李康建 赵曜

摘 要：炉渣作为生活垃圾焚烧过程中的主要副产物之一，既具有可与天然石料媲美的工程特性，又具有胶凝材料的水化特性，已逐渐发展成为一种新兴的土木工程建筑材料。本文通过对炉渣及炉渣集料的基本性质、炉渣预处理方式、炉渣集料综合利用方式及资源化利用现状进行综述，结合炉渣集料推广中遇到的问题加以探讨，为拓展炉渣集料替代天然集料的应用范围提供参考。

关键词：生活垃圾焚烧炉渣; 炉渣集料; 预处理; 资源化利用; 建筑材料

中图分类号：X799.3         文献标识码：A       文章编号：1006-3315（2021）9-121-002

1.炉渣资源化利用的背景

全球经济和社会快速发展的大背景下，很多城市面临着“垃圾围城”的窘境。焚烧法被认为是无害化处理生活垃圾的最有效方式之一。生活垃圾经焚烧后，不仅体积和质量可以分别减少90%和70%，而且焚烧产生的热量还可用于发电[1]。“十二五”以来，全国上下大力推动生活垃圾焚烧发电厂（站）的建设与运营。截至2020年底，全国城镇生活垃圾焚烧处理率已达50%。然而，生活垃圾经焚烧后产生的一定数量副产品的处置问题又成为制约城市发展的新瓶颈。生活垃圾焚烧炉渣（以下简称炉渣）就是其中主要的一类，其质量约占原垃圾总量的20%～30%[2]。炉渣采用卫生填埋的传统方式处理，显然与城镇可持续发展目标不相适应。实现炉渣的精准高效资源化利用迫在眉睫。

2.炉渣集料制备工艺

爐渣是指生活垃圾焚烧炉炉排上残留的焚烧残渣、从炉排间掉落的细灰及余热锅炉灰的混合物。炉渣的主要成分为碎石、陶瓷、废旧金属、玻璃、熔渣和未燃尽有机物。炉渣在资源化利用前需通过试验检测以确定最适合的利用方式。研究发现，炉渣的宏观物理组成与粒径关系密切。炉渣中含有的废旧金属可通过一定技术提取出来，用作冶金或者制作其他金属制品的原材料，经济效益很好。

为提高炉渣的资源化利用率，常对炉渣进行一定的预处理，以去除其中不适宜再利用的物质和有害物质（如Cr、Zn等重金属），同时根据实际利用方式，通过破碎、筛分等工艺调整炉渣粒径，以制成满足不同领域技术要求的集料，即炉渣集料。

从垃圾焚烧厂运出的新鲜炉渣，经初次分拣，剔除其中的大块废料以及未燃尽物质后，即可进行预处理。最常用的预处理工艺分为干法和湿法两种。

干法工艺采用“涡流分选+筛选”组合式技术[3]。首先通过磁石转筒内产生的磁场“回收”炉渣中具有导电性的金属，起到分离炉渣与金属材料的作用;然后通过机械或手工破碎工艺，将炉渣破碎至一定尺寸规格;再由筛分机筛分得到不同粒径的炉渣集料，分类存放。湿法工艺采用“跳汰机+摇床”组合式技术，其特点是以水为浸取液，将炉渣与材料金属和其他杂质分离开来，同时高效回收Fe、Zn、Cu等有用金属。

对比干法和湿法两种工艺，湿法预处理可以实现对大多数金属的回收，从而显著降低炉渣集料中的金属及重金属含量，但需要消耗大量的水，水的后续处理也是问题;而干法预处理，因受技术所限，难以实现对较小粒径有色金属的回收。因此，从综合利用和环境保护的角度，湿法预处理工艺更符合循环利用和可持续发展的理念。目前国内采用厂拌法制备炉渣集料也多是采用此类工艺。

3.炉渣集料基本性质

炉渣经干法或湿法预处理后制备得到炉渣集料，尽管主要成分仍是熔渣（约占总量的80%），但有机物含量大幅降低。炉渣集料的主要矿物成分为石英砂（SiO2）和方解石（CaCO3）[4]，与天然砂石集料极为相似;同时含少量的硅酸二钙C2S和硅酸三钙C3S等水泥熟料矿物，以及二氧化硅SiO2和氢氧化钙Ca（OH）2，遇水后可发生水化反应和火山灰反应。

