广西垃圾焚烧飞灰水泥土工程环境特性与改良研究_胡莉强.pdf

第4 8卷 第3期2 0 2 3年6月 广西大学学报(自然科学版)J o u r n a l o fG u a n g x iU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n)V o l.4 8N o.3J u n.2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-1 0-1 3;修订日期:2 0 2 3-0 4-1 8 基金资助:交通部重点研发项目(2 0 2 0M S 4 1 1 0);国家自然科学基金项目(4 2 0 0 7 2 5 0);广西自然科学基金项目(2 0 1 7 G X N S F B A 1 9 8 1 9 9)通讯作者:刘宗辉(1 9 8 7),男,湖南武冈人,广西大学高级工程师,博士;E-m a i l:l z h 8g x u.e d u.c n。引文格式:胡莉强,李嘉祺,蓝天帅,等.广西垃圾焚烧飞灰水泥土工程环境特性与改良研究J.广西大学学报(自然科学版),2 0 2 3,4 8(3):5 3 8-5 4 9.D O I:1 0.1 3 6 2 4/j.c n k i.i s s n.1 0 0 1-7 4 4 5.2 0 2 3.0 5 3 8广西垃圾焚烧飞灰水泥土工程环境特性与改良研究胡莉强1,李嘉祺2,蓝天帅3,杨波3,刘宗辉2*,张晓磊4(1.广西新发展交通集团有限公司,广西 南宁5 3 0 0 2 9;2.广西大学 土木建筑工程学院,广西 南宁5 3 0 0 0 4;3.广西路桥工程集团有限公司,广西 南宁5 3 0 0 1 1;4.同济大学 土木工程学院,上海2 0 0 0 9 2)摘要:为了提高生活垃圾焚烧飞灰在软土路基水泥土搅拌桩中资源化利用的适用性,采用掺蔗渣灰、水洗、无机试剂螯合及有机试剂螯合4种方法对飞灰进行预处理,通过单轴抗压强度试验获得不同飞灰掺量、不同方法改良后飞灰水泥土的强度特性,并开展重金属提取和重金属表面溶出试验,模拟水泥土搅拌桩在不同服役环境下的重金属浸出特性。试验结果表明:飞灰掺量能显著影响水泥土强度;相同飞灰掺量下,掺蔗渣灰对飞灰水泥土强度促进效果最明显,而无机试剂效果不明显;无机试剂及有机试剂均能提升重金属固化率,而掺蔗渣灰效果不明显;未经重金属固化预处理的原灰水泥土在水平振荡法和硫酸硝酸法下,各重金属浸出浓度分别满足 污水综合排放标准(G B8 9 7 81 9 9 6)和 危险废物填埋污染控制标准(G B1 8 5 9 82 0 1 9)。关键词:垃圾焚烧飞灰;水泥土;重金属浸出中图分类号:TU 4 7 2.6 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 1-7 4 4 5(2 0 2 3)0 3-0 5 3 8-1 2S t u d yo ne n g i n e e r i n ga n de n v i r o n m e n t c h a r a c t e r i s t i c sa n d i m p r o v e m e n t o f f l ya s hc e m e n t-s t a b i l i z e ds o i lf r o md o m e s t i cw a s t e i n c i n e r a t i o n i nG u a n g x iHUL i q i a n g1,L I J i a q i2,L ANT i a n s h u a i3,YAN GB o3,L I UZ o n g h u i2*,Z HAN GX i a o l e i4(1.G u a n g x iN e wD e v e l o p m e n tT r a n s p o r t a t i o nG r o u pC o.,L t d.,N a n n i n g5 3 0 0 2 9,C h i n a;2.S c h o o l o fC i v i lE n g i n e e r i n ga n dA r c h i t e c t u r e,G u a n g x iU n i v e r s i t y,N a n n i n g5 3 0 0 0 4,C h i n a;3.G u a n g x iR o a da n