当2θ. = 60°, the C-S-H obviously increases. The results illustrate that fly ash and slag are also partially involved in concrete hydration, which is consistent with the strength experiment results.

4.结论

通过在不同混合比下分析与灰分混合的混凝土的抗压强度，最佳含量被确定为粉煤灰取代率，30％，渣替代率为20％。在对粉煤灰，渣和B20C30混凝土进行重金属浸出试验后，发现重金属（如Cu，Zn，Cd，Cr和Pb）的浸出浓度可以随着pH增加而降低。还确定重金属的浸出浓度低于固体废物浸出毒性的鉴定标准。根据表征测试，没有减少与一定量的粉煤灰和渣混合的混凝土的强度，并且发现在一定程度上增加。因此，使用粉煤灰更换水泥和炉渣是可行的，以取代粗骨料。本研究的目的是为扩大的废物焚烧生产提供理论指导。然而，本研究仍然是初步研究，应在未来使用不同混合比的混凝土探索更多机制。

数据可用性

用于支持该研究的调查结果的数据可在合理的请求后为相应的作者提供。

利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

在法定研究号码51878128,51708091,51708267和51808101中，在中国的国家自然科学基金会内部经过全国自然科学基金会提供了本工作。

参考文献

1. 人民共和国的中国国家统计局的数据，中国统计年鉴中华人民共和国国家统计局，北京，2018。
2. 林志强、叶卫民、j.p Barford和G. McKay，“都市固体废物焚烧灰的使用:回顾”，可持续性，第2卷，第2期第7页，1943-1968,2010。查看在：出版商的网站|谷歌学术
3. J. M. Chimenos, a.i. Fernández, L. Miralles, M. Segarra, and F. Espiell，“MSWI底部火山灰作为粒径函数的短期自然风化”，废物管理中，f，第一卷。23，不。10，第887-895，2003。查看在：出版商的网站|谷歌学术
4. A. Polettini，R. POMI，P. Sirini和F特斯塔，“硅酸盐水泥的属性 - 稳定垃圾焚烧飞灰，”危险材料杂志，卷。88，不。1，pp。123-138,2001。查看在：出版商的网站|谷歌学术
5. C.Ferreira，A.Ribeiro和L. Optosen，“市政固体废物粉煤灰的可能应用”，危险材料杂志，第96卷，第2期2-3，页201-216,2003。查看在：出版商的网站|谷歌学术
6. 万胜，周昕，周明等，“城市生活垃圾焚烧粉煤灰-高炉矿渣-水泥三元体系的水化特性及模型研究”，建筑及建筑材料， 2018, vol. 180, pp. 154-166。查看在：出版商的网站|谷歌学术
7. R. Siddique，“在混凝土中使用市​​政固体废物灰”，“资源节约和循环利用，第55卷，第55期2，页83-91,2010。查看在：出版商的网站|谷歌学术
8. M. J. Quina, J. C. Bordado，和R. M. Quinta-Ferreira，“垃圾焚烧产生的空气污染控制残留物的处理和使用:概述，”废物管理，卷。28，不。11，pp。2097-2121,2008。查看在：出版商的网站|谷歌学术
9. F. Colangelo，F. Messina和R. Cioffi，“通过水泥的双步冷粘接造粒：轻量级人工聚集体的技术评估，”危险材料杂志，卷。299，pp.181-191,2015。查看在：出版商的网站|谷歌学术
10. G. Baykal和A.G.Döven，“用造粒过程利用粉煤灰;理论，应用领域和研究成果，“资源节约和循环利用，第30卷，第2期1，页59-77,2000。查看在：出版商的网站|谷歌学术
11. C. Collivignarelli和S. Sorlini，“在混凝土混合物中重复使用市政固体废物焚烧焚烧灰烬，”废物管理第22卷第2期8，页909-912,2002。查看在：出版商的网站|谷歌学术
12. L. Bertolini, M. Carsana, D. Cassago, A. Quadrio Curzio，和M. Collepardi，“MSWI骨灰作为混凝土中的矿物添加剂”，水泥与混凝土研究第34卷第3期第10页，1999 - 1906,2004。查看在：出版商的网站|谷歌学术
