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摘 要：生活垃圾焚烧后仍会残留相当数量的炉渣，炉渣的主要化学成分和矿物组成与道路工程中常用的天然矿质集料极为相似，且具有潜在水硬性与火山灰活性，具备资源化用于道路工程的基本条件。本文综述了炉渣的理化性质、细观结构与微观形貌特征、工程特性和浸出毒性，探讨了炉渣用作道路各结构层材料的技术与环境可行性。
关键词：生活垃圾焚烧炉渣; 炉渣集料; 道路工程; 资源化利用
中图分类号：X706 文献标识码：A 文章编号：1006-3315（2021）8-062-002
1.炉渣资源化应用于道路工程的重要意义
焚烧处理的最显著优势是减量效果好，可使焚烧废物的体积和重量减少80%～90%以上，且焚烧产生的热量可用于发电和供暖。当前，垃圾焚烧已在我国生活垃圾处理方式中占据半壁江山，但生活垃圾经高温焚烧后仍会残留相当数量的残渣。其中主要的一类即是炉渣，其质量约占原垃圾的20%～30%[1]。按照我国《生活垃圾填埋场污染控制标准》（GB16889），炉渣属一般固体废弃物，可直接填埋处理。据《中国统计年鉴（2020）》，我国炉渣产量在2019年已突破2900万吨，江苏省炉渣年产量已达330万吨。这意味着在炉渣年产量持续增长、土地资源日趋紧张的形势下，这种相对落后且低效的炉渣处置技术势必会成为城镇可持续发展的新瓶颈。而针对炉渣基本特性及其环境风险提出合理的资源化利用方案，为解决此瓶颈问题提供了有效途径。炉渣的主要化学成分和矿物组成与道路工程中常用的天然矿质集料极为相似，且具有潜在火山灰活性，兼具集料特性和胶凝特性。道路工程建设中使用炉渣，不仅能有效利用大量废弃炉渣，减少天然石料开采，节约土地资源，而且可减少环境污染，对促进道路工程领域的“碳达峰”和“碳中和”具有重要现实意义，符合交通强国建设绿色发展节约集约、低碳环保的重大需求。
2.炉渣基本性质
2.1理化性质
原状炉渣自然风干后，呈灰色到黑褐色，由熔渣、金属、陶瓷和砖石碎片、玻璃渣、不可燃盐分以及其他未燃尽物质（其中含5%左右的有机质）组成，除去其中的大宗物质后，外观与天然集料相似[1，2]。炉渣的主要化学成分为SiO2、CaO、Al2O3和Fe2O3，约占炉渣总质量的70%以上;组成矿物主要为方解石（CaCO3）、石英（SiO2）、硫酸钙（CaSO4）和Friedel盐（Ca4Al2O6Cl2·10H2O）等;含一定量重金属，Zn、Cr、Cu、Pb、Cd含量相对较高。总体而言，炉渣理化性质较稳定，但因含Fe及其他有色金属（主要为Al），使用前需进行适当预处理。此外，新鲜炉渣中含有少量硅酸钙和活性成分（SiO2、Al2O3、Fe2O3和Ca（OH）2），使得炉渣具有潜在水硬性和火山灰活性，因此炉渣使用前须经一定时间的熟化，使其获得更稳定的理化性质。
2.2细观结构与微观形貌
受原垃圾组成及其相对含量的影响，炉渣颗粒主要呈现两种结构形式：一是典型的“多孔海绵状”，由完全中空的球体或内部包有数量众多小球的子母球体组成;二是层状多孔近立方体结构。炉渣颗粒表面粗糙，孔隙率高，单位比表面积大，孔隙直径大小不一、且分布不均;部分位置晶体发育良好，主要呈棒状、针状和粒状;但因焚烧过程中温度和空气分布不均，晶体发育不均匀[3]。
2.3工程特性
炉渣粒径分布良好，60%～80%集中在1～19mm，筛分后适合用作路基、路面基层和面层混合料的集料。较之天然集料，炉渣集料的表观密度较小、压碎值和磨耗损失较高、吸水性与坚固性较好、内摩阻角和抗剪强度较高，渗透率与中砂相近[4-6]。由于压碎值和磨耗损失较天然集料高，因而炉渣集料更适合用于城市广场、公园、停车场、小区道路、农村公路等轻交通量道路。
2.4浸出毒性
