中国城市建设研究院有限公司广东分院 王洺锴

大量的生活垃圾已成为众多城市亟待解决的问题之一。目前国内外处理生活垃圾主要有三种常见方式，分别是填埋、焚烧和堆肥，其中焚烧方式因具有减容迅速、处理量大、无害化彻底且燃烧产生的高温能回收利用的优点，在我国大多数城市中得到了应用。但随之而来也产生了庞大固体残渣的问题，在这些固体残渣中，炉渣约占80%-90%，面对如此多的炉渣，还需进一步进行资源化利用。炉渣从化学成分来看，主要由众多的硅质材料组成，其与水泥混凝土中的硅质混合材料类似，矿物组成也和建筑天然材料相似。因此，将炉渣应用到墙体材料制备上有着巨大的资源化利用潜力。另外，由于焚烧炉渣属于一般固体废料，可直接丢弃、填埋或经过简单处理后用于墙体材料。本文综述了国内外生活垃圾焚烧炉渣在绿色墙体材料上的应用现状，为炉渣的资源化、绿色化、效益化利用提供方向。

一、炉渣的主要特性

生活垃圾焚烧后产生的炉渣主要由碎玻璃、碎陶瓷、碎瓷砖、沙土、金属制品以及少量塑料等混合杂物组成。其中碎玻璃、碎陶瓷、碎瓷砖和沙土等不能燃烧的干垃圾可由粉碎机或筛子进行处理，将炉渣颗粒大小降到5mm以下，其作用不会影响墙体材料的性能。金属制品杂物主要来自于人们的日常生活用品，如纸箱图钉、螺钉、不锈钢盆等，含单质铁的金属制品在垃圾焚烧时会发生氧化反应，生成氧化物，对墙体材料的性能有一定程度的影响。塑料等杂物是由于垃圾在焚烧过程中温度未达其燃点或焚烧不够彻底而残留下的。以上这些混合杂物可经过预处理去除，得到可以用于墙体材料的炉渣。

处理后的焚烧炉渣呈深灰色或黑褐色，其主要和焚烧的生活垃圾有关，垃圾中含碳量越高，颜色越深。炉渣颗粒结构松散，形状不规则，细度模数在2.9至3.0之间，密度约为1200kg/m3，含水率与空气潮湿度、存放时间等因素有关，其值为非固定值，吸水率主要受炉渣堆积密度的影响，大约为37%。焚烧炉渣富集了诸多化学元素，如Si、Ca、Na、Fe等，其表现为碱性特征，PH值为10.5左右。

垃圾焚烧炉渣应用到墙体材料中需要从以下两个方面进行考量：一是产品的合格性，即将炉渣应用到建筑材料中后，产品是是否安全，是否符合建筑材料技术规范标准；二是产品的经济性，即所生产出来建筑材料的成本及价格是否具有市场竞争力和经济效益。

二、绿色墙体材料

（一）绿色墙体材料的定义

绿色墙体材料是建筑生态持续、健康发展的重要基础，根据美国绿色建筑委员会（U.S Green Building Council）在2011年绿色建筑（LEED）的评价体系中，明确规定了绿色建筑材料的使用标准，如材料和资源利用与回收，室内环境质量控制等[2]。当前针对绿色墙体材料已形成一整套标准评定体系，具体包括以下三个方面。

（1）节约资源和材料：使用可再生的以及可循环利用的资源和材料，如用农业、工业废弃物或生活垃圾焚烧炉渣为原材料，减少其他不可再生资源的使用。

（2）清洁无害：绿色墙体材料在使用中不产生或极少产生对人有害的气体以及有机整合日光和新风，符合环境友好型发展理念。

（3）再生利用：超过使用年限后，可当作其他材料或再生资源进行循环使用，如此既节约了经济成本，又保护了环境。

（二）绿色墙体材料的类型

绿色墙体材料满足评价标准的同时，也要满足不同功能的要求，如：某些墙体材料要求重量轻、耐腐蚀、硬度高、抗高温、隔音好、防虫害、杀毒菌、易安装、易拆卸、绝渗漏等。目前我国建筑行业使用的绿色墙体材料主要有以下五种类型。

（1）混凝土空心砖块、加气混凝土砖块：其具有重量轻、隔热好、防燃烧、施工简单、环境友好、作业强度低等优点。

（2）蒸压灰烧砖，其类型大小通常为240mm*115mm*53mm，主要特性表现为硬度高、外观规范、防水性好、干缩率低。

（3）加气混凝土砖块条板：其具有重量轻、抗高温、施工快、易生产等优点，但在抗风化性和抗腐蚀性功能上没有普通混凝土效果好，通常在施工作业时需要进行一定的憎水处理。

（4）蒸压纤维增强水泥板和硅酸钙板：蒸压纤维增强水泥板与硅酸钙板的不同之处在于前者的容量高于后者，隔热效果好，易于生产加工。

（5）新型泰柏板、3E轻质墙板等：其具有硬度高、重量轻、隔热好、防地震、耐腐蚀，建设简单、施工难度低、环境友好等特点，并且可以使用焚烧炉渣、工业废弃物等为原材料加工生产，这样降低了成本，节约了资源，减少了污染。