工程特性方面，炉渣集料的表观密度约为2.3g/cm3，较之土木工程领域常用的玄武岩集料和石灰岩集料偏小。同时，熔渣的多孔构造也使得炉渣集料易吸水，吸水率可达6%以上。炉渣集料的压碎值较之玄武岩和石灰岩等传统集料要高，且炉渣集料粒径越大，压碎值越高，表明炉渣集料粒径越大，其抵抗荷载压应力的能力越差，即抗压强度越低。而炉渣集料的磨耗损失最高可达45%，远大于传统集料，且粒径大于4.75mm的炉渣集料损失更为明显。此外，炉渣集料在Na2SO4溶液多次浸泡与烘干循环作用下，其坚固性损失随着粒径的增大而呈减小趋势。但总体上，炉渣集料满足各类建筑材料的基本技术要求，是一类兼具工程特性与胶凝特性的功能型集料。

炉渣集料的工程特性与粒径密切相关，究其原因，主要是不同粒径炉渣集料中的熔渣含量不同所致。炉渣集料粒径越小，其中熔渣含量越高，炉渣集料的工程特性也就更受制于熔渣自身的性能。而熔渣的多孔构造特性使得炉渣集料之与天然集料相比，表观密度更小，吸水率更高，压碎值、磨耗值损失以及坚固性损失较大。因此炉渣集料的工程特性会随粒径的变化而发生变化，且存在一定规律可循。但是资源化利用前仍需进行性能检验。

4.炉渣集料的资源化利用方式

1985年，美国StonyBrook大学海洋科学研究中心废物管理所发布了一项关于炉渣资源化利用的研究成果。这也是研究人员首次通过试验证实，炉渣用作建筑材料替代材料使用的可行性与安全性。在此后三十几年里，北美和欧洲多国不仅广泛开展了炉渣资源化利用的系统化研究，并且出台了多项法案以推动炉渣资源化。我国自2000年前后开始大力推广垃圾焚烧处理以来，对炉渣资源化的研究也渐成体系。基于炉渣基本性质，目前炉渣资源化利用领域集中在建筑行业。

4.1炉渣多孔砖

炉渣集料可用作制砖原料生产炉渣多孔砖，但所用炉渣集料的粒径和掺量对多孔砖的力学性能影响较大[5]。由于炉渣集料本身富含SiO2，在碱性环境下具有一定化学活性，可发生火山灰反应。因此用作多孔砖生产原料时，需加入一定量Na2SO3作为活性剂激发炉渣集料的活性，可使炉渣多孔砖的抗压强度提升2～3倍。炉渣集料在最佳掺量下有利于提高炉渣多孔砖的抗压强度，反之则会导致炉渣多孔砖出现抗渗性差、体积变化不均匀而影响外观等质量问题。因此控制好不同粒径炉渣集料的掺量是生产炉渣多孔砖的关键所在。工程实践证实[6]，炉渣多孔砖的抗压强度不仅满足建筑行业使用要求，同时满足国家环保要求。因此其优势较之普通多孔砖更显著。

4.2炉渣水泥混凝土

炉渣集料替代天然集料用于水泥混凝土[7、8、9]，会对混凝土的强度和弹性模量产生一定影响。炉渣集料的使用会在一定程度上降低炉渣混凝土的早期强度;但随着炉渣集料中活性成分发生火山灰反应、炉渣集料与石英砂混合发生水化反应，针片状水化产物与集料颗粒相互交叉、C-S-H絮状凝胶使集料颗粒紧密地黏结在一起，炉渣混凝土的抗压强度随时间不断增长，与普通混凝土的差距也随之减小，最终炉渣混凝土的强度与普通混凝土相当、甚至超过普通混凝土。由于水泥混凝土属于刚性材料，对强度要求严格，选用0～2.36mm炉渣集料替代相应粒径的细骨料，既能满足强度要求，又可以起到有效防止水泥混凝土产生裂缝的作用。但炉渣集料掺量一般很低（多在10%左右）。

4.3炉渣沥青混合料

当炉渣集料用于沥青混合料，其粒径、掺量以及沥青混合料类型均会影响炉渣沥青混合料的路用性能。研究表明[4，10]，沥青混合料的高温稳定性会随所用炉渣集料粒径和掺量的增加而减小。但使用0～2.36mm粒径的炉渣集料几乎不会对混合料的高温稳定性造成影响，这是由于炉渣集料粒径较小时，其在混合料中并非用来形成骨架，而只是作为填料对沥青与集料之间的黏附性产生影响。同时，炉渣集料还具有增强沥青混合料低温抗裂性的作用;但最终增强效果除与炉渣集料的掺量有关外，还与沥青混合料的空隙率相关。相对而言，密级配沥青混合料的低温抗裂性较之其他类型的沥青混合料对炉渣集料更为敏感。炉渣集料中金属氧化物及活性成分会使炉渣沥青混合料的水稳定性有所下降;但沥青用量的增加又在一定程度上抵销了这种负面影响而实现了平衡。因此炉渣沥青混合料的水稳定性较之未掺用炉渣集料的普通沥青混合料差异不大。此外，由于沥青对炉渣集料表面孔隙具有良好的封堵作用，炉渣沥青混合料的浸出毒性较之未裹覆的炉渣集料具有较显著降低。因此工程使用中对环境的影响非常小。