13. J. Aubert，B.Husson和N. Sarramone，“城市固体废物焚烧（MSWI）粉煤灰在混合余地1：MSWI飞灰的加工和表征，”危险材料杂志第136期3，页624-631,2006。查看在：出版商的网站|谷歌学术
14. J. E. Aubert, B. Husson和A. Vaquier，“在混凝土中使用城市固体垃圾焚烧粉煤灰”，水泥与混凝土研究第34卷第3期6，页957-963,2000。查看在：谷歌学术
15. J. E. Aubert, B. Husson, and A. Vaquier，“MSWI粉煤灰中的金属铝:对水泥基产品性能的量化和影响”，废物管理，卷。24，不。6，第589-596，2000。查看在：谷歌学术
16. R. Cioffi, F. Colangelo, F. Montagnaro，和L. Santoro，“使用MSWI底灰制造人工骨料”，废物管理，卷。31，不。2，第281-288，2011。查看在：出版商的网站|谷歌学术
17. V.白化，R.西菲，L.桑托罗和G. L.瓦伦蒂，“通过生成钙trisulphoaluminate和硅酸盐水合物矩阵的装置含重金属残余物的稳定化，”废物管理与研究，卷。14，不。1，pp。29-41,1996。查看在：出版商的网站|谷歌学术
18. X. C. Qiao，B.R.Ng，M. Tyrer，C. S. Poon和C. R. Cheesman，“使用焚烧炉底灰的轻质混凝土生产”建筑及建筑材料第22卷第2期4，第473-480，2008。查看在：出版商的网站|谷歌学术
19. T. Mangialardi，“城市生活垃圾粉煤灰的烧结再利用作为混凝土骨料”，危险材料杂志，第87卷，第2期2，页225-239,2001。查看在：出版商的网站|谷歌学术
20. G. C. A. E. Sebastian建筑和建筑材料，建筑及建筑材料，第15卷，第5期。8，页465-471,2001。
21. M. Y.方式，K.柳Y.，T. H.仔，和J. T.周“从城市固体废物焚烧炉与回转窑飞灰的热处理，”危险材料杂志第137卷第1期2，页981-989,2006。查看在：谷歌学术
22. K. Wang，K. Chiang，J. Perg和C. Sun，“城市固体废物焚烧炉烧结烧结的特点研究”危险材料杂志，第59卷，第59期2-3，页201-210,1998。查看在：出版商的网站|谷歌学术
23. Q. Zhao，W. Sun和C. W. Liao，“粉煤灰比例与水 - 粘合剂比率与高表现和混凝土蠕变特性的效果和机械效果和机械。”中国土木工程学报，第12卷，第76-82页，2009。查看在：谷歌学术
24. 张博，杨学勇，孙福昌等，“水洗法预处理MSWI粉煤灰中重金属的热稳定性研究”，建筑材料学报，第12卷，第2期2，页181 - 185,2009。查看在：谷歌学术
25. Y.Ménard，A. Asthana，F. Patisson等，“城市垃圾焚烧过程中的重金属行为的热力学研究”过程安全与环境保护(第84卷)4，页290-296,2009。查看在：谷歌学术
26. 陈伟和钱剑生，“页岩和污泥烧结产品中重金属的固化和浸出稳定性，”中国陶瓷学报，第40卷，第5期。10, pp. 1420-1426, 2012。查看在：谷歌学术
27. Y. B. Hu，G. Y.Miao和Y.Xiong，“混凝土的机械性能和水化特性受到亚零温度条件”，“建筑材料学报，卷。6，pp。975-980,2017。查看在：谷歌学术
28. D.福蒂，M.勒拿湖，M.Sabbà和V. Vacca，“机械特性和飞灰或硅微粉添加高炉矿渣混凝土的吸水性，”应用科学，卷。9，不。7，p。1279 2019。查看在：出版商的网站|谷歌学术
29. M. Urs和R. Katrin，“城市垃圾焚烧炉底灰作为骨料组成部分制成的混凝土微观结构，”水泥混凝土的研究，第36卷，第1434-1443页，2006。查看在：谷歌学术
30. P. Patiala，“对城市固体废物灰在混凝土中的使用的回顾，”资源节约和循环利用， vol. 55, pp. 83-91, 2010。查看在：谷歌学术

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