垃圾焚烧飞灰制备透水砖及其影响因素研究.pdf

年月J o u r n a l o fG r e e nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y第 卷第 期收稿日期:基金项目:区域开发与环境响应湖北省重点实验室 年度开放基金项目(编号:(c);年湖北省博士后创新研究岗(编号:)作者简介:江珊(),男,硕士研究生,研究方向为固体废物资源化利用、大气污染治理.通讯作者:朱书景(),男,博士,教授,研究方向为黑臭水体治理、固体废物资源化利用.垃垃圾圾焚焚烧烧飞飞灰灰制制备备透透水水砖砖及及其其影影响响因因素素研研究究江 珊,朱茜茜,杜沛雨,张冰烨,方号源,朱书景(湖北大学 资源与环境学院,湖北 武汉 )摘要:为响应我国建设无废城市号召建设海绵城市,以垃圾焚烧飞灰替代部分胶凝材料与矿渣、偏高岭土、脱硫石膏与钢渣、碎石为骨料采用冷固法制备了环保透水砖,分析了粗细骨料体积比、颗粒级配、水胶比、飞灰参量等因素对透水砖性能的影响.结果表明:最佳的工艺参数为粗细骨料体积比为、颗粒级配为D P(钢渣细骨料 mm、粗骨料粒径 mm)、水胶比为 、飞灰参量为 在MP a压力下成型其透水系数 c m/s、抗压强度 MP a、抗折强度可达 MP a,满足相关标准要求,将飞灰替代部分水泥制备透水砖,不仅可以减少资源浪费,还能降低环境污染.关键词:透水砖;海绵城市;垃圾焚烧飞灰;资源化中图分类号:X 文献标识码:A文章编号:()P r e p a r a t i o no fP e r m e a b l eB r i c k sF r o m W a s t e I n c i n e r a t i o nF l yA s ha n dI t s I n f l u e n c i n gF a c t o r sJ i a n gS h a n,Z h uQ i a n q i a n,D uP e i y u,Z h a n gB i n g y e,F a n gH a o y u a n,Z h uS h u j i n g(C o l l e g e o fR e s o u r c e sa n dE n v i r o n m e n t,H u b e iU n i v e r s i t y,W u h a n,H u b e i ,C h i n a)A b s t r a c t:I nr e s p o n s et oC h i n a sc a l lt ob u i l daw a s t ef r e ec i t y,e n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l yp e r m e a b l eb r i c k sa r ep r e p a r e db yc o l ds e t t i n gm e t h o db yr e p l a c i n gs o m ec e m e n t i t i o u sm a t e r i a l sa n ds l a g,h i g ht e r r i t o r y,d e s u l f u r i z a t i o n,g y p s u ma n ds t e e l s l a g,a n dc r u s h e ds t o n ea sa g g r e g a t e s T h ee f f e c t so f c o a r s ea n df i n ea g g r e g a t ev o l u m er a t i o,p a r t i c l eg r a d a t i o n,w a t e r a d h e s i v er a t i o,f l ya s hp a r a m e t e ra n do t h e rf a c t o r so nt h ep e r f o r m a n c eo fp e r m e a b l eb r i c k sw e r ea n a l y z e d T h eb e s tp r o c e s sp a r a m e t e r sa r ec o a r s ea n df i n ea g g r e g a t ev o l u m er a t i oo f;p a r t i c l eg r a d e i sD P(s t e e l s l a gf i n ea g