dB r i d g eE n g i n e e r i n gG r o u pC o.,L t d.,N a n n i n g5 3 0 0 1 1,C h i n a;4.C o l l e g eo fC i v i lE n g i n e e r i n g,T o n g j iU n i v e r s i t y,S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e rt oi m p r o v et h ea p p l i c a b i l i t yo fm u n i c i p a ls o l i dw a s t e i n c i n e r a t i o nf l ya s h第3期胡莉强,等:广西垃圾焚烧飞灰水泥土工程环境特性与改良研究(M SW I F A)f o rr e s o u r c e u t i l i z a t i o ni n c e m e n t-s t a b i l i z e d s o i l m i x i n g p i l e o fs o f ts o i lf o u n d a t i o n,f o u r m e t h o d so fa d d i n gs u g a r c a n ea s h,w a t e r w a s h i n g,i n o r g a n i cr e a g e n tc h e l a t i o na n do r g a n i cr e a g e n tc h e l a t i o n w e r eu s e dt o p r e t r e a t M SW I F A.T h es t r e n g t hc h a r a c t e r i s t i c so ff l ya s hc e m e n t-s t a b i l i z e ds o i li m p r o v e db yd i f f e r e n t M SW I F A c o n t e n t sa n d m e t h o d s w e r e o b t a i n e d b y u n i a x i a l c o m p r e s s i v e s t r e n g t h t e s t.T h e l e a c h i n gc h a r a c t e r i s t i c s o f h e a v y m e t a l s i n c e m e n t s o i l m i x i n g p i l e s u n d e r d i f f e r e n t s e r v i c ee n v i r o n m e n t sw e r es i m u l a t e db yh e a v ym e t a le x t r a c t i o na n ds u r f a c ed i s s o l u t i o nt e s t s.T h er e s u l t ss h o wt h a tM SW I F Ac a no b v i o u s l yp r o m o t et h es t r e n g t ho fc e m e n t-s t a b i l i z e ds o i l.S u g a r c a n ea s h,w a t e rw a s h i n ga n do r g a n i cr e a g e n tc h e l a t i o na l lp r o m o t et h es t r e n g t ho f f l ya s hc e m e n ts o i li nv a r y i n gd e g r e e s,a m o n g w h i c hs u g a r c a n ea s hh a st h e m o s to b v i o u se f f e c t,a n dt h e i n o r g a n i ca g e n th a sn oo b v i o u se f f e c to nt h es t r e n g t h.B o t h i n o r g a n i c r e a g e n tc h e l a t i