4.4路基炉渣填料

使用炉渣集料填筑路基时，其实质是作为填土的稳定剂使用，有利于提高填土的综合性能。炉渣集料的胶凝活性和优异的抗摩阻性能，可有效降低填土的膨胀性，提高路基的承载力和可压实性，尤其对软质黏土处理效果显著。但对粉质黏土处理效果一般。炉渣集料整体粒径较大时，在应对路基的冻胀和翻浆等病害方面，也表现出优于天然砂的抗冻胀性能。但需要注意的是，路基处于长期潮湿或浸水状态会使炉渣集料的水稳定性下降、强度降低。因此在多雨地区应严格控制其掺量或者掺入适量的粉煤灰、水泥进行改善。

4.5填埋场炉渣覆盖材料

炉渣是一种优良的填埋场覆盖材料，可直接使用，而不需要经破碎、筛选等预处理过程。使用炉渣作为垃圾卫生填埋的覆盖材料使用，可显著减少填埋气的产生，从而防止细菌、病毒等有毒物质的传播，确保填埋场周边环境安全。除此以外，炉渣具有多孔结构，也可用作吸气剂，用于吸附一定量的填埋气。

5.炉渣集料推广中存在问题

尽管炉渣集料具备用作土木工程建筑材料的替代材料使用的天生条件，但仍存在一些问题亟待解决：

首先，炉渣集料具有与天然集料类似的非均质性，其主要原因在于现阶段垃圾分类不到位，城镇居民垃圾分类意识不足，导致不同地区、不同时期的炉渣的主要成分及其相对含量波动大，使用前须进行相关技术指标的测定，以制定炉渣资源化利用的最佳实施方案。

其次，炉渣集料含有一定量SiO2、Al2O3等活性成分。这些活性成分在炉渣的熟化阶段和预处理过程中如能充分与水发生火山灰反应，可显著提高炉渣的强度。已有研究认为炉渣的最佳熟化时间约为180天[11]。如此长的熟化时间导致大量炉渣堆积占用土地资源，工程工期也可能受到影响;如炉渣集料未完全熟化即投入使用，又会导致刚性材料（如水泥混凝土、砖）发生开裂，影响结构使用寿命，增加后期维护成本，与原本环境友好和可持续发展的理念背道而驰。此外，炉渣集料中的重金属、可溶性盐和其他污染物质的溶出可能对环境造成负面影响，也是限制其应用范围的主要因素。

因此，选择合适的炉渣熟化工艺、预处理工艺，是提高炉渣资源化应用范围和水平的有效途径;同时提高炉渣资源化利用知识的普及，让更多的行业了解炉渣集料，也能为炉渣集料的推广应用创造条件。

生活垃圾焚烧炉渣在我国属固体废弃物，其理化成分、矿物组成与天然建材相似，通过一定预处理工艺可将其可制备成满足技术要求的炉渣集料。本文对炉渣集料与天然建材的基本性质进行了较为全面的比较分析，认为炉渣集料的一些性能指标虽然稍逊于天然建材，但可以通过控制使用粒径与掺量而使混合料/混凝土满足工程要求。从当前炉渣集料的利用现状来看，其作为天然建材的替代材料在土木工程领域内的适用范围颇为广泛，且效果良好。进一步优化炉渣的预处理工艺和炉渣集料的制备工艺，将会有利于提高炉渣集料的资源化利用水平，从而带动建筑行业转型与发展。

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]徐晶晶.垃圾焚烧灰渣的特性及资源化利用[J].江苏建材，2011，（4）：34-37.

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[3]吴彬彬，宋薇，蒲志红.垃圾焚烧炉渣综合利用项目技术及管理现状分析[J]环境卫生工程，2019，27（3）：9-11

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[10]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

[11]过震文，李立寒，胡艳军等.生活垃圾焚烧炉渣资源化理论与实践[M]上海科学技术出版社，2019，3：107-123