g r e g a t e mma n dc o a r s ea g g r e g a t ep a r t i c l es i z e mm);w a t e r a d h e s i v er a t i o i s ;f l ya s hp a r a m e t e r i s;i t sw a t e rp e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n ti s c m/s;c o m p r e s s i v es t r e n g t hi s MP a T h ef l e x u r a ls t r e n g t hc a nr e a c h MP a,w h i c hm e e t st h er e q u i r e m e n t so fr e l e v a n ts t a n d a r d s T h ef l ya s hr e p l a c e sp a r to f t h ec e m e n t t op r e p a r ep e r m e a b l eb r i c k s,w h i c hc a nn o to n l yr e d u c er e s o u r c ew a s t e,b u ta l s or e d u c ee n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o n K e yw o r d s:p e r m e a b l eb r i c k s;s p o n g ec i t i e s;f l ya s h;r e c y c l i n g 引言随着城市化进程加快,城市道路地面铺装大多数采用水泥、沥青和石板等不透水材料,路面硬化率高,雨水仅能通过城市排水管网排出.近年来由于气候变化以及人类活动对自然环境的影响导致部分地区降雨量增多,很多城市的排水系统已不堪重负,极易出现洪涝灾害,不仅给社会带来了巨大的经济损失,而且威胁到了人的生命安全.为了改善城市内涝带来的问题,推进海绵城市的建江珊,等:垃圾焚烧飞灰制备透水砖及其影响因素研究环境与安全设,增加透水建材的应用尤为重要,其中透水砖逐渐成 为 了 研 究 热 点,如 别 安 涛、郭 明 洋、余 太 平等对透水砖施工工艺、性能及路面应用进行了一系列研究.另一方面,随着城市生活垃圾产量增加,处置方式的选择是关键.生活垃圾焚烧发电具有减量化明显、占用土地资源少及可实现能源化的优势,已逐渐成为我国生活垃圾处置的主流方式,.采用焚烧法处理城市生活垃圾时,垃圾中的重金属在焚烧过程中难以被完全去除,大量的重金属在高温条件下挥发进入到烟气,最终冷凝后在飞灰中富集.飞灰作为危险废物,同时也是一种有用的资源.根据垃圾焚烧飞灰基本特性的研究,其与水泥生产原料成分接近.在传统水泥生产过程中,生产水泥需要耗费大量的石灰石和能量,同时产生与水泥等量的C O.将飞灰替代部分石灰石不仅可以节省资源减少C O排放,同时在水泥煅烧还可以降解飞灰中二噁英等有毒有害物质.飞灰中的有害物质被溶固在水泥熟料矿物中,是一种潜在的生产水泥的原材料 .因此垃圾焚烧飞灰作为一种有效的、可替代的水泥生产原料是可行的.因此提出,利用垃圾焚烧飞灰替代水泥的方式制备透水砖,探究飞灰取代率对透水砖的力学性能、透水性能影响,确定满足透水砖各项性能要求的飞灰最佳取代率以及透水砖的工艺参数.试验部分 原料本实验所需要的原材料有:垃圾焚烧飞灰、水泥、矿渣、脱硫石膏、钢渣细骨料、碎石粗骨料、减水剂、羟丙基甲基纤维素以及水.垃圾焚烧飞灰取自于重庆市某垃圾焚烧厂,飞灰的含水率为 ,密度为 g/c m.原料化学成分见表.表原料化学成分w原料M g OA lOS i OKON aOKOC a OS OC l飞灰 水泥 /矿渣 石膏 图是垃圾焚烧飞灰的X R D图,由图可知飞灰的主要结晶化合物为方解石(C a C O)、石盐(N a C l)和钾盐(K C l).此外,还证实了晶体结构的存 在,如 氢 氧 化 亚 氯 酸 钙(C a C l OH)、硬 石 膏(C a S O)和氢氧化钙(C a(OH)主要矿物组成.图垃圾焚烧飞灰X R D 试验方法透水砖制备:原料预处理:将碎石粗骨料和矿渣细骨料筛分至指定粒度范围内;混料:将胶凝材料、骨料、外加剂与水按照一定比例混合;压制成型:采用 mm mm模具以一定压力和一定时间压制成型,制成样品规格为 mm mm mm;脱模养护:脱模后在养护箱中以标准条件下养护至临期.