o n a n d o r g a n i c r e a g e n t c h e l a t i o n c a n i m p r o v e t h e s o l i d i f i c a t i o n r a t e o f h e a v ym e t a l s,b u t t h ee f f e c to fs u g a r c a n ea s hi sn o to b v i o u s.T h el e a c h i n gc o n c e n t r a t i o no fe a c hh e a v ym e t a la r es t i l ll o w e rt h a nt h el i m i tv a l u e si nt h ei n t e g r a t e d w a s t e w a t e rd i s c h a r g es t a n d a r d(G B8 9 7 81 9 9 6)a n dt h es t a n d a r df o rp o l l u t i o nc o n t r o lo nt h eh a z a r d o u sw a s t el a n d f i l l(G B1 8 5 9 82 0 1 9)u n d e rt h eh o r i z o n t a lo s c i l l a t i o n m e t h o da n ds u l f u r i ca c i dn i t r i ca c i dm e t h o d.K e yw o r d s:m u n i c i p a l s o l i dw a s t e i n c i n e r a t i o nf l ya s h;c e m e n t-s t a b i l i z e ds o i l;h e a v ym e n t a ll e a c h i n g0 引言焚烧法已经成为我国垃圾无害化处理的重要手段之一,其副产物飞灰的产量大幅增加。生活垃圾焚烧后的飞灰中富集了C d、C r、P b、H g、C u、Z n等重金属1,具有一定的生物毒性,当前焚烧后的飞灰主要处置方法是进行初步的稳定化处理再入库填埋。另一方面,飞灰的主要成分为C a O、A l2O3、S i O2等,与水泥、粉煤灰等胶凝材料同属C a S i A l体系,其资源化利用引起研究者们的广泛关注,在路基工程、建筑材料和土工技术等多个领域具有广阔应用前景2-7。由于飞灰颗粒细小且具有一定火山灰活性,因此可填充水泥土孔隙并水化产生C SH凝胶,促进水泥土强度发展。将飞灰作为添加材料替代水泥用于水泥土搅拌桩,不但可以节约水泥用量,同时所形成的飞灰固化物能很好地防止重金属渗出,是当前飞灰资源化利用的研究方向之一。目前已有部分学者研究了飞灰在软土加固中实现资源化利用的可行性:S h o w等8发现将飞灰作为固化剂可使海相黏土的强度提高7 5倍以上;陈建建等9、梁仕华等1 0的研究表明:飞灰可显著提高软土的抗剪强度;俞钦钦等1 1、L i a n g等1 2、Z h a等1 3发现飞灰在5%1 0%掺量条件下对水泥土强度有促进效果。然而,当前大多数研究中所选用的飞灰来自于流化床焚烧工艺,随着我国垃圾焚烧技术的升级,流化床将逐步被炉排炉代替,焚烧工艺的变化将导致飞灰的化学成分发生改变,主要表现在S i O2和A l2O3含量的大幅降低,且由于地域不同,可能导致垃圾组分不同,飞灰化学成分也有区别,原有的强度方面研究成果将不再适用。此外,飞灰水泥土重金属浸出情况与其所赋存的环境密切相关,当前各种关于重金属浸出的试验方法和评价标准差异较大,模拟水泥土搅拌桩服役环境,探索重金属浸出特性,有利于科学评价飞灰在水泥土搅拌桩中资源化利用的安全性。针对炉排炉工艺所产生的飞灰,有必要探索飞灰水泥土工程环境特性及改良措施,以确保安全处理的前提下满足工程技术需求1 4。本文选用活性相对较低、污染物含量相对较高的广西贺州炉排炉飞灰为研究对象,采用掺蔗渣灰、水洗、无机试剂螯合及有机试剂螯合4种方法对飞灰进行预处理,通过单轴抗压强度试验获得不同飞灰935广西大学学报(自然科学版)第4 8卷掺量、不同方法改良后飞灰水泥土的强度特性,并开展水泥土重金属提取和重金属表面溶出试验,模拟水泥土搅拌桩在不同服役环境下的重金属浸出特性,通过对比分析不同改良方法下的飞灰水泥土工程环境特性变化规律,进一步探究飞灰及其改良方式在实际工程中的适用范围,研究成果为推动生活垃圾焚烧飞灰在软土路基水泥土搅拌桩中资源化利用提供科学依据和参数支持。