水泥窯處置固廢產(chǎn)出脫附土水化活性研究

引言工業(yè)快速發(fā)展導(dǎo)致有機(jī)污染土壤面積不斷擴(kuò)大，國內(nèi)外利用水泥窯協(xié)同處置污染土壤越來越受到人們的關(guān)注。水泥窯處置技術(shù)因具有處置對象廣、處置數(shù)量大、處置成本低、無次生危廢等優(yōu)勢，被認(rèn)為是一種高效處理固體廢棄物的工藝方法，已被成功應(yīng)用于處理包括滴滴涕、六六六和多氯聯(lián)苯在內(nèi)的多種有機(jī)污染土壤的治理[1-2]。當(dāng)前，全國各地特別是各大中心城市雖然普遍采用水泥窯協(xié)同處置固體廢棄物作為污染修復(fù)的重要手段，但由于各地方情況各異，加之這一環(huán)保產(chǎn)業(yè)剛剛興起，各地對于水泥窯協(xié)同處置固體廢棄物的考量標(biāo)準(zhǔn)多集中在治理污染的效果，關(guān)注重點(diǎn)在實(shí)現(xiàn)固廢的減量化和無害化，對于如何實(shí)現(xiàn)產(chǎn)出物的資源化尚無系統(tǒng)深入研究的成果報(bào)道。因此，確定實(shí)現(xiàn)產(chǎn)出物資源化的有效途徑，最大限度地提升水泥窯協(xié)同處置固廢產(chǎn)業(yè)的價(jià)值產(chǎn)出，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和非常緊迫的現(xiàn)實(shí)需求。同時(shí)，粉煤灰作為現(xiàn)代商品混凝土中廣泛使用的一種材料，需求量也日益增加，加之隨著清潔能源在我國能源結(jié)構(gòu)中的占比不斷提升，燃煤量呈逐年萎縮之勢，部分區(qū)域粉煤灰市場出現(xiàn)供不應(yīng)求、以次充好等現(xiàn)象。本文考察水泥回轉(zhuǎn)窯處理污染土后產(chǎn)生的脫附土的水化活性，研究其替代粉煤灰作為砂漿活性礦物摻合料的可行性，在實(shí)現(xiàn)脫附土安全消納、有效資源化利用的同時(shí)，緩解粉煤灰的需求壓力。1、試驗(yàn)部分

1.1原材料脫附土：北方某水泥廠利用水泥回轉(zhuǎn)窯處置污染土壤產(chǎn)出物，回轉(zhuǎn)窯焚燒溫度在900~1000℃，在窯中的停留時(shí)間≥20min，脫附土化學(xué)成分SiO2

46.2%，Al2O3

15.6%，F(xiàn)e2O3

9.39%，CaO17%，MgO3.63%，K2O3.11%，Na2O1.29%。水泥：采用GB8076—2008《混凝土外加劑》規(guī)定的基準(zhǔn)水泥，工業(yè)級。砂：符合GB/T17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)砂，工業(yè)級。粉煤灰：符合GB/T1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》規(guī)定的Ⅱ級粉煤灰。礦渣：符合GB/T18046—2017《用于水泥、砂漿和混凝土中的?；郀t礦渣粉》規(guī)定的礦渣。硅灰：1250目。硅酸鈉：分析純。纖維素：粘度40000mPa·s。

1.2試驗(yàn)方法參照GB/T1596—2017規(guī)定的強(qiáng)度活性指數(shù)檢測方法，用不同比例的脫附土替代粉煤灰，并引入硅灰、礦渣及堿激發(fā)劑，按標(biāo)準(zhǔn)要求檢測其活性指數(shù)，并觀察試塊微觀結(jié)構(gòu)，從性能和結(jié)構(gòu)兩方面分析其水化活性。按照一定配比以脫附土不同比例替代粉煤灰制備干混砂漿，考察砂漿抗壓強(qiáng)度、保水性等性能，確定脫附土作為活性摻合料應(yīng)用于砌筑砂漿和抹灰砂漿的可行性。2、結(jié)果與分析

2.1脫附土水化活性分析脫附土以不同比例分別與粉煤灰、礦渣、硅灰及堿激發(fā)劑混合，參考GB/T1596—2017制備水泥膠砂試塊并檢測強(qiáng)度活性指數(shù)（每組配比粉料總量450g），其試驗(yàn)配比及強(qiáng)度活性指數(shù)見表1。表1

