水泥窑处置固废产出脱附土水化活性研究

引言工业快速发展导致有机污染土壤面积不断扩大，国内外利用水泥窑协同处置污染土壤越来越受到人们的关注。水泥窑处置技术因具有处置对象广、处置数量大、处置成本低、无次生危废等优势，被认为是一种高效处理固体废弃物的工艺方法，已被成功应用于处理包括滴滴涕、六六六和多氯联苯在内的多种有机污染土壤的治理[1-2]。当前，全国各地特别是各大中心城市虽然普遍采用水泥窑协同处置固体废弃物作为污染修复的重要手段，但由于各地方情况各异，加之这一环保产业刚刚兴起，各地对于水泥窑协同处置固体废弃物的考量标准多集中在治理污染的效果，关注重点在实现固废的减量化和无害化，对于如何实现产出物的资源化尚无系统深入研究的成果报道。因此，确定实现产出物资源化的有效途径，最大限度地提升水泥窑协同处置固废产业的价值产出，具有十分重要的现实意义和非常紧迫的现实需求。同时，粉煤灰作为现代商品混凝土中广泛使用的一种材料，需求量也日益增加，加之随着清洁能源在我国能源结构中的占比不断提升，燃煤量呈逐年萎缩之势，部分区域粉煤灰市场出现供不应求、以次充好等现象。本文考察水泥回转窑处理污染土后产生的脱附土的水化活性，研究其替代粉煤灰作为砂浆活性矿物掺合料的可行性，在实现脱附土安全消纳、有效资源化利用的同时，缓解粉煤灰的需求压力。1、试验部分

1.1原材料脱附土：北方某水泥厂利用水泥回转窑处置污染土壤产出物，回转窑焚烧温度在900~1000℃，在窑中的停留时间≥20min，脱附土化学成分SiO2

46.2%，Al2O3

15.6%，Fe2O3

9.39%，CaO17%，MgO3.63%，K2O3.11%，Na2O1.29%。水泥：采用GB8076—2008《混凝土外加剂》规定的基准水泥，工业级。砂：符合GB/T17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》规定的标准砂，工业级。粉煤灰：符合GB/T1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》规定的Ⅱ级粉煤灰。矿渣：符合GB/T18046—2017《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》规定的矿渣。硅灰：1250目。硅酸钠：分析纯。纤维素：粘度40000mPa·s。

1.2试验方法参照GB/T1596—2017规定的强度活性指数检测方法，用不同比例的脱附土替代粉煤灰，并引入硅灰、矿渣及碱激发剂，按标准要求检测其活性指数，并观察试块微观结构，从性能和结构两方面分析其水化活性。按照一定配比以脱附土不同比例替代粉煤灰制备干混砂浆，考察砂浆抗压强度、保水性等性能，确定脱附土作为活性掺合料应用于砌筑砂浆和抹灰砂浆的可行性。2、结果与分析

2.1脱附土水化活性分析脱附土以不同比例分别与粉煤灰、矿渣、硅灰及碱激发剂混合，参考GB/T1596—2017制备水泥胶砂试块并检测强度活性指数（每组配比粉料总量450g），其试验配比及强度活性指数见表1。表1

试验配比及强度活性指数由表1可知：（1）对比1#和4#样品数据可知，试验用粉煤灰活性指数能够达到标准要求（强度活性指数≥70%），而单独添加脱附土，其活性指数低于粉煤灰，并且不能达到标准要求；（2）从2#、3#、4#样品活性指数可以看出，随着脱附土掺加比重的增大，强度活性指数（28d抗压强度比）呈下降趋势，说明脱附土的水化活性不足以完全替代粉煤灰作为水泥活性混合材料；（3）从5#～10#样品数据可知，以部分脱附土替代粉煤灰、矿渣，可达到活性指数标准要求，但随着脱附土掺量增大，活性指数下降；（4）对比4#、11#和12#样品数据可知，以硅灰加入脱附土中，对其活性指数有显著提升，以硅灰替代8.3%的脱附土（12#），其活性指数达到标准要求，且随着硅灰比例的增大，活性指数有所提升；（5）以硅酸钠作为碱激发剂添加脱附土中（13#），对其活性有一定的提升作用，硅酸钠替换2.7%的脱附土，其活性指数达到标准要求；（6）同时加入硅灰和硅酸钠（14#），比硅灰（11#）、硅酸钠（13#）分别加入脱附土，对其活性提升更为明显。综上可知，脱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、矿渣、硅灰、硅酸钠的条件下，可达到标准规定的强度活性指数，有作为水泥活性掺合料的可行性。2.2脱附土对胶凝材料水化影响分析对成型养护后部分样品进行微观形貌观察（扫描电镜1000倍），分析添加脱附土及外加剂对胶凝材料水化的影响。扫描电镜图如图1～图7所示。对比图1、图2，可以看到明显差异。图1为未添加脱附土的试块，胶凝材料颗粒间的空隙基本由水化凝胶连接、充填。可见原态形状的颗粒较少，绝大部分颗粒边界融合，颗粒轮廓模糊，由颗粒堆积形成的空隙较少。相比之下，图2添加了30%脱附土后，虽然胶凝材料颗粒周围基本均可见水化产物存在，但充填程度明显低于空白对比样品。多数颗粒可见边界部分融合，但颗粒轮廓仍为可辨，由颗粒间堆积形成的空隙仍较多。由此表明，在水化早期，由于脱附土的引入，阻碍了水化凝胶的生成，对于胶凝材料的水化程度起到了抑制、延缓的作用。图1