1 试验材料与试验方法1.1 试验材料本文选用的飞灰取自广西贺州市某垃圾焚烧电站,焚烧工艺为机械炉排炉,呈深灰色,取回后在1 0 5下烘干2 4h,过孔径为0.1mm筛后测试其基本物理特性、二噁英和重金属含量。试验所用飞灰相对质量为2.3 5,堆积密度为2.1g/c m3,比表面积为4.8 6 2m2/g,p H为1 2.0 9,二噁英含量为0.0 7 6g T E Q/k g,飞灰的重金属含量见表1。对比相关文献1 5-1 6 可以看出:国内广西贺州、浙江杭州、上海的飞灰中Z n、C u含量较为接近,但浙江杭州、上海飞灰的P b、C r含量是广西贺州的35倍,美国和意大利飞灰中的重金属,除C d较为接近外,其余含量均高于国内。蔗渣灰取自广西南宁市某制糖厂,飞灰和蔗渣灰的主要化学成分见表2。可以看出,飞灰的化学组成以C a O为主,蔗渣灰则以S i O2为主,在水泥土中掺入少量蔗渣灰可以实现飞灰与蔗渣灰在化学成分上的优势互补。相比国内江苏、上海、浙江等地,广西贺州飞灰中的S i O2和A l2O3含量较低1 7-1 8。水泥固化剂选用P O 4 2.5普通硅酸盐水泥(O P C)。试验用土取自广西某高速路软弱土路基,取土后风干、粉碎并过孔径为0.5mm筛备用。根据 土工试验方法标准(G B/T5 0 1 2 32 0 1 9)测定得到试验用土的主要物理性质指标见表3。表1 飞灰的重金属含量T a b.1 H e a v ym e t a l c o n t e n t o fM S W I F Am g/k gZ nC uP bC dC r41 0 04 0 110 9 01 7 13 8表2 飞灰和蔗渣灰的主要化学成分T a b.2 M a i nc h e m i c a l c o m p o s i t i o no fM S W I F Aa n ds u g a r c a n ea s h试验材料质量分数/%C a OS i O2M g OF e2O3A l2O3飞灰3 5.72.5 41.5 70.7 50.6 3蔗渣灰5.3 17 5.2 53.0 93.34.0 8表3 试验用土的主要物理性质指标T a b.3 M a i np h y s i c a l c h a r a c t e r i s t i c so f s o i l含水率/%相对质量塑限/%液限/%塑性指数p H3 0.12.7 22 43 91 55.1 91.2 试验方案及方法1.2.1 试样配比根据研究目标,分别设计强度和重金属浸出2类试验。首先改变原灰和水泥掺量,研究原灰水泥土的强度和环境特性,然后在此基础上进一步设计飞灰改良预处理实验。通过对比原灰、蔗渣灰和P O 4 2.5水泥的化学成分,计算确定蔗渣灰掺量分别为飞灰质量的4%、8%、1 2%,使飞灰中的S i O2含量接近于水泥。有研究1 9表明:p H为45的H3P O4具有较好的除氯效果,F e S O4的质量分数为1%7%时对重金属的固化效果较好,计算确定H3P O4质量分数为4%,F e S O4质量分数分别为2.0%、4.0%、6.0%。有机螯合剂与原灰取自同一垃圾焚烧发电站,参考该发电站的固化 稳定化工艺,兼顾重金属固化效果与成本,计算确定螯合剂掺量为飞灰质量的1.2 5%、045第3期胡莉强,等:广西垃圾焚烧飞灰水泥土工程环境特性与改良研究2.5%、5.0%。飞灰水泥土配合比设计参数见表4。表4 飞灰水泥土配合比设计参数T a b.4 S a m p l ep r e p a r a t i o np a r a m e t e r so f f l ya s hc e m e n t-s t a b i l i z e ds o i l飞灰种类配合比(飞灰、水泥、土的质量比)改良材料质量分数/%养护龄期/d土体含水率/%原灰水洗灰原灰+蔗渣灰无机螯合(药洗)灰有机螯合灰01 09 0;51 08 51 01 08 0;1 51 07 501 58 5;51 58 01 01 57 5;1 51 57 01 01 08 04、8、1 22、4、61.2 5、2.5 0、5.0 07、1 4、2 8、6 03 01.2.2 试样制备养护及预处理方法(1)试样制备及养护。