試驗(yàn)配比及強(qiáng)度活性指數(shù)由表1可知：（1）對比1#和4#樣品數(shù)據(jù)可知，試驗(yàn)用粉煤灰活性指數(shù)能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求（強(qiáng)度活性指數(shù)≥70%），而單獨(dú)添加脫附土，其活性指數(shù)低于粉煤灰，并且不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求；（2）從2#、3#、4#樣品活性指數(shù)可以看出，隨著脫附土摻加比重的增大，強(qiáng)度活性指數(shù)（28d抗壓強(qiáng)度比）呈下降趨勢，說明脫附土的水化活性不足以完全替代粉煤灰作為水泥活性混合材料；（3）從5#～10#樣品數(shù)據(jù)可知，以部分脫附土替代粉煤灰、礦渣，可達(dá)到活性指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，但隨著脫附土摻量增大，活性指數(shù)下降；（4）對比4#、11#和12#樣品數(shù)據(jù)可知，以硅灰加入脫附土中，對其活性指數(shù)有顯著提升，以硅灰替代8.3%的脫附土（12#），其活性指數(shù)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，且隨著硅灰比例的增大，活性指數(shù)有所提升；（5）以硅酸鈉作為堿激發(fā)劑添加脫附土中（13#），對其活性有一定的提升作用，硅酸鈉替換2.7%的脫附土，其活性指數(shù)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求；（6）同時(shí)加入硅灰和硅酸鈉（14#），比硅灰（11#）、硅酸鈉（13#）分別加入脫附土，對其活性提升更為明顯。綜上可知，脫附土存在一定的水化活性，但其活性低于粉煤灰，在一定比例添加粉煤灰、礦渣、硅灰、硅酸鈉的條件下，可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的強(qiáng)度活性指數(shù)，有作為水泥活性摻合料的可行性。2.2脫附土對膠凝材料水化影響分析對成型養(yǎng)護(hù)后部分樣品進(jìn)行微觀形貌觀察（掃描電鏡1000倍），分析添加脫附土及外加劑對膠凝材料水化的影響。掃描電鏡圖如圖1～圖7所示。對比圖1、圖2，可以看到明顯差異。圖1為未添加脫附土的試塊，膠凝材料顆粒間的空隙基本由水化凝膠連接、充填。可見原態(tài)形狀的顆粒較少，絕大部分顆粒邊界融合，顆粒輪廓模糊，由顆粒堆積形成的空隙較少。相比之下，圖2添加了30%脫附土后，雖然膠凝材料顆粒周圍基本均可見水化產(chǎn)物存在，但充填程度明顯低于空白對比樣品。多數(shù)顆粒可見邊界部分融合，但顆粒輪廓仍為可辨，由顆粒間堆積形成的空隙仍較多。由此表明，在水化早期，由于脫附土的引入，阻礙了水化凝膠的生成，對于膠凝材料的水化程度起到了抑制、延緩的作用。圖1

1#樣品7d微觀形貌圖2

4#樣品7d微觀形貌對比圖3、圖4，可以看到差異仍較明顯。圖3顯示，未添加脫附土的空白試塊膠凝材料水化程度充分，水化凝膠生長、連接成較密實(shí)的整體，少有空隙，未見形貌符合原態(tài)特征的顆粒。對比之下，圖4顯示膠凝材料的水化雖然也較充分，但摻加脫附土的樣品，其水化凝膠的密實(shí)程度仍低于對比樣品，空隙多于對比樣品。由此仍可以比較出摻加脫附土的樣品，隨著齡期增長，其對于膠凝材料水化的抑制作用也在持續(xù)。圖3

1#樣品28d微觀形貌圖4

4#樣品28d微觀形貌對比圖4、圖5，可以看到引入硅灰使得相同齡期膠凝材料的水化程度有所改善，水化產(chǎn)物密實(shí)度得到提高，但與圖3比較，仍不能達(dá)到同齡期空白樣品水化凝膠的密實(shí)程度。圖5

11#樣品28d微觀形貌圖6

13#樣品28d微觀形貌對比圖4、圖6，可以看到同齡期加入硅酸鈉樣品與只摻加脫附土樣品相比較，膠凝材料的水化程度得到改善，水化凝膠的密實(shí)度有所提高。但仍可以看到，加入硅酸鈉樣品的水化凝膠空隙較圖3、圖5多且分布不規(guī)則，這種形貌對應(yīng)的試塊強(qiáng)度仍然不理想。由圖7可以看出，同時(shí)引入硅灰和硅酸鈉，得到了最接近空白（1#）對照樣品的水化凝膠形貌，凝膠密實(shí)度和空隙均優(yōu)于單獨(dú)使用二者中的任何一種。這與試塊強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果是相吻合的。圖7

14#樣品28d微觀形貌2.3脫附土在砂漿中作為活性摻合料的應(yīng)用效果按照一定配比制備不同標(biāo)號砌筑和普通抹灰砂漿，其中M15和M10為同一配比，M7.5和M5為同一配比。以脫附土不同比例替代物料中粉煤灰，考察砂漿力學(xué)性能。具體數(shù)值見表2。由表2可知，在砂漿稠度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)，各配比的需水量呈現(xiàn)一定的規(guī)律，即脫附土替代粉煤灰20%～60%范圍內(nèi)，需水量與無脫附土的空白對照相比變化不明顯，但當(dāng)脫附土替代粉煤灰替代量達(dá)到100%，高標(biāo)號的砌筑、抹灰砂漿的需水量較空白明顯增加，而低標(biāo)號的砌筑、抹灰砂漿的需水量則與空白差別不大。從抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)看，添加40%脫附土替代粉煤灰制備砌筑砂漿可達(dá)到M10強(qiáng)度等級，添加60%脫附土替代粉煤灰制備可達(dá)到砌筑砂漿M7.5強(qiáng)度等級以及抹灰砂漿M10、M7.5強(qiáng)度等級，脫附土100%替代粉煤灰可達(dá)到砌筑砂漿和抹灰砂漿M5強(qiáng)度等級?？疾烀摳酵?00%替代粉煤灰制備砌筑砂漿和抹灰砂漿M5的配比樣品保水率和2h稠度損失，其中砌筑砂漿和抹灰砂漿保水率分別為91%、89%，2h稠度損失分別為12.5%、20.4%，均達(dá)到GB/T25181—2019《預(yù)拌砂漿》的要求。由此測試結(jié)果可知，在制備低標(biāo)號（M5）砌筑砂漿和抹灰砂漿中，以脫附土100%替代粉煤灰有較好的可行性和合理性。表2

脫附土不同配比替代粉煤灰制備砂漿試塊的抗壓強(qiáng)度結(jié)論

（1）脫附土本身具備一定的水化活性，但其水化活性低于粉煤灰，不能達(dá)到水泥活性混合材料的要求。（2）脫附土的加入阻礙了水化凝膠的生成，對于膠凝材料的水化程度起到了一定的抑制、延緩的作用。（3）通過添加硅灰和堿激發(fā)劑（硅酸鈉）協(xié)同作用，