1#样品7d微观形貌图2

4#样品7d微观形貌对比图3、图4，可以看到差异仍较明显。图3显示，未添加脱附土的空白试块胶凝材料水化程度充分，水化凝胶生长、连接成较密实的整体，少有空隙，未见形貌符合原态特征的颗粒。对比之下，图4显示胶凝材料的水化虽然也较充分，但掺加脱附土的样品，其水化凝胶的密实程度仍低于对比样品，空隙多于对比样品。由此仍可以比较出掺加脱附土的样品，随着龄期增长，其对于胶凝材料水化的抑制作用也在持续。图3

1#样品28d微观形貌图4

4#样品28d微观形貌对比图4、图5，可以看到引入硅灰使得相同龄期胶凝材料的水化程度有所改善，水化产物密实度得到提高，但与图3比较，仍不能达到同龄期空白样品水化凝胶的密实程度。图5

11#样品28d微观形貌图6

13#样品28d微观形貌对比图4、图6，可以看到同龄期加入硅酸钠样品与只掺加脱附土样品相比较，胶凝材料的水化程度得到改善，水化凝胶的密实度有所提高。但仍可以看到，加入硅酸钠样品的水化凝胶空隙较图3、图5多且分布不规则，这种形貌对应的试块强度仍然不理想。由图7可以看出，同时引入硅灰和硅酸钠，得到了最接近空白（1#）对照样品的水化凝胶形貌，凝胶密实度和空隙均优于单独使用二者中的任何一种。这与试块强度的试验结果是相吻合的。图7

14#样品28d微观形貌2.3脱附土在砂浆中作为活性掺合料的应用效果按照一定配比制备不同标号砌筑和普通抹灰砂浆，其中M15和M10为同一配比，M7.5和M5为同一配比。以脱附土不同比例替代物料中粉煤灰，考察砂浆力学性能。具体数值见表2。由表2可知，在砂浆稠度达到标准要求范围内，各配比的需水量呈现一定的规律，即脱附土替代粉煤灰20%～60%范围内，需水量与无脱附土的空白对照相比变化不明显，但当脱附土替代粉煤灰替代量达到100%，高标号的砌筑、抹灰砂浆的需水量较空白明显增加，而低标号的砌筑、抹灰砂浆的需水量则与空白差别不大。从抗压强度数据看，添加40%脱附土替代粉煤灰制备砌筑砂浆可达到M10强度等级，添加60%脱附土替代粉煤灰制备可达到砌筑砂浆M7.5强度等级以及抹灰砂浆M10、M7.5强度等级，脱附土100%替代粉煤灰可达到砌筑砂浆和抹灰砂浆M5强度等级。考察脱附土100%替代粉煤灰制备砌筑砂浆和抹灰砂浆M5的配比样品保水率和2h稠度损失，其中砌筑砂浆和抹灰砂浆保水率分别为91%、89%，2h稠度损失分别为12.5%、20.4%，均达到GB/T25181—2019《预拌砂浆》的要求。由此测试结果可知，在制备低标号（M5）砌筑砂浆和抹灰砂浆中，以脱附土100%替代粉煤灰有较好的可行性和合理性。表2

脱附土不同配比替代粉煤灰制备砂浆试块的抗压强度结论

（1）脱附土本身具备一定的水化活性，但其水化活性低于粉煤灰，不能达到水泥活性混合材料的要求。（2）脱附土的加入阻碍了水化凝胶的生成，对于胶凝材料的水化程度起到了一定的抑制、延缓的作用。（3）通过添加硅灰和碱激发剂（硅酸钠）协同作用，