按设计配合比称取一定量飞灰、水泥与土均匀混合。按土体含水率为3 0%、水灰比为0.5加入所需的水量,以2 5 0r/m i n的速度搅拌约1 0m i n制成浆液。将浆液分3次灌入立方体试验模型(7 0.7 mm7 0.7 mm7 0.7 mm),用插捣棒插捣1 5次,置于振动台上振动2m i n,刮平。制样环境温度为(2 02),相对湿度不低于5 0%,静置1d后脱模,试样养护环境温度(2 02),湿度为9 5%以上。(2)飞灰预处理。掺蔗渣灰:制样前将蔗渣灰烘干并过孔径为0.5mm筛,与飞灰均匀混合后与水泥、土一同搅拌。药洗(无机螯合):固液比设为13,分2次清洗:第一次加入H3P O4溶液搅拌1 0m i n后固液分离,第二次加入F e S O4溶液搅拌2 0m i n,取沉淀物烘干、粉碎并过孔径为0.5mm筛。有机螯合:螯合处理时先用去离子水稀释螯合剂,再将螯合剂与飞灰均匀搅拌,置于常温环境下密封静置2 4h,取出后烘干,粉碎过孔径为0.5mm筛,密封备用。水洗:水洗液为去离子水,固液比、水洗次数及水洗时间同药洗。1.2.3 无侧限抗压强度测试根据 建筑砂浆性能试验方法标准(J G J/T7 02 0 0 9)中的相关规定进行无侧限抗压强度试验。选用光栅变形计记录试样的形变数据,飞灰水泥土无侧限抗压强度测试装置如图1所示。加压速率设为0.1 5k N/s,当负荷为0.1k N时开始记录数据,应力出现峰值且应变达到6%时结束试验。(a)电液伺服岩石试验机(b)变形测量装置图1 飞灰水泥土无侧限抗压强度测试装置F i g.1 U n c o n f i n e dc o m p r e s s i v e s t r e n g t ht e s t i n gd e v i c e f o r f l ya s hc e m e n t-s t a b i l i z e ds o i l1.2.4 重金属浸出试验重金属浸出试验主要分为重金属提取和重金属表面溶出2部分。其中,重金属提取用于评估飞灰145广西大学学报(自然科学版)第4 8卷水泥土材料固化重金属能力,即由可溶相重金属溶解所导致的浸出;而重金属表面溶出用于评估飞灰水泥土在块体状态下的重金属浸出风险,探究的是飞灰水泥土搅拌桩在实际服役条件下的浸出特性。由于尚未有针对飞灰水泥土的浸出毒性测试规范,因此参考固废物浸出方法进行试验。重金属浸出毒性检测方法见表5。表中给出了3种重金属提取试验方法以评估飞灰水泥土在不同环境下的浸出毒性:水平振荡法评估飞灰水泥土在地表/地下水侵沥作用下的浸出毒性;硫酸硝酸法评估飞灰水泥土在酸雨侵蚀作用下的重金属浸出毒性;醋酸溶液缓冲法评估飞灰水泥土在生活垃圾渗滤液 以醋酸根(CH3C OO-)为主 侵蚀条件下的浸出毒性。以上3种实验方法评估了常规环境至极端环境下的飞灰水泥土的可能浸出情况,所模拟的环境恶劣情况逐级递增。表5 重金属浸出毒性检测方法T a b.5 T e s tm e t h o df o r l e a c h i n g t o x i c i t yo fh e a v ym e t a l s方法类别对应规范模拟工况 水平振荡法(H J5 5 72 0 1 0)评估粉体固废物中的有害组分在地表水、地下水侵沥条件下的浸出风险重金属提取试验 硫酸硝酸法(H J2 9 92 0 0 7)评估粉体固废物中的有害组分在酸性降水影响下的浸出风险 醋酸溶液缓冲法(H J3 0 02 0 0 7)评估粉体固废物中的有害组分在生活垃圾渗滤液侵蚀下的浸出风险重金属表面溶出试验 低、中水平放射性废物固化体标准浸出试验方法(G B7 0 2 32 0 1 1)评价废物固化体在实验室控制条件下的抗浸出性能 表中重金属表面溶出试验参考 低、中水平放射性废物固化体标准浸出试验方法(G B7 0 2 32 0 1 1)设计试验。选用浓硝酸和浓硫酸按质量比为12配置浸提剂(p H=4.50.5),用尼龙绳将成型脱模后的水泥土试块吊在装有浸提剂的塑料容器中,要求试块完全浸没在浸提剂中,按1、3、7、1 4、2 1、2 8、3 5、4 2d的时间间隔取12m L浸出液进行测试。取得浸出液后,依次进行过滤、稀释、酸化处理,在等离子体发射光谱仪(美国赛默飞I C A P 7 0 0 0型)上测得溶液中各重金属的浓度。飞灰水泥土重金属浸出试验如图2所示。