当前，建筑市场上应有的绿色墙体材料较多，除了以上介绍外，还有如工业石膏墙材、水泥基珍珠岩轻质陶瓷，陶粒粉煤灰空心砖块、泡沫聚苯乙烯颗粒轻集料新型墙材等都属于绿色墙体材料。

三、炉渣在绿色墙体材料中的应用

（一）水泥和混凝土材料

水泥混凝土材料是建筑工程中最为常见的用料，其主要化学成分和垃圾焚烧炉渣相似，包括CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3等 含氧化物。因此将焚烧炉渣作为水泥制备的原材料在原理上是可行的，其不仅可以降低水泥的使用量，减少煤炭等自然资源的消耗和温室气体的排放，同时可以对焚烧炉渣进行资源化利用，节省经济成本，促进绿色健康发展。为此，国内外很多学者致力于将焚烧炉渣应用到水泥混凝土材料上，并取得了诸多研究成果，其主要有两种应用形式：一是将焚烧炉渣作为制备水泥的原材料；二是作为水泥掺杂物混合使用。

经过预处理后的生活垃圾焚烧炉渣达到环保标准，具有一定的活性，可直接应用在水泥和混凝土材料的制备上。陈新疆等以焚烧炉渣和石英尾矿作为主要原材料用来制备蒸压加气混凝土板材，通过控制工艺参数和设计工艺配比，进行四组不同占比的实验对照，最终实验结果证明，当焚烧炉渣和石英尾矿成分占比为39%和30%时，所制备的蒸压加气混凝土性能最佳，抗压强度高达B05、A3.5等级，符合相应标准要求，说明此工艺配比可用于制备蒸压加气混凝土板材；张军和胡艳丽采取正交试验法，以生活垃圾焚烧炉渣、水泥、石灰等为原材料，分析研究由这些原料制备而成的混凝土抗压强度及抗折强度性能，对照不同炉渣颗粒直径、催化剂对混凝土制品性能的影响，并探索其在热加工时的表现情况，实验结果表明，影响混凝土制品的主要因素为焚烧炉渣与水料配比，当配比为0.14%时，实验结果达到最优，另外八组炉渣大小对照实验结果证明，炉渣颗粒直径对混凝土在力学上的性能有一定程度的影响，其具体组别炉渣大、中、小颗粒直径成分占比分别为5%、50%及45%时，此时混凝土的抗压强度和抗折强度性能最佳。通常水泥中掺杂焚烧炉渣会影响水泥的力学性能，但可以通过设置炉渣和水泥的配比来提高水泥的力学性能。黄健等[6]探索了将城市生活垃圾焚烧炉渣作为配料掺和于水泥生料中的技术，并研究不同炉渣占比下对混合材料力学性能的影响程度，当炉渣占比为7.5%时，其制备的混凝土体积稳定性良好，同时和纯熟料水泥相比，两者在力学性能和适应性上表现相差不大。

除了国内研究人员对焚烧炉渣作为制备材料应用在水泥混凝土材料上展开相关研究外，国外一些人员也对此进行了探索。Muhammad等研究了一种由焚烧炉渣制备生态水泥的新方法，该方法能在固体废物燃烧时，利用燃烧炉的能量，并在较低温度（1100℃）条件下，将炉渣与CO2发生反应，生成生态水泥，这种生态水泥需使用6%的原始添加剂，可以使其在2h后强度达到55MPa，并且其性能和28天水花后的对照普通碳酸盐水泥（OPC）相当。为使水泥和建筑行业废弃固体物遵循可持续性和循环经济发展理念，Monika等将焚烧炉渣作为水泥的替代品，并对其适用性进行评估，研究结果表明，当焚烧炉渣以30%占比代替水泥时，由此组成的砂浆在力学特性上表现良好，虽然在浸出性测试中，硬化砂浆的水萃取物略微超出有限值外，但是并不会对环境造成破坏。

通过以上研究可以发现，焚烧炉渣作为水泥的替代物或掺料时，其用量占比不宜过大或过小，过大会影响基于水泥材料的性能，不利于材料的后续使用，用量过小难以处理目前大量的生活垃圾焚烧炉渣。因此需要控制合适的炉渣和水泥配比，使其满足上述要求。

（二）陶瓷和砖块材料

陶瓷和砖块是建筑项目中的基础用料，一般通过烧结法制备而成，包括烧结砖、轻骨料等。陶瓷的烧结工艺一般是将预处理后的炉渣放置在1000-1200℃的温度下进行熔融热处理，在该温度下，产生的气体会使物料体积形成陶瓷。和熔融热处理工艺技术相比，烧结法所需的温度更低，具有更高的经济效益，减小了处理过程中资源的消耗，同时玻璃体的紧密构造使得物料固体形态能够长期稳定存在。因此生活垃圾焚烧炉渣应用于陶瓷和砖块的制备上在技术上是可行的。