炉渣含一定量的可溶性盐和重金属，很难降解。若炉渣作为道路工程建筑材料使用，其中的可溶性盐和重金属在一定环境条件下发生浸出，渗透到周围土壤、地表水、地下水或经由食物链进入人体，造成环境污染、损害人体健康。研究发现，炉渣浸出液的pH值、可溶性盐和重金属浓度与炉渣粒径和熟化时间显著相关[7]：炉渣初始pH值一般在11以上，属强碱性，且粒径越小、碱性越强，但随熟化时间延长、pH值呈缓慢下降趋势。炉渣中Ca2+、SO42+、K+、Cl-、Na+、Mg2+、Al3+等可溶性盐的浸出水平较高，炉渣粒径越小、Cl-浸出量越高;而重金属中Pb、Zn的浸出水平較高。但总体上炉渣中几种主要重金属和可溶性盐的长、短期浸出水平均低于我国现行有关环境标准限值，在道路工程建设中资源化使用炉渣在环境上是可行的。
需注意的是，受原垃圾组成、焚烧工艺、预处理工艺等的影响，不同地区、不同垃圾焚烧厂、不同批次、不同熟化时间的炉渣，其粒径分布、主要成分比例、工程性质和毒性浸出特性等方面存在显著差异。资源化利用炉渣前应进行基本性质试验，以制定有针对性的利用方案，提高炉渣实际利用率，同时确保环境安全。
3.炉渣在道路工程中资源化利用技术
炉渣的理化性质和工程特性表明炉渣具备用作道路工程集料的基本条件。炉渣具有潜在火山灰活性，能与水发生水化反应、发挥胶结作用。同时，炉渣中的可溶性盐、重金属等浸出量均低于我国现行有关环境标准限值，因此炉渣资源化用于道路工程中对环境的负面影响极小。目前，挪威、德国和法国已分别实现将80%、65%和79%的炉渣集料应用于道路工程。
3.1路基填筑材料
道路工程路基位于路面之下，是路面的基础，其主要作用是支承路面结构，承受路面荷载，同时将荷载传递至地基深处。路基填筑需要大量品质优良的集料和填料。炉渣级配良好，理化性质相对稳定，且与水发生水化反应后能起到胶结土颗粒与集料的作用，是良好的路基填料。欧洲多年的工程实践经验表明，炉渣作为路基填料的资源化利用方式不仅在技术上是可行的，且在环境保护与可持续发展方面较之天然集料也具有显著优势[2]。一般炉渣用作路基填筑材料的施工工艺如下：原地面处理、施工放样、备料（如土、石灰和炉渣以一定比例混合）、摊铺、调整含水率、整平、碾压、质量检验。为确保填筑路基的压实度满足设计要求，路基填筑前应通过相关试验确定混合填料的最佳配比、最佳含水率等指标。
3.2路面基层材料
路面基层位于路基（或垫层）之上、面层之下，是路面结构的承重层，主要起到承受面层传来的车辆荷载、并将其分布到垫层或路基的作用。炉渣经粉碎、筛选、分级后制成满足规格要求的炉渣集料和炉渣粉料，可替代部分细集料、水泥或粉煤灰材料用于各类结合料稳定类基层材料和粒料类基层材料，且可在一定程度上提高基层的抗裂性能。上世纪70年代，美国首次使用炉渣集料替代天然集料用于沥青混合料基层，取得良好的工程应用效果[2]。
3.3沥青混合料的替代集料
沥青混合料是有适当比例的粗集料（粒径≥2.36mm）、细集料（0.075～2.36mm）及填料（<0.075mm）组成的符合规定级配的矿质集料与沥青拌制而成的混合料的总称，是现代沥青路面中使用最广泛的路面材料，可用于路面各结构层。大量试验与工程实践证明，不同产地、不同粒径（范围）和不同替代率下，炉渣集料对沥青混合料的最佳沥青用量和路用性能的影响存在一定差异。但总体上，混合料的最佳沥青用量与炉渣集料替代率呈显著线性正相关，即炉渣替代率越高、最佳沥青用量越大;且替代率相同时，所用炉渣集料的粒径越小、混合料最佳沥青用量越高，这主要是与炉渣集料的多孔构造特性有关。较之同等粒径的天然集料，多孔构造的炉渣集料可以吸附更多沥青，且吸附于炉渣集料表面的沥青可继续沿着孔隙下渗，并最终形成“沥青锚杆”，增强炉渣集料与沥青之间的黏附性，从而提高混合料的整体性。因此尽管各国研究推荐的炉渣替代率不尽相同，且炉渣替代率不高（多在10%～20%左右），但一致认为由于炉渣集料的多孔特性与粗糙的表面特性，可以使混合料的高温稳定性和水稳定性得到显著提升[4，6，8]。
3.4水泥混凝土的替代集料