性能表征:采用水泥抗压抗折一体试验机对透水砖进行抗压抗折强度进行测试.采用荣计达T S混凝土透水系数测定仪对透水系数进行测定,参考标 准 透 水 路 面 砖 和 透 水 路 面 板(G B/T ).用D A d v a n c e型X射线衍射仪测定试验样品的矿物组成,赛默飞N i c o l e t i S 型红外光谱仪对试验样品的官能团组成进行分析.结果讨论 粗细骨料体积比粗细骨料的体积比是影响透水砖性能的主要因素,本试验以粗细骨料体积比按照 的比值进行 试 验,在 粗 细 骨 料 单 位 体 积 占 比 为 和 、减水剂和纤维素分别为 和、水胶比为 时制备透水砖,其透水砖抗压强度与透水系 年月绿 色 科 技(J o u r n a l o fG r e e nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y)第 期数如图.图粗细骨料体积比对透水砖抗压强度和透水系数的影响由图可知,透水砖的抗压强度随着粗细骨料体积比值的减小而升高,其主要原因是随着细骨料加入量的增加,砖体中的孔隙逐渐被细骨料所填充,透水砖砖体的密实度变大,同时细骨料增加了骨料的比表面积,其与胶凝材料的接触和粘结面积变大,充分反应、结合后产生的粘结力增加.当粗细骨料体积比从 变动到 时,透水砖的抗压强度由 MP a增加到 MP a,透水系数由 c m/s降低到 c m/s,抗压强度的变化程度大于透水系数变化程度.综上,随着细骨料的增加,在提高透水砖力学性能的同时会大幅度降低其透水系数,因此透水砖在设计、制备及应用的过程中需合理地兼顾强度与透水性能,透水砖的最佳粗细骨料体积比为.颗粒级配颗粒级配是影响透水砖性能的重要因素,颗粒大小直接影响堆积密度进而影响性能.本试验用不同颗粒级配探讨与透水砖性能之间的关系.采用多孔筛对粗细骨料筛分,按照D P(粗 、细 )D P(粗 、细 )D P(粗 、细 )D P(粗 )D P(细 )(单位:mm)粗细骨料单位体积占比为 和 、减水剂和纤维素分别为 和、水胶比为 时制备透水砖对其抗压强度以及透水系数进探究.从图可知,随着颗粒粒径的增大,抗压强度不断变小,透水系数不断变大,D P 是透水砖的最佳复颗粒级配骨料粒径.复配级配骨料能改善透水砖中骨料的堆积状态,提供更好的骨架结构支撑,进而提升免烧透水砖的强度和透水性,D P、D P、D P 连续级配相比于D P、D P 间断级配的强度和透水性能更好,这是因为相比于单粒级配,连续级配可以改善透水砖的颗粒堆积状态,提高其工作性能、提高其稳定性进而使浆体不容易产生离析等.图颗粒级配对透水砖抗压强度和透水系数的影响 水胶比水胶比是影响混凝土性能的重要因素,透水砖的抗压强度和透水系数易受影响.本试验通过设置不同梯度的水胶比(、)制备透水砖.图水胶比对透水砖抗压强度和透水系数的影响从图可知,水胶比在 变动时,随着水胶比的增大,免烧透水砖的强度先升高后降低,当水胶比为 时,免烧透水砖的 d抗压强度到达最大值,为 MP a.同时可以看到水胶比对抗压强度及透水系数的影响是呈负相关的,随着水胶比的增大,透水系数是呈下降趋势.胶凝材料飞灰参量本试验是利用飞灰代替水泥以、掺入量制备透水砖.由图可知,飞灰的掺量从 到,强度值先增大后降低,飞灰的最佳掺量为,当飞灰掺量为 时,强度值急剧下降.这是因为飞灰中含有较高比例的C a O、S i O、A lO等化学成分,具有较高的火山灰活性,随着飞灰含量的增加,体系中生成更多的水化产物,增加了覆盖在骨料表面的浆体厚度,使骨料与骨料之间结合得更加紧密,进而增强免烧透水砖的抗压强度及抗折强度;但随着江珊,等:垃圾焚烧飞灰制备透水砖及其影响因素研究环境与安全飞灰含量的进一步增加,飞灰取代了更多的水泥,此时稀释效应大于填料效应以及加速水泥相溶解反应,同时飞灰中的氯盐及金属铝会导致裂纹扩展,会显著降低抗压强度及抗折强度.图飞灰掺量对透水砖抗压强度和透水系数的影响 成型压力成型是透水砖生产过程中一个重要的环节,成型压力也是重要影响因素,本试验分别用、MP a个梯度制备透水砖,图是成型压力对抗压强度、透水系数变化关系图.图成型压力对透水砖抗压强度和透水系数的影响由图可知,随着成型压力的增加,不同骨料间距缩小,孔隙结构更加密实,使透水砖的抗压强度逐渐增大,而降低了其透水性能.当成型压力到达一定程度时,骨料被紧密地压实并镶嵌到一起,透水砖强度得到显著增强,其体积也趋于稳定,此时透水砖孔隙率低,透水性能变差.