传统陶瓷和砖块的制备原料主要为黏土，其化学成分复杂，主要包含钙、硅、铝等氧化物，但和焚烧炉渣组成成分类似，两者具有一定的可替代性。伍浩然等将垃圾焚烧炉渣作为制备陶瓷的部分替代原料，应用正交分析法探究炉渣占比、烧结温度以及恒定时间三个影响要素对陶瓷抗压强度、膨胀率及吸水性等性能的作用。通过实验结果分析，烧结温度对瓷砖性能影响最大，其次为炉渣占比，最后是恒温时间，另外预料到的是，垃圾焚烧炉渣会降低陶瓷抗压强度，但膨胀率和吸水性没有多少变化，最终得出结论，当烧结温度为1100℃，且炉渣在混合料中占比为20%时，可制备性能较好的的陶瓷。周旭等将大量堆积的炉渣用于制备成砖块，有效解决了炉渣回收不能资源化利用的问题，经过在预处理后的炉渣中加入一定比例的活化剂以及水泥、石灰等原材料，再由液压制砖机压铸成型，硬度比普通砖块高2-3倍的砖块便制成了，既实现了炉渣资源化利用，又降低了经济成本。城市固体废物（MSW）已成为一个全球性问题，Deng等提出了城市垃圾焚烧炉渣再利用方案用于解决MSW持续发展问题，该方案将炉渣作为主要添加剂来制备可持续利用生态友好型陶瓷砖，经实验测试表明，该型陶瓷砖符合中国二类瓷砖标准（GB16889-2008）。

将垃圾焚烧炉渣应用于制备陶瓷和砖块材料上，实现了炉渣资源化、环保化利用，此外烧结工艺与熔融处理相比，具有污染小、能耗低、效益高等优点，是当前应用较多的墙体材料制备方法。

（三）骨料

骨料又称为“集料”，是建筑砂浆和混凝土中一种重要的颗粒状材料，其起到支撑结构的作用。通常分为细骨料和粗骨料，其中细骨料颗粒直径大小在0.015cm-0.5cm之间，通常以天然沙，如河沙、海沙等为原材料，当缺乏天然沙时，亦可将固体石材碾磨成细骨料。粗骨料颗粒直径则大于0.5cm，一般材料以坚硬碎石和轻质卵石为主，在相同环境下，前者制备的材料性能要优于后者，但坚硬碎石需要机器碾碎，其成本要高于后者。

垃圾焚烧炉渣作为部分骨料来制备墙体材料的实验已有很多成功应用案例，例如：许俊宁利用生活垃圾焚烧炉渣与天然细骨料在物理上相似的特性，采用炉渣代替部分天然细骨料来进行研究，提出了不同替代比研究方案，实验结果发现，当焚烧炉渣替代比为30%时，制备的砂浆与普通砂浆相关性能相差不大，抗压强度满足JG/T315-2011的规范要求；当焚烧炉渣替代比为10%时，制备砂浆的力学性能和普通砂浆相近或略高，但伴随着替代比的增加，制备砂浆的性能会在某个比例处达到最大，随后开始下降，最终得出最佳替代比在10%-20%之间。针对当前相关研究焚烧炉渣利用率不高的问题，张文将垃圾焚烧炉渣分为颗粒转炉渣和粉状炉渣，提出了将两者分别作为细骨料和活性矿物替代物用于加气混泥土砖块或碱矿渣加气混泥土砖块的研究方案，实验研究表明，当颗粒状炉渣替代河沙的比例增加时，加气混泥土砖块相应性能会随之变化，且替代比例过高时，性能有所降低，最终替代比例应不超过20%，随着实验的进行，加气混泥土砖块或碱矿渣加气混泥土砖块在炉渣替代比例为10%-20%之间时，两者性能最佳，在该替代比例下，混合物制备成的产品相较于使用原材料制成的砖块成本分别减少23.2和19.4元。

垃圾焚烧炉渣虽然能够一定程度上替代部分细骨料，但在实际情况中，不同地区的生活垃圾焚烧炉渣有着不同的物理特性，需要根据具体成分加以分析，并最终得到应用。

（四）其他材料

垃圾焚烧炉渣还可制备成其它绿色墙体材料，例如笪俊伟等将垃圾焚烧炉渣作为部分硅质材料的替代物质，对炉渣的替代占比、颗粒大小、蒸压时间和压力对加气混凝土砖块的性能进行了研究，最终根据实验结果得到最优配比，所制备的绿色墙体材料符合GB11968-2006规范标准。王开松等将具有光催化特性的TiO2与焚烧炉渣相混合，并在其中添加发泡剂用于制备自清洁泡沫材料，当TiO2配比为0.4%时，自清洁泡沫材料空间分析较为均匀，光降解性能最优。

四、结论

垃圾焚烧炉渣用于制备绿色墙体材料具有一定的应用价值，能减少自然资源的使用，提高炉渣资源化利用率。本文简要介绍了生活垃圾焚烧炉渣的特性和绿色墙体材料的定义及类型，综述了炉渣在墙体材料制备上的四种应用，其中使用炉渣制备水泥混凝土材料的应用最多。炉渣制备绿色墙体材料虽然已有很多应用成果，但仍存在着一些不足之处，如不同地区的焚烧炉渣在化学成分和物理特性上有一定的区别，使得这些应用成果泛化性能不强，需要更加深入的研究。