0引言
随着我国经济的快速发展和城市化进程的加快以及人民生活水平的提高，城市生活垃圾产生量不断增加，以年均8%~10%的速度递增，垃圾处理已成为影响城市可持续发展的重要因素之一。目前，垃圾焚烧的规模在变得越来越大，垃圾焚烧飞灰的产量不断增加，而传统的垃圾焚烧飞灰固化稳定化等方式具有费用较高和增容明显的特点，将焚烧飞灰采用填埋等方式进行处理会占用大量土地资源，且其重金属浸出和剧毒有机物(如二恶英等)对环境和人类健康会产生长期的危害，因此导致几乎所有城市在安全填埋场的选址上具有很大阻碍。我国现有的垃圾焚烧厂已经存在类似问题，需要在垃圾焚烧飞灰资源化利用方面开展研究工作。通过对飞灰的资源化利用途径进行总结分析得出，飞灰中高含量的氯离子限制了飞灰资源化利用技术的广泛使用，尤其是作为辅助性胶凝材料时的影响较大，因此对飞灰进行预处理研究就显得越来越重要[1]。水洗预处理技术是一种有效的飞灰稳定化技术，已受到愈来愈多的关注。国内外已经开展过将水洗飞灰作为水泥原料及辅助胶凝材料的研究[2-6]。本研究工作对水洗城市生活垃圾焚烧飞灰(记作PW-MSWI)的组成和性能进行分析，探究其粉磨工艺、粉磨时间和掺量等对水泥性能的影响，同时对其作为水泥混合材的环境安全性进行了研究，为合理使用PW-MSWI作水泥混合材提供依据。
1试验原料及方案设计
1.1原材料
本研究所用的垃圾焚烧飞灰原样取自上海浦东新区御桥生活垃圾焚烧厂，由焚烧炉除尘器收集而来。其中PW-MSWI是将垃圾焚烧飞灰经化学水洗预处理后，再进行干燥的飞灰。试验用水泥熟料是由平湖南方水泥有限公司生产;二水石膏取自上海吴泾电厂;粉煤灰来自上海石洞口发电厂;矿渣粉选用上海某建材公司生产的S95型矿渣粉。
表1为水洗前后的飞灰及其他材料的化学成分，其中PW-MSWI的氯离子含量为0.47%。
表1材料的主要化学组成%
1.2试验方法
1)粉磨工艺选择：采用混合材与水泥熟料单独粉磨后混合(PW-MSWI粉磨10min，水泥熟料+二水石膏共同粉磨30min)和混合材与水泥熟料混合后共同粉磨(混磨30min)两种方式，制备不同PW-MSWI掺量下的混合水泥共10种。参照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》测定不同粉磨工艺下制备的混合水泥的力学性能，结合对粉磨能耗的分析，确定不同掺量范围内，PW-MSWI作混合材制备混合水泥的适宜粉磨工艺，即单掺PW-MSWI作为水泥混合材时的优选掺入方式。
2)粉磨时间的选择：采用优选掺入方式，将比表面积为357m2/kg、477m2/kg和562m2/kg的PW-MSWI(粉磨时间分别为1min、5min和10min)以不同掺量替代水泥熟料，制备混合水泥共15种。分别采用GB/T 17671—1999和GB/T 1346—2011考察单掺PW-MSWI对水泥力学性能和物理性能(标准稠度用水量、凝结时间和安定性)的影响，确定PW-MSWI适宜的粉磨时间;采用PW-MSWI与常用混合材复掺，研究PW-MSWI与不同混合材复掺的效果。
3)环境安全性评价：在试验确定的PW-MSWI作为混合材的掺量范围内，按标准《固体废物浸出毒性方法 水平振荡法》(HJ 557—2009)中的方法，采用严格的实验室条件(酸性条件下)对含PW-MSWI的混合水泥进行重金属浸出毒性的测定，并与我国相关标准进行比对，以确定PW-MSWI作为混合材时，在恶劣条件下长期使用的环境安全性。
2结果与讨论
2.1PW-MSWI的物相分析
PW-MSWI的X射线衍射谱见图1。
图1水洗预处理垃圾焚烧飞灰的XRD谱
图1表明，PW-MSWI中的主要矿物有：CaCO3、Ca(OH)2、SiO2和CaSO4等物质，同时也含有少量的固溶相物质如：CaAl2Si2O8等。从XRD图谱中没有发现NaCl、KCl等可溶性氯盐，这说明通过水洗预处理Cl-主要以NaCl和KCl的形式被去除了，残余量很少，这也与XRF检测结果中三种元素的含量大幅降低相吻合。此外，XRD测试还表明，PW-MSWI与矿渣和粉煤灰等常用辅助性胶凝材料的主要结晶物成分相似。因此，可以推断PW-MSWI也具备作为辅助性胶凝材料的特性，可以考虑将其作为水泥混合材使用。
2.2粉磨工艺对PW-MSWI作为混合材的水泥力学性能影响
不同粉磨工艺下水泥强度的试验结果见表2。
表2不同粉磨工艺下PW-MSWI对水泥强度的影响
注：H——混合粉磨工艺;NH——单独粉磨工艺;编号中的1、3、5、7和10——PW-MSWI掺量分别为1%、3%、5%、7%和10%。
由表2可知，当PW-MSWI的掺量控制在3%以内时，混合粉磨工艺和单独粉磨工艺对水泥强度影响的差别微乎其微。进一步增加PW-MSWI的掺量至5%甚至更高时，单独粉磨条件下的水泥各龄期抗压强度明显高于混合粉磨工艺，尤其是后期强度差别较大。