成型压力的增大,透水砖抗压强度变化程度变小,强度值越来越趋于稳定,但成型压力过大时,透水砖中的骨料会因相互压缩而破碎和损坏 综合成型压力和透水系数的数值,MP a为免烧透水砖的最佳成型压力.纤维素浓度外加剂能有效提高透水砖的性能包括强度和透水系数,本试验以纤维素参量分析外加对透水砖性 能 影 响.其 纤 维 素 参 量 为、个梯度进行探究(图).图水胶比对透水砖抗压强度和透水系数的影响由图可知,纤维素用量的增加,抗压强度呈先升高后下降的趋势,其中掺入 与的纤维素与未掺入纤维素组相比,抗压强度分别提高了 、,掺入 纤维素所制得的透水砖,其强度可以达 MP a.这是因为纤维素的加入增加了混合浆体的粘度,使骨料与胶凝材料粘结得更加紧密,进而提高其强度.但随着纤维浓度的继续增大,浆体稠度过大,会引入气泡并阻碍浆体内部气泡向外扩散,进而造成透水砖缺陷,降低其抗压强度.透水系数随着纤维素添加量不断的增加,呈先上升再降低最后又上升的趋势.这是由于透水砖的制备过程中会出现堵孔现象,加入纤维素可以改善透水砖的淌浆堵孔现象,进而提高透水砖的透水性能.当纤维素过量加入时,易导致透水砖浆体在养护的过程中出现干裂,从而在加入纤维素的量大于 以上时,免烧透水砖的透水性能出现拐点,透水系数增大.综合透水砖性能,透水砖的最佳纤维素掺量为.结论与讨论()以飞灰、水泥、矿渣、碎石等为原料可制备免烧透水砖,在制备工艺相同时,透水系数随水胶比和成型压力的增大而减小,抗压强度则是随着粗骨料体积比减小以及成型压力增大而增加.()飞灰化学成分与水泥类似,可使用飞灰替代水泥制备免烧透水砖,掺入量为 时,制备的免烧透水砖抗压强度为 MP a,透水系数为 c m/s,制备出的透水砖均满足 非烧结垃圾尾矿砖(J C/T )MU 要求.()添加外加剂可有效提升透水砖抗压强度和透水系数.透水砖在水胶比为 抗压强度会出现峰值,合适的颗粒级配能提高透水砖的性能,本 年月绿 色 科 技(J o u r n a l o fG r e e nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y)第 期试验在使用D P 粗骨料 mm、细骨料 mm时透水砖性能最优.参考文献:赵礼兵,王帅,李国峰,等透水砖研究现状及其影响性能因素J矿产综合利用,():马高,曹琼方,刘欢,等路面透水砖的研究应用现状与展望J公路工程,():李松龙透水砖在昆明城市道路建设中的应用J交通建设与管理,():别安涛,韩文祥,张苏伊,等混凝土透水路面砖的性能影响研究J砖瓦,():郭明洋透水砖路面在北京市城市道路工程中的应用J市政技术,():余太平,何延召,蔡洪,等混凝土透水砖的透水性能试验研究J低碳世界,():张希,滕藤,李赵相城市生活垃圾焚烧飞灰在建筑材料中的资源化利用J砖瓦,():王威,吴宁城市生活垃圾焚烧飞灰资源化利用的研究状况J北方环境,():李春林基于地聚合反应的生活垃圾焚烧飞灰资源化利用实验研究J工业安全与环保,():季玉玄浅谈城市生活垃圾焚烧飞灰的处置与资源化利用J绿色化工,():庞俊峰,张建平,秦淼,等生活垃圾焚烧飞灰处置及资源化利用研究J节能与环保,():罗任宏,李菁若,张东长,等生活垃圾焚烧飞灰的资源化利用概况J环境影响评价,():綦懿,李天如,王宝民,等韩俊南生活垃圾焚烧飞灰固化稳定化安全处置及建材资源化利用进展J研究进展,():顾军生活垃圾焚烧飞灰资源化利用J新材料产业,()施惠生,程鹏,郭晓潞水洗城市生活垃圾焚烧飞灰在水泥生产中资源化利用的研究现状J粉煤灰综合利用,():徐飞不同粒径骨料级配与粉煤灰掺量对透水混凝土性能的影响J黑龙江水利科技,():杨三强,黄士周水胶比、级配对砂基透水砖透水系数及强度的影响J长 沙 理 工 大 学 学 报(自 然 科 学 版),():刘星,李碧雄,刘月雷,等生活垃圾焚烧飞灰用于水泥混凝土的研究进展J混凝土,():,P e n gY,P e n gX,Y a n gM,e t a l T h ep e r f o r m a n c e s o f t h eb a k i n g f r e eb r i c k so fn o ns i n t e r e dw r a p s h e l l l i g h t w e i g h ta g g r e g a t e s f r o md r e d g e ds e d i m e n t sJ C o n s t r u c t i o na n dB u i l d i n gM a t e r i a l 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