(a)重金属提取试验(翻转振荡)(b)重金属表面溶出试验(长期浸泡)图2 飞灰水泥土重金属浸出试验F i g.2 H e a v ym e t a l l e a c h i n g t e s t o f f l ya s hc e m e n t-s t a b i l i z e ds o i l2 飞灰水泥土强度特性2.1 原灰水泥土强度特性飞灰水泥土2 8d龄期的应力 应变曲线如图3所示。由图可以看出,飞灰水泥土应力 应变曲线的245第3期胡莉强,等:广西垃圾焚烧飞灰水泥土工程环境特性与改良研究基本形态与纯水泥土类似。当应变为1%2%时,水泥土处于线弹性阶段,当应变增加至2.2%2.5%时,水泥土开始出现峰值应变,峰值应变越大表示水泥土结构性越好;当应变大于2.5%时,水泥土开始进入开裂破坏阶段,该阶段的应力下降速率反映了水泥土的破坏状态。123456700.51.01.52.02.53.0/%F0 F5 F10 F15/MPa(a)水泥质量分数1 5%012345670.30.60.91.2/MPa F0 F5 F10 F15/%(b)水泥质量分数1 0%图3 飞灰水泥土2 8d龄期的应力 应变曲线F i g.3 S t r e s s-s t r a i nc u r v e so f f l ya s hc e m e n t-s t a b i l i z e ds o i l i n2 8dc u r e d飞灰水泥土无侧限抗压强度与龄期关系如图4所示。由图可以看出:所有配合比下的飞灰水泥土强度均随龄期增加而提高;养护龄期超过2 8d后所有飞灰水泥土的强度均高于纯水泥土,且1 5%水泥配比时飞灰对水泥土强度促进作用比1 0%水泥配比更为明显。其中:对于1 5%水泥配比,质量分数为5%、1 0%和1 5%飞灰的水泥土2 8d强度分别是纯水泥土的1.6 8、1.8 9、2.5倍;对于1 0%水泥配比,质量分数为5%、1 0%和1 5%飞灰的飞灰水泥土2 8d强度分别是纯水泥土的1.1 2、1.3 1、1.4 1倍。714286000.71.42.12.83.5/d F0 F5 F10 F15/MPa(a)水泥质量分数1 5%714286000.30.60.91.21.5/d/MPa F0 F5 F10 F15(b)水泥质量分数1 0%图4 飞灰水泥土无侧限抗压强度与龄期关系F i g.4 R e l a t i o n s h i pb e t w e e nu n c o n f i n e dc o m p r e s s i v e s t r e n g t ha n da g eo f f l ya s hc e m e n t s t a b i l i z e ds o i l变形模量通常指的是材料在单一方向受力时的应力与应变之比,反映了材料抵抗弹塑性变形的能力。由于水泥土属于非弹性材料,因此工程上常用平均变形模量E5 0表征水泥土的变形能力,计算公式为E5 0=0.50.5,(1)式中:为峰值强度,MP a;0.5是0.5倍峰值强度对应的应变,%。345广西大学学报(自然科学版)第4 8卷飞灰水泥土变形模量与龄期关系如图5所示。由图可以看出,飞灰水泥土的变形模量随龄期增加而增大,飞灰水泥土的变形模量E5 0大于纯水泥土,且差值随飞灰掺量增加而增大。1 5%水泥配比时飞灰对水泥土变形模量整体大于1 0%水泥配比,但2种水泥配比下,飞灰对变形模量促进作用较为接近。2 8d龄期时:对于1 5%水泥配比,质量分数为5%、1 0%、1 5%飞灰水泥土的E5 0分别是纯水泥土的1.5 1、1.6 4、2.0 4倍;对于1 0%水泥配比,质量分数为5%、1 0%、1 5%飞灰水泥土的E5 0分别是纯水泥土的1.1 2、1.4 0、1.6 8倍;71428600306090120/dE50/MPa F0 F5 F10 F15(a)水泥质量分数1 5%E50/MPa7142860015304560/d F0 F5 F10 F15(b)水泥质量分数1 0%图5 飞灰水泥土变形模量与龄期关系F i g.5 R e l a t i o n s h i pb e t w e e nd e f o r m a t i o nm o d u l u sa n da g eo f f l ya s hc e m e n t-s t a b i l i z e ds o i l2.2 预处理后飞灰水泥土的强度特性不同方法预处理后飞灰水泥土峰值强度特性如图6所示,其中图6(a)为不同蔗渣灰掺量下的飞灰水泥土强度发展曲线(飞灰和水泥质量分数均为1 0%),从图中可以看出:掺入蔗渣灰能有效促进飞灰水泥土的强度增长,且蔗渣灰掺量越大强度越高;蔗渣灰的强度促进效果主要表现在2 8d龄期,蔗渣掺入比4%、8%、1 2%(与飞灰的质量比)的强度比未掺蔗渣灰分别提高了1 7.0 6%,6 5.1 5%、8 5.5 7%。