水泥混凝土是指由水泥、砂、集料等用水拌制而成的一类混合材料的总称，具有强度高、水稳定性好等优点，被广泛用作各等级道路的面层和基层材料。水泥作为此类混合材料中的粘结剂，是一种水硬性无机胶凝材料，与水拌和后发生水化反应，生成水化产物，并将砂、集料等散粒材料胶结成具有一定强度的整体。由于炉渣中含有一定量的活性SiO2、Al2O3和Fe2O3，具備潜在水硬性和火山灰活性，故将其用于水泥混凝土，不但有利于提高混凝土的整体性和路用性能，而且可在一定程度上减少水泥使用量，降低施工成本，同时在一定程度上缓解因水泥生产造成的环境污染。
4.结语
当前及未来，我国城镇化仍处于提质推进阶段，城市生活垃圾产量将保持快速增长态势，垃圾焚烧技术是无害化处理生活垃圾的主要方式。与此同时，城镇基础设施建设与升级改造面临着集料和填料短缺、环境污染等诸多问题。本文从生活垃圾焚烧炉渣的基本性质出发，探讨了其在道路工程的路基、基层和面层中的资源化利用技术，以期为同行提供参考。炉渣资源化用于道路工程对于实现道路工程领域的“碳达峰”和“碳中和”具有重要现实意义，但仍存在很多问题亟待解决：一是，因不同批次、不同粒径的炉渣基本性质波动造成混合料性能不稳定的问题;二是炉渣混合料的设计理论与设计方法尚未形成体系;三是炉渣混合料的耐久性问题。
基金资助项目：住房和城乡建设部科技计划项目（2019-K-140），南京林业大学青年科技创新项目（CX2019031）
参考文献：
[1]朱亚婷，赵曜，赵尘.水泥稳定炉渣碎石基层环境安全性的试验研究[J]硅酸盐通报，2018，37（10）：3296-3302+3316
[2]王琎晨.生活垃圾焚烧炉渣性质特点及在沥青混合料中的应用现状[J]石油沥青，2017，31（3）：54-59，72
[3] Cao Y， Liu R， Xu Y， et al. Effect of SiO2， Al2O3 and CaO on characteristics of lightweight aggregates produced from MSWI bottom ash sludge （MSWI-BAS）[J] Construction and Building Materials， 2019，205，368-376
[4]刘栋，李立寒，崔华杰.炉渣集料对沥青混合料性能影响的试验研究[J]建筑材料学报，2015，18（2）：207-312
[5]孙瑜，李立寒.垃圾焚烧炉渣粉替代矿粉对沥青混合料性能的影响[J]同济大学学报（自然科学版），2017，45（12）：1818-1823
[6] Luo HL， Chen SH， Lin DF， et al. Use of incinerator bottom ash in open-graded asphalt concrete[J] Construction and Building Materials， 2017， 149： 497-506
[7] Dou X， Ren F， Nguyen MQ， et al. Review of MSWI bottom ash utilization from perspectives of collective characterization， treatment and existing application[J]Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2017， 79， 24-38
[8] Hassan MM， Khalid H. Mechanical and environmental characteristics of bituminous mixtures with incinerator bottom ash aggregates[J]International Journal of Pavement Engineering， 2010， 11（2）： 83-94