此外，由于对 PW-MSWI单独粉磨10min后，继续粉磨比表面积几乎没有变化，因此混合粉磨工艺中PW-MSWI已过磨了20min，PW-MSWI掺量为5%甚至更高时，单独粉磨工艺的能耗较混合粉磨工艺能耗均下降。因此，综合考虑水泥力学性能及粉磨能耗两个关键因素，可以得出，当PW-MSWI的掺量大于3%时，宜采用单独粉磨后混合的工艺作为其用于水泥混合材的优选掺入方式，使混合水泥具有较优的力学性能和经济效益。
2.3粉磨时间对水泥力学性能的影响
不同PW-MSWI比表面积下混合水泥的强度试验结果见图2，图2中各试样的配比见表3。
图2不同比表面积下的PW-MSWI与水泥力学性能的关系
表3不同PW-MSWI比表面积下混合水泥的配比%
注：字母A后的3、5、10、15和20表示PW-MSWI掺量为3%、5%、10%、15%和20%;1，2，3代表比表面积为357m2/kg、477m2/kg和562 m2/kg。
通过图2可看出，随着PW-MSWI掺量的增加，试样各龄期的抗折强度均在减小。当PW-MSWI的掺量不高于10%时，试样28d抗压强度变化不大，3d和7d抗压强度均有不同程度的提高。而当掺量继续增加时，水泥各龄期抗压强度开始降低，但在20%以内时，其强度值达到基准的70%以上。以比表面积为562m2/kg的PW-MSWI为例，当其掺量为15%和20%时，水泥28d抗压强度仍可达到基准试样85%左右。
对在同一掺量下，不同比表面积PW-MSWI对水泥强度的影响进行分析，得出PW-MSWI的比表面积对水泥的早期及后期强度均有一定影响，其中以28d抗压强度最为显著。在掺量不高于10%时，其比表面积对强度的影响效果并不突出，而当掺量大于10%时，比表面积的影响效果逐渐明显。在掺量为15%时，掺入比表面积为562m2/kg的PW-MSWI相比掺入477m2/kg 和357m2/kg的PW-MSWI水泥28d抗压强度分别提高了4.18%和8.95%;当掺量为20%时提高的更多，分别达到了6.27%和12.1%。因此，宜采用粉磨时间为10min左右的PW-MSWI(比表面积562 m2/kg)作为水泥混合材。
2.4PW-MSWI对水泥物理性能的影响
对PW-MSWI(比表面积为562m2/kg)不同掺量下，采取单独粉磨方式的混合水泥进行标准稠度用水量、凝结时间以及安定性的测试。测试结果见表4。
表4 PW-MSWI对水泥物理性能的影响
表4结果表明，随着PW-MSWI掺量的增加，混合水泥的标准稠度用水量呈现上升趋势;在此掺量范围内，对水泥凝结时间的影响不明显且对水泥的体积安定性无不良影响。
2.5PW-MSWI与其他混合材复合对水泥力学性能的影响
选取比表面积为562m2/kg的PW-MSWI，将各原料按照配合比混合均匀后制备成复合水泥。试验结果见表5。
表5PW-MSWI与其他混合材复合对水泥强度的影响
注：A——PW-MSWI, F——粉煤灰, S——矿渣粉;1、4和5——掺量为10%、40%和50%。
从表5可以看出，PW-MSWI取代10%粉煤灰的复合水泥试样，其3d、7d及28d强度较单掺粉煤灰的试样有一定提高。而PW-MSWI取代10%的矿渣，虽然水泥后期强度变化不大，但其3d和7d强度明显增加。从强度发展趋势看，适量的PW-MSWI应用于粉煤灰水泥时，对粉煤灰水泥各个龄期的强度有一定提高;而用于矿渣水泥时，可极大地提高矿渣水泥的早期强度。
2.6PW-MSWI用于水泥混合材的环境安全性研究
选取5%、10%和15%的PW-MSWI与相应量的基准水泥制成水泥净浆(养护28d)，做重金属的浸出试验，以乙酸溶液对试块进行浸提，浸出液中的重金属元素的测定结果见表6。
表6混合水泥中重金属浸出浓度mg/L
注:ND表示所测金属含量低于仪器检测下限而未检测出;Y1、Y2和Y3——PW-MSWI掺量为5%、10%和15%。
从表6可以看出，各重金属的浸出浓度都远低于浸出毒性标准限值，因此PW-MSWI作为水泥混合材使用时，环境安全性良好。
3结论
1)PW-MSWI中的SO3和Cl-含量较水洗前的垃圾焚烧飞灰有大幅度降低，且其具有一定的胶凝活性，作为水泥混合材是可行的。
2)在试验掺量范围内，综合分析水泥的力学性能及粉磨能耗，得出宜采用单独粉磨后混合的工艺将PW-MSWI用作水泥混合材。通过对单掺工艺下，不同比表面积、不同掺量PW-MSWI的水泥力学性能进行分析，可知在比表面积为562m2/kg左右(粉磨时间10min左右)的PW-MSWI最适宜。随着PW-MSWI掺量的增大，混合水泥的标准稠度用水量增大，凝结时间变化不明显，对水泥的体积安定性无不良影响。
3)PW-MSWI分别与粉煤灰和矿渣粉复掺有助于提高粉煤灰水泥各个龄期的强度及矿渣水泥的早期强度。
4)PW-MSWI用作水泥混合材，其浸出液中的重金属浓度低于浸出毒性标准限值，环境安全性良好。
原标题：水洗城市生活垃圾焚烧飞灰作为水泥混合材的试验研究