蔗渣灰对水泥土的强度促进机制主要表现为提高飞灰活性,这是由蔗渣灰的物理特性及化学组成决定的:蔗渣灰颗粒细小,在微颗粒效应的作用下,蔗渣灰有效填充了飞灰水泥土的内部孔隙,提高了水泥土的结构致密性。本试验所使用的蔗渣灰S i O2的质量分数高达7 5%,S i O2致密的表面包裹层在水泥水化的碱性环境作用下发生脱落,其内部的活性物质得到释放,促进了二次水化并生成大量C S H和C AH,促进水泥土强度发展2 0。值得注意的是,有研究表明,粉煤灰等外掺剂掺量过大时会包裹住水泥,阻碍水泥的水化,导致强度下降,虽在本试验中未出现水泥土强度因蔗渣灰掺量增加而降低的情况,后续应该进一步探究蔗渣灰的最佳掺入量。图6(b)为不同浓度无机试剂螯合条件下的飞灰水泥土强度发展曲线(飞灰和水泥质量均为1 0%)。从图中可以看出,无机试剂螯合对飞灰水泥土强度的促进效果并不显著,1 4、2 8d龄期的原灰、无机试剂螯合飞灰水泥土强度均低于水洗飞灰。研究表明,无机螯合影响水泥土强度发展的内在机制为减少飞灰中杂质对水泥水化的影响2 1。无机试剂中的H3P O4去除了飞灰中的氯离子,降低氯离子对水泥水化产物的侵蚀,提高水泥土内部结构的致密度;F e S O4与飞灰中的Z n、P b、C u反应生成化学性质不活泼的铁氧化物,阻止重金属离子与C SH凝胶的结合,使更多的胶凝物质填充在水泥土孔隙中,但H3P O4属于强酸,F e S O4溶于水后亦呈弱酸性,容易对水泥水化所需的碱性环境造成破坏,阻碍了水泥水化及飞灰中的有效物质S i O2释放活性。在2种效果的相互作用下,药洗对水泥土强度的改良效果并不突出。445第3期胡莉强,等:广西垃圾焚烧飞灰水泥土工程环境特性与改良研究图6(c)为不同浓度有机试剂螯合条件下的飞灰水泥土强度发展曲线(飞灰和水泥质量均为1 0%)。从图中可以看出,2 8d龄期的有机螯合飞灰水泥土的强度小幅高于原灰水泥土的,与水洗飞灰水泥土较为接近;当螯合剂质量分数为2.5%时,螯合飞灰水泥土强度比原灰水泥土高4 3.8 3%。不同方法预处理后飞灰水泥土变形模量特性与峰值强度基本一致,在此不再详细分析。可以看出,掺蔗渣灰能显著提高飞灰水泥土强度,且蔗渣灰来源广泛,预处理工艺简单,能很好地与水泥土搅拌桩施工工艺结合,是提高飞灰水泥土搅拌桩强度的有效措施。0.71.42.1287/d 4%8%12%14/MPa(a)掺蔗渣灰714280.30.60.91.21.5/d 2%4%6%/MPa(b)无机螯合714280.30.60.91.21.51.8/d 1.25%2.5%5%/MPa(c)有机螯合图6 不同方法预处理后飞灰水泥土峰值强度特性F i g.6 R e l a t i o n s h i pb e t w e e nu n c o n f i n e dc o m p r e s s i v e s t r e n g t ha n da g eo fp r e t r e a t e df l ya s hc e m e n t-s t a b i l i z e ds o i l3 飞灰水泥土重金属浸出特性3.1 飞灰水泥土重金属固化特性为对比水洗、无机试剂螯合、有机试剂螯合以及掺蔗渣灰4种方法预处理后飞灰水泥土对重金属固化效果,采用模拟最不利条件的醋酸溶液缓冲法(H J3 0 02 0 0 7)提取飞灰水泥土中更难固化、环境标准更严格的P b和C d2种重金属。由于水泥土的重金属浸出浓度随龄期的变化并不显著,因545广西大学学报(自然科学版)第4 8卷此以2 8d龄期的水泥土浸出浓度作为分析对象,不同方法预处理后飞灰水泥土的重金属提取试验结果如图7所示。00.51.01.52.02.5 Pb Cd/(mgL-1)(a)水洗飞灰水泥土024600.51.01.52.02.5%Pb Cd/(mgL-1)(b)药洗飞灰水泥土 01.252.5500.51.01.52.02.5/(mgL-1)%Pb Cd(c)有机螯合飞灰水泥土/(mgL-1)0481200.51.01.52.02.5%Pb Cd(d)掺蔗渣灰的飞灰水泥土图7 不同方法预处理后飞灰水泥土的重金属提取试验结果F i g.7 L e a c h i n gc o n c e n t r a t i o no fh e a v ym e t a l so f f l ya s hc e m e n t-s t a b i l i z e ds o i lw i t hd i f f e r e n tp r e t r e a t m e n t从图7(a)中可以看出,水洗对P b具有一定的去除效果,对C d的去除效果较差,水洗后P b浸出浓度分别下降了5 2.2 9%、6 9.0 6%;但由于纯水对大多数重金属的溶解度较差,已研究表明C r、C u、N i、Z n等重金属在水洗过程中的脱除率均不大于2%2 2,因此大部分重金属留存在水洗后的飞灰中。图7(b)的结果说明无机螯合剂磷酸 硫酸亚铁溶液清洗对P b和C d有较好的抑制效果,2种重金属离子 的 浸 出 浓 度 均 随 硫 酸 亚 铁 的 浓 度 增 加 而 降 低:P b的 浸 出 浓 度 降 低 率 从3 3.0 9%增 加 至5 0.3 6%,C d的浸出浓度降低率从3 0.8 5%增加至5 7.4 4%。与水洗相比,磷酸与硫酸亚铁的组合清洗对重金属的去除或固化效果明显更佳,主要原因是硫酸亚铁中的F e3+具有极强的氧化性,在钙离子含量较高的条件下取代F e2+,并掺入尖晶石结构在飞灰表面形成C a4F e9O1 7,包裹飞灰颗粒并阻止了P b的浸出。有机试剂螯合与无机试剂螯合效果类似,从图7(c)中可以看出,有机螯合剂对P b和C d具有较好的固化效果,且浸出浓度随螯合剂掺量增加而降低:当有机试剂体积分数从1.2 5%增加至2.5%时重金属浸出浓度降低显著,最大降低率均达到6 0%以上。这是由于二硫代氨基甲酸钠属于小分子螯合剂,其分子结构由2个及2个以上的配位原子组成,可通过配位键和离子键与重金属离子相连,而并非物理吸附作用。以重金属离子为中心、螯合剂为配位所形成的立体网状结构2 3,经螯合剂处理后的重金属离子与螯合剂配位基团反应形成共价螯合物,大幅降低了重金属的迁移性。目前常见的有机螯合剂对Z n、C u、P b和C d的固化效率均达到9 0%以上,固化效率远高于磷酸、硫酸亚铁等无机螯合剂2 4。645第3期胡莉强,等:广西垃圾焚烧飞灰水泥土工程环境特性与改良研究从图7中也可以看出,不同掺量的蔗渣灰对2种飞灰水泥土中的P b和C d的抑制效果均不明显。00.20.40.60.81.0 Zn Cu Pb Cd/(mgL-1)图8 原灰水泥土的重金属提取试验结果F i g.8 L e a c h i n gc o n c e n t r a t i o no fh e a v ym e t a l so fr a wf l ya s hc e m e n t-s t a b i l i z e ds o i l飞灰水泥土配比为1 01 08 0时,水平振荡法和硫酸硝酸法2种方法原灰水泥土的重金属提取试验结果如图8所示。可以看出:在水平振荡法条件下,Z n、C u、P b浸出浓度较低,C d则未发生浸出,各重金属浸出浓度均远低于 污水综合排放标准(G B8 9 7 81 9 9 6)中的限值(Z n、C u、P b、C d质量分数分别为2.0、0.5、1.0、0.1m g/L)。在硫酸硝酸法条件下,各重金属浸出浓度相较于水平振荡法均有显著增加,其中Z n增加了4倍,C u、P b和C d则分别增加了23倍,但浸出浓度仍低于 危险废物填埋污染控制标准(G B1 8 5 9 82 0 1 9)中的限值(Z n、C u、P b、C d质量分数分别为1 2 0、1 2 0、1.2、0.6m g/L),说明在酸雨侵蚀条件下,飞灰水泥土的重金属浸出浓度仍能满足环境的要求。从上述实验结果可知:水洗能很好地去除飞灰中可溶性盐,但在实际工程现场应用前需要有专门的水洗设备及工序,水洗工艺和水洗液处理也需要进一步完善;而有机、无机试剂螯合均对重金属有一定固化作用,但在现场施工前需要有与飞灰螯合作用的专门工序,且其长期稳定性还需要进一步验证。3.2 飞灰水泥土重金属表面溶出特性从上节试验结果可以看出,未预处理的飞灰水泥土(原灰水泥土)重金属固化效果最差,因此选用原灰水泥土来研究飞灰水泥土块体材料的重金属表面溶出特性,试验结果如图9所示。可以看出:浸泡时间在3 5d以前飞灰水泥土中4种重金属浸出总量随飞灰掺量